JTIDS信號的高效信道化接收及檢測方法

趙躍，陳順陽，楊小牛

1.杭州電子科技大學通信工程學院，杭州 310018

2.中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江嘉興 314033

JTIDS信號的高效信道化接收及檢測方法

趙躍1，陳順陽2，楊小牛2

1.杭州電子科技大學通信工程學院，杭州 310018

2.中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江嘉興 314033

根據(jù)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)（Joint Tactical Information Distribution System，JTIDS）信號的特點，提出一種基于多相濾波的JTIDS信號接收方法。該接收模型具有全概率接收JTIDS信號的特點，而且所需計算復雜度低。在信號接收后，通過能量檢測對輸出信號進行脈沖寬度檢測，判斷信號是否為JTIDS信號。仿真結(jié)果表明該方法在信噪比為正時具有較好的性能。

聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)（JTIDS）；多相濾波器；能量檢測；信道化接收機

1 引言

聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)（Joint Tactical Information Distribution System，JTIDS）[1-2]是美國陸、海、空三軍共同使用的一種大容量、保密、抗干擾、時分多址的信息分發(fā)系統(tǒng)，具有綜合的通信、導航和識別能力，可以把陸、海、空三軍參戰(zhàn)單位的終端設備分級地聯(lián)成一個統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡，以加快情報傳遞、統(tǒng)一指揮和協(xié)同作戰(zhàn)。JTIDS的目的是取代美軍一直使用的低速戰(zhàn)術(shù)無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，適應以信息戰(zhàn)、電子戰(zhàn)為特征的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需要。目前，JTIDS正成為海軍和海軍陸戰(zhàn)隊自動化控制系統(tǒng)、海軍戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（Naval Tactical Data System，NTDS）、機載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（Airborne Tactical Data System，ATDS）、艦船戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（Marine Tactical Data System，MTDS）的主要數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。JTIDS在海灣戰(zhàn)爭以來的多次戰(zhàn)爭中保證了信息的暢通和共享，對聯(lián)合作戰(zhàn)的勝利發(fā)揮了巨大的作用。因此，研究其偵察接收技術(shù)[3-6]和干擾技術(shù)[7-8]具有重要的意義。

在JTIDS接收方面，已有方法基本上采用寬帶中頻接收結(jié)構(gòu)對JTIDS信號進行接收[9]。本文提出一種基于多相濾波的JTIDS信號接收方法，其具有全概率截獲寬帶、高跳數(shù)的JTIDS信號的特點。在多相濾波結(jié)構(gòu)上，本文對常規(guī)信道化接收機模型[10-12]中的信道劃分方法作了修改，使信道劃分更加合理。在JTIDS檢測方面，文獻[13]提出了延時相關(guān)檢測法，文獻[14]總結(jié)了JTIDS信號的三種檢測方法，分別是時域濾波互譜密度檢測法、平方倍頻檢測法和延時相乘法，并對延時相乘法作了改進。文獻[15]提出基于譜圖的時頻分析算法對單個JTIDS信號進行有效檢測。這些方法計算復雜度較高，消耗了大量資源，不利于工程實現(xiàn)。本文則提出了一種多相濾波后基于能量檢測以及脈沖寬度的JTIDS信號檢測方法，該方法計算簡單，易于工程實現(xiàn)。

本文首先介紹了JTIDS信號的結(jié)構(gòu)和特點，接著詳細闡述了多相濾波信道化接收機理論，并提出了一種全概率截獲JTIDS信號的接收模型，最后運用能量檢測估計信號脈寬，以此判定接收到的信號是否為JTIDS信號。通過仿真分析驗證了本文所提的JTIDS信號檢測方法的有效性。

2 JTIDS信號結(jié)構(gòu)與特點

JTIDS基本型采用時分多址技術(shù)，它把時間軸劃分成一個個12.8 min的時元，每個時元又劃分成64個長度為12 s的時幀，每個時幀再劃分成1 536個長度為7.812 5 ms的時隙，所以每個時元有98 304個時隙，可以容納大量的用戶。

