基于二叉樹(shù)方法的fskpsk復(fù)合調(diào)制雷達(dá)信號(hào)識(shí)別

基于二叉樹(shù)方法的fskpsk復(fù)合調(diào)制雷達(dá)信號(hào)識(shí)別

復(fù)合波形可以滿(mǎn)足雷達(dá)信號(hào)低捕獲概率的要求。因此，復(fù)合序列雷達(dá)信號(hào)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種新雷達(dá)及其網(wǎng)絡(luò)。近年來(lái)，一些科學(xué)家提出了幾種復(fù)合波形，采用編碼理論進(jìn)行數(shù)值畸變和信號(hào)調(diào)整。作為脈沖壓縮信號(hào)，fsk-psk信號(hào)具有大時(shí)寬、高信噪比、抗干擾特性和低裁剪特性（lpi），是li波束合成的一種更好的陣列雷達(dá)信號(hào)形式。在電子戰(zhàn)爭(zhēng)中，雷達(dá)信號(hào)的分析和識(shí)別是雷達(dá)探測(cè)信息系統(tǒng)的重要組成部分。因此，fsk-psk組合的雷達(dá)信號(hào)識(shí)別是現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)識(shí)別和處理的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。數(shù)字調(diào)制信號(hào)的識(shí)別方法已有很多.文獻(xiàn)基于信號(hào)的瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率信息提取了9個(gè)特征參數(shù)來(lái)識(shí)別AM、DSB、VSB、LSB、USB、AM-FM、FM、BPSK、QPSK、2ASK、4ASK、2FSK和4FSK信號(hào);文獻(xiàn)利用信號(hào)的歸一化四階累積量對(duì)BPSK、4ASK、16QAM、8PSK等信號(hào)進(jìn)行了識(shí)別;文獻(xiàn)采用小波變換的方法提取小波變換的模值,實(shí)現(xiàn)了MPSK和MFSK信號(hào)的識(shí)別,但對(duì)于FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)的調(diào)制識(shí)別,研究甚少.本文主要針對(duì)FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)的識(shí)別進(jìn)行了研究,首先介紹了FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)的基本原理;其次提出了識(shí)別FSK/PSK、PSK和FSK信號(hào)的特征參數(shù),并給定了識(shí)別門(mén)限;最后,利用MATLAB進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.1fsk/psk復(fù)合調(diào)制信號(hào)模型FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)是對(duì)信號(hào)頻率和相位同時(shí)進(jìn)行數(shù)字調(diào)制,即同時(shí)進(jìn)行跳頻編碼和相位編碼,通常采用兩種模式實(shí)現(xiàn):一種以頻移鍵控為基礎(chǔ)進(jìn)行相位編碼,另一種以相移鍵控為基礎(chǔ)進(jìn)行跳頻編碼.本文使用的FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)是在信號(hào)子脈沖跳頻的基礎(chǔ)上進(jìn)行的相位編碼.設(shè)FSK/PSK信號(hào)包含M個(gè)寬度為T(mén)f的頻率子脈沖,每個(gè)子脈沖又分為N個(gè)寬度為T(mén)p的相位縫隙.因此,相位縫隙的總數(shù)目S=MN.FSK/PSK信號(hào)的復(fù)包絡(luò)為式中,cn取+1或-1,由第n個(gè)相位縫隙的相位決定,并且式中,ωn定義為第n個(gè)相位縫隙的頻率,π/2的相位偏移保證了相位變換總是發(fā)生在過(guò)零點(diǎn)處.本文所研究的FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào),其每個(gè)頻率子脈沖具有一個(gè)相位縫隙,FSK跳頻序列遵循一定規(guī)律隨機(jī)變化,PSK調(diào)相序列為二元偽隨機(jī)序列.{ωn}和{cn}的分布分別由式(3)和(4)決定式中,K表示FSK序列的頻率分量數(shù),pk表示ωn=ωk(k,1,2,···,K)的概率,p1表示cn=1的概率,p-1表示cn=-1的概率.通常把具有K個(gè)跳頻分量、M個(gè)跳頻子脈沖的FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)記為K-M個(gè)FSK/PSK.2psk和fsk信號(hào)難以區(qū)分常用的數(shù)字調(diào)制信號(hào)有幅度調(diào)制、頻率調(diào)制(FSK)和相位調(diào)制(PSK).利用幅度信息可以將FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)與幅度調(diào)制信號(hào)(如ASK和QAM信號(hào))區(qū)分開(kāi)來(lái);FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)與PSK和FSK信號(hào)難以區(qū)分的原因主要是:在低信噪比的情況下,PSK信號(hào)的星座圖是模糊的,因此其相位的變化率也是雜亂的,導(dǎo)致PSK和FSK信號(hào)難以區(qū)分;FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)同時(shí)采用了相位編碼和頻率編碼,因此FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)的識(shí)別更加困難.本文采用二叉樹(shù)的方法對(duì)FSK/PSK、PSK和FSK信號(hào)的調(diào)制識(shí)別進(jìn)行研究,首先提取了特征參數(shù)Pnