水声扩频信号截取、检测方法分析

现代制造技术与装备

２０１１第１期总第２００期

水声扩频信号截取、检测方法分析

郑

磊

李智忠

马旭勃

（海军潜艇学院，青岛２６６０７１）

摘要：扩展频谱通信具有抗噪声、抗干扰、低功率谱密度下工作、保密性等许多优点，己在水下通信中得

到广泛运用，本文主要探讨了水声扩频信号截取、检测方法，重点分析了直接序列扩频信号的截获、检测技术，即对直接序列扩频信号采用自相关取平均的方法。并从理论上说明了这些方法的可行性。

关键词：扩频

信号截取信号检测

１引言

水声信号在水下传输，由于水面和水底的反射和散射，信号的畸变十分严重，特别是在浅水水声信道中，由于信号的入射角较小，反射的损失也很小，这就导致存在较大的信道多途效应…。水声通信是在比较复杂的环境和条件下进行的，为了保证通信的可靠进行，必须解决时变多途干扰及多普勒频移等许多复杂的技术问题。扩频信号叮以用于水下通信信道获得较可靠的传输，它可以抑制多途的干扰，并具有保密性好等优点。因此，对水下扩频通信的研究已经引起了广泛的注意【２１。对敌方扩频信号的截获检测技术也提出了新的要求Ｉ“。对扩频信号的检测热点是上世纪８０年代初开始的。根据能量检测器检测信号的缺陷，提出了各种能克服这种缺陷的检测器，如延迟相乘器，循环谱分析器等。现在对扩频信号的截获从文献上看已经发展到对参数进行更有效更准确的估计方面并且已经开始对扩频码进行估计１４．“。但是这种信号的检测仍在寻找新的方法以更有效的检测。２线性调频（ＣＨＩＲＰ）系统２．１线性调频原理

线性调频是一种不需要伪码序列调制的扩频调制技术。由于原理简单，实现方便，因此，在水下通信声纳中也有一定的应用。

线性调频信号的特点是，发射脉冲信号的瞬时频率在信息脉冲持续周期Ｔ内随时间作线性变化，在脉冲起始和终止时刻的频差

通常选用的Ｔ △Ｆ＝Ｉ。２．２线性调频信号检测

（１）ＬＦＭ信号自相关及其包络特性：ＬＦＭ信号的自相关包络呈现抽样函数形状，根据抽样函数特点，其一３ｄＢ主

瓣宽度近似等于信号的带宽，第一Ｎ瓣的高度为一１３．２ｄＢ，

这是ＬＦＭ信号自相关包络的特有特性，因此该特性可作为判定输入信号为ＬＦＭ信号的理论基础。

（２）数字自相关及其实现：自相关检测技术是利用信号自相关存在峰值和噪声随机性的特点，通过自相关运算达到去除噪声的检测方法。设信号与随机干扰两者是叠加的，即ｘ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｎ（ｔ），其中８（ｔ）是信号脉冲，ｎ（ｔ）是随机噪声。ＦＭ信号的数字自相关检测技术就是直接对数字接收机的采样数据进行自相关处理，提取处理结果的包络，从而进行信号有无与信号类型的判断。３扩频原理

数字信息传输扩频信号的特征是其带宽远大于信息速率Ｒ（ｂ／ｓ），即扩频信号的带宽扩展因子Ｂ，＝Ｗ／Ｒ远大于ｌ。扩频信号巾这种同有的冗余度，可用来克服一些无线和卫星信道中传输数字信息时所遇到的严重干扰。由于编码波形也用大于ｌ的带宽扩展因子来表征，而且编码是引入冗余度的一种有效方法，因此编码是扩频信号设计中的一个重要因素【６１。扩频编码具有良好的通信特性，已经在无线领域内得到了广泛的应用。但是水声信道尤其是浅海信道可利用的频带范围非常有限，只有几千赫兹，限制了扩频谱带宽和通信速率，所以也限制了扩频技