JTIDS信號的基本單位為時隙，每個時隙分成信息段和保護段兩部分，信息段長度為3.354 ms，保護段長度為4.458 5 ms。每個脈沖的寬度為6.4 μs，單脈沖形式時，脈沖重復周期為26 μs，信息段包含129個脈沖；雙脈沖形式時，脈沖重復周期為13 μs，信息段包含258個脈沖。各脈沖之間進行跳頻，載頻在頻段960～1 215 MHz之間偽隨機選擇，跳頻點以3 MHz間隔均勻分布，共51個頻點，相鄰脈沖的載頻最小間隔為30 MHz。

為了避免和其他系統(tǒng)發(fā)生干擾，實際頻段為969～ 1 008 MHz、1 053～1 065 MHz和1 113～1 206 MHz 3個子頻段。來自信息源的二進制信息經(jīng)分組和糾錯編碼（可以不編碼，稱為非編碼自由電文），形成109組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)在6.4 μs長的脈沖中進行（32，5）編碼（軟擴頻），形成占空比為6.4/26（單脈沖形式）的擴頻編碼信息，因此擴頻碼片的寬度為0.2 μs，碼速為5 Mb/s。數(shù)據(jù)段使用的偽碼是由31位m序列擴展1位基碼后構(gòu)成的M序列，偽隨機序列段之間為周期移位關(guān)系，移位位置由信息源決定。擴頻后的信號對載波進行MSK調(diào)制，信號3 dB帶寬約為3.5 MHz。

3 JTIDS高效信道化接收模型

由于JTIDS工作頻段寬、脈沖周期短，對JTIDS信號進行全概率截獲是一個難點問題。本文采用多相濾波信道化對JTIDS信號進行全概率接收。

3.1 多相濾波信道化接收機體系結(jié)構(gòu)

3.1.1 數(shù)字濾波器組與信道化基本概念

一個復信號s(n)的信道化劃分如圖1所示，圖中為劃分D個信道的情況，這時的信道間隔為2π/D。如果設一個原型理想低通濾波器hLP(n)的頻率響應為：

則圖1中的D個信道化濾波器hk(n)的表達式為：

圖1 復信號的信道劃分

對復信號濾波器組的低通型實現(xiàn)，如圖2所示。圖中hLP(n)仍為式（1）所示的原型低通濾波器，本振角頻率ωk(k=0，1，…，D-1)為：

圖2 復信號濾波器組的低通實現(xiàn)

圖2所示濾波器組的作用是把圖1中第k個子頻帶（信道）移至基帶（零中頻），然后通過后接的低通濾波器hLP(n)濾出對應的子頻帶，由于濾波后的信號帶寬為2π/D，故可對其進行D倍抽取，以獲得低采樣率的信號。

圖2所示的這種濾波器組把整個采樣頻帶（0～fs/2）劃分成若干個并行的信道輸出，使得信號無論何時何地（信道）出現(xiàn)，均能加以截獲，并進行解調(diào)分析。所以，這種濾波器組信道化接收機具備了全概率截獲的能力，是接收跳頻、“突發(fā)”以及自適應通信信號的理想接收機。但這種濾波器組信道化接收機實現(xiàn)起來是比較困難的，尤其是當信道數(shù)多，D值很大時，圖中的低通濾波器所需的階數(shù)可能會變得非常大，而且每一信道就要配一個這樣的濾波器，實現(xiàn)效率非常低，工程上難以實現(xiàn)。下面推導的基于多相濾波技術(shù)實現(xiàn)的復信號信道化接收機則是一種非常高效的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，需要的計算量大為降低，所需的硬件處理資源也將大大減少，為實時處理創(chuàng)造了條件。

3.1.2 復信號的多相濾波信道化接收機

復信號的信道化原始結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖可得第k路信道的輸出為（為書寫方便起見用h(n)代替hLP(n)）：

根據(jù)上述推導過程，得到基于多相濾波器結(jié)構(gòu)的復信號信道化接收機結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。由圖可知，此時不僅D倍抽取器已位于濾波器之前，而且現(xiàn)在每個信道的抽取濾波器不是原先的原型低通濾波器h(n)，而是該濾波器的多相分量hp(m)，其運算量降至原來的1/D，極大地提高了這種信道化接收機的實時處理能力。而且當D為2的整數(shù)次方時，圖中DFT可以采用其高效算法FFT來實現(xiàn)，運算速度可以大大加快。

3.2 JTIDS高效信道化接收模型

圖3 復信號信道化接收機結(jié)構(gòu)模型

在接收機模擬前端的設計上，為覆蓋JTIDS工作頻段，模擬信道采用4個寬帶調(diào)諧器。每個信道的中心頻率、所對應的頻段見表1。每個信道處理的JTIDS頻點數(shù)分別為14、5、17和15。

A/D采樣模塊同時對4路寬帶調(diào)諧器進行采樣，采樣頻率取192 MHz。然后對數(shù)字中頻進行寬帶正交處理，正交后的I、Q數(shù)據(jù)流進入數(shù)字信道化處理。數(shù)字信道化采用前面討論的基于多相濾波的高效算法實現(xiàn)。

假設中頻采樣頻率為fs、信道化數(shù)為D，根據(jù)帶通采樣定理可知，每個信道的中心頻率為：

取fs=192 MHz，信道化數(shù)D=8，則得到8個信道化輸出信號，每路中心頻率間隔相差12 MHz。由于JTIDS的信道帶寬一般為6.25 MHz，而頻點間隔只有3 MHz。為了得到間隔為3 MHz的信道，本文提出對每個模擬信道采用如圖4所示的處理。寬帶正交輸出后進行復數(shù)移頻，分別向上3 MHz移頻、向下3 MHz移頻和向下6 MHz移頻，得到4路移頻后的數(shù)字中頻（其中一路不移），再對其按圖3方式進行信道化處理。這樣，4路數(shù)字信道化后總共得到32個信道，只需保留其中對應于JTIDS跳頻點的信道即可。例如，對于模擬信道3（Ch3），有17個頻點。數(shù)字信道化輸出頻率與中心頻率的對應關(guān)系見圖5。箭頭所指的是未經(jīng)移頻信道化后輸出要保留信道，它們與模擬中心頻率分別相差-18 MHz、-6 MHz、6 MHz、18 MHz。針對其余3個模擬信道的處理方法與此類似。由此，最終得到51路保留信道，對應于JTIDS信號的51個跳頻點。

表1 模擬信道劃分及設置

圖4 JTIDS數(shù)字信道化方式

圖5 信道化輸出與模擬中頻的頻率間隔

本文提出的上述JTIDS接收方法，具有本質(zhì)上的并行性，能夠?qū)崟r全概率截獲寬帶、高跳數(shù)的JTIDS信號，并且運算速度快，易于工程實現(xiàn)，為后續(xù)信號處理工作創(chuàng)造了條件。

4 JTIDS信號檢測方法

以上給出了基于多相濾波的JTIDS全概率接收模型。對多相濾波輸出的其中51個信道（對應JTIDS信號可能出現(xiàn)的51個頻點）進行監(jiān)控和分析，就能判斷是否出現(xiàn)了JTIDS信號。本文采用能量檢測判斷某個信道是否出現(xiàn)信號，并且估計信號脈寬，通過與JTIDS信號脈寬為6.4 μs這一先驗知識進行比較，以此判斷接收到的信號是否為JTIDS信號。具體過程如下：設xi(n)為保留的第i個信道的輸出（對應于JTIDS的第i個頻點），計算N個連續(xù)的樣點的能量：

然后與判決門限λ進行比較。當E(n)≥λ，認為接收到了除噪聲信號以外的其他信號，此時令ξ(n)=1；當E(n)＜λ，表明接收到的是噪聲，此時令ξ(n)=0。判決門限λ通常按虛警概率要求來設定。當虛警概率要求為Pf時，門限設為[16]：

根據(jù)所得到的ξ(n)，可以估計信號持續(xù)存在的時間寬度，即脈寬。為估計脈寬，只需找到脈沖上升沿時刻和脈沖下降沿時刻即可。每得到一個新的ξ(n)，將它與前一時刻ξ(n-1)進行比較，若ξ(n)=1且ξ(n-1)=0，則記錄此時的n值，記為ns。若ξ(n)=0且ξ(n-1)=1，同樣記錄此時的n值，記為ne。相繼出現(xiàn)的一對(ns，ne)即對應于脈沖開始時刻和脈沖結(jié)束時刻，其差值為脈寬對應的樣點數(shù)，轉(zhuǎn)換為時間即可得脈寬T。如果T滿足：