△Ｆ＿ＩｆＩ—ｆ２ｌ—Ｂ。

率；ＡＦ瞬时频率变化范围；Ｂ。线性调频后的带宽。

（１）术在声纳中的应用。随着通信的发展，在水声信道中实现多用户复用，完成水下组网也逐渐受到关注，该技术的研究也逐渐提上了１３程。３．１扩频

直接序列扩频方式是水声扩频系统中主要采用的方式，它直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信

式中，ｆ１一脉冲起始时刻的频率；ｆ２一脉冲终止时刻的频

ＬＦＭ是频率成分线性增长的正弦波，巾（ｔ）：半，

ｌ

波形为

ｆ（ｔ）：ａ（ｔ）ｅｘｐ（ｊ粤粤）ｅｘｐ（ｊ‘１）ｏｒ）ｔＥＥ（ｏ，ｔ）

■

（２）

号的频谱，而在收端用同样的扩频码序列去进行解扩，将展宽的扩频信号还原成原始的信号。在发端采用平衡调制器，调制后的输出为二相相移键控信号。扩频码序列常采用ｍ序列，ｍ序列是最常用的一种伪随机（ＰＮ）序列，

线性调频信号的射频带宽Ｂ，近似等于其瞬时频率变化范围△Ｆ，信息带宽为ｌ，Ｉ＇，故处理增益Ｇｐ－ＴＢ产Ｔ △Ｆ。

万方数据

由ｎ级串接的移位寄存器和反馈逻辑线路可组成动态移位寄存器，如果反馈线路只用模为２的和构成，则称为线性反馈移位寄存器。

水声扩频系统在信号处理上采用反演计算的方法，即在假设的多普勒和时延参数条件下对接收信号进行匹配处理。这样得到时间一多普勒两维匹配处理结果。由于扩频序列具有良好的两维分辨能力，经过这一处理后可以清晰地分辨出信道的多途结构，对这一结果再进行信道均衡处理就可以去除多途信道的影响，实现如前所述的效果。

３．２直接序列扩频信号的截获、检测技术

对于直接序列扩频信号的检测通常是最为关键的且难度很大，因为扩频信号埋没在背景噪声中，即信噪比一般都小于ＯｄＢ。能量检测方法是在一定频带范围作能量积累，如果积累的能量高于一定的门限，则说明有信号存在，如果低于一定的门限，则说明仅有噪声。能量检测的出发点是信号加噪声的能量大于噪声的能量。能量检测方法对信号没有作任何假设，是一种盲检算法。这是能量检测器的优点也是它的缺点，优点是对任何信号适用，缺点是除了给出信号的大致频带外不能给出较为精确信号的参数，为侦察的下一步服务。对于非中心的卡方分布在大时宽带宽条件下可以简化成中心卡方分布的方法，而且在大的时宽带宽下，两种分布都可以近似成高斯分布，从而更方便的给出检测的性能。

能量检测的出发点很简单：信号加噪声的能量大于噪声的能量，即

Ｅ｛（ｓ（ｔ）＋ｎ（ｔ））２｝＝Ｅ｛ｓ（ｔ）２１＋Ｅ｛ｎ（ｔ）２｝＞Ｅ｛ｎ（ｔ）２）

（３）

然而对于扩频增益较大的扩频信号，信号以低功率发射，信号能量完全被噪声淹没，这时，能量检测法就不能提供良好的截获、检测性能，因此针对这种信号，需要寻找其他适合的方法。

本文利用了直扩信号的自相关特性进行检测，可以看到有无信号时，接收信号的自相关统计量有周期性峰值出现，可以利用此特性检测直扩信号，并可估计出直接序发射信号为：

ｙ（ｔ）＝∑∑ｂｉ＊ａｔ＋Ａｃｏｓ（２盯ｑ）

（４）

ｋ

接收信号为：ｒ（ｔ）＝ｖ（ｔ）＋ｗ（ｔ）

（５）

其中，ｂ．是信息序列，ａｋ是扩频码，ｂ；，ａｋ∈｛．１，＋ｌ｝，假万方数据

如果将接收信号分Ｍ段（Ｍ个窗）计算自相关统计量的平均，可以达到去噪声的效果。由于自相关性而出现的周期性峰值会更加明显，由此检测出扩频信号的存在：

ｐ（ｆ）＝岔｛｝《（ｆ）Ｊ２Ｊ＝音磊ｆＩ《（一ｒ）ｆ

（６）

理论分析可以看到，此自相关的检测量利用了直扩信号的周期性，可以使检测器的输出信噪比得到提高，分段越多，提高也越多。当ｆ等于信号的符号时间时，检测量会出现峰值。４结束语

本文参考了前人在雷达通信中扩频信号检测的方法，又结合水下通信的特点，研究了直接序列扩频信号的 …… 此处隐藏：2932字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……