則認為接收到了JTIDS信號，其中Δt為事先設定的所允許的脈寬估計誤差范圍。

采用上述檢測步驟，對51路信道化輸出信號進行脈寬檢測，當其中任何一路脈寬檢測值滿足式（9），就認為檢測到了JTIDS信號。由此可知，JTIDS信號的檢測性能取決于脈寬估計的準確度。因此，后續(xù)性能分析將針對脈寬檢測的準確度進行分析。

5 仿真結(jié)果及分析

本章對本文方法的性能進行仿真分析。假定噪聲為高斯白噪聲。仿真參數(shù)為：采樣頻率為192 MHz，跳周期為13 μs，其中脈寬為6.4 μs。為保證低虛警概率，仿真中虛警概率設為10-4。

首先分析計算能量使用的樣點數(shù)N對脈寬估計結(jié)果的影響。信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）取三種情況：-5 dB、0 dB和5 dB。每種SNR下分別進行3 000次獨立實驗，計算所得脈寬的均值和標準差分別如圖6和圖7所示。由圖可知，當N太小時，比較容易受噪聲的影響，所估計的脈寬與實際脈寬相差較大，而當N增大到一定程度，標準差變小，估計結(jié)果較為穩(wěn)定，估計所得脈寬均值與實際真實值(6.4 μs)也比較接近。但是，N越大，所需樣點越多，意味著延時越長，不利于實時應用。因此，N也不宜過大。從仿真結(jié)果可以看出，N=20時能夠得到比較滿意的性能。

圖6 脈寬均值

圖7 脈寬標準差

接下來分析不同信噪比下估計所得的脈寬。N取20，對每個SNR采用3 000次獨立實驗，估計所得脈寬平均值、最大值（3 000次實驗中出現(xiàn)的最大脈寬估計值）和最小值（3 000次實驗中出現(xiàn)的最小脈寬估計值）如圖8所示。由圖可知，當SNR較低時（如SNR=-4），某些檢測到的脈寬寬度很窄，是噪聲引起的虛假信號。而當SNR為正時，每次估計所得的脈寬與理想值之間也會有偏移，這也是為什么采用式（9）所示的容限Δt的原因所在。由仿真結(jié)果可知，取Δt=0.5 μs，能夠保證在SNR≥0時，正確檢測到JTIDS信號。

圖8 不同SNR下估計所得脈寬

6 結(jié)束語

本文針對JTIDS信號的特點，依據(jù)多相濾波信道化接收機理論，提出一種JTIDS信號高效信道化接收方法。該接收模型具有全概率截獲JTIDS信號的能力，它是一種高效的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，需要的計算量低，能節(jié)省大量硬件資源，為信號的實時處理創(chuàng)造了條件。該接收模型最終輸出的51個有效信道化信號對應JTIDS的51個頻點。本文采用能量檢測判斷這51個輸出信道上是否存在信號，并以脈寬估計值作為檢測JTIDS信號的依據(jù)。仿真表明在SNR為正的情況下，本文方法具有比較好的性能。

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ZHAO Yue1,CHEN Shunyang2,YANG Xiaoniu2

1.College of Communication Engineering,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China
2.No.36 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Jiaxing,Zhejiang 314033,China

According to the characteristics of Joint Tactical Information Distribution System（JTIDS）,a channelized receiver model based on ployphase filter is proposed,which intercepts JTIDS signals with high probability and requires low computation complexity.After reception,energy detection is used to estimate the pulse width which is utilized to decide whether a JTIDS signal is detected.Simulations show that the proposed method is quite effective when the Signal-to-Noise Ratio is positive. Key words：Joint Tactical Information Distribution System（JTIDS）;ployphase filter;energy detection；channelized receiver

A

TN911.72

10.3778/j.issn.1002-8331.1204-0571

ZHAO Yue,CHEN Shunyang,YANG Xiaoniu.Efficient channelized receiving and detection for JTIDS signals. Computer Engineering and Applications,2014,50（6）：83-87.

趙躍（1988—），男，碩士研究生，研究方向為通信信號處理；陳順陽（1962—），男，研究員，研究方向為大動態(tài)信號接收與處理；楊小牛（1961—），男，研究員，研究方向為軟件無線電、通信對抗、認知無線電。E-mail：zy6715@163.com

2012-05-02

2012-07-19

1002-8331（2014）06-0083-05

CNKI網(wǎng)絡優(yōu)先出版：2012-08-08，http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20120808.0938.005.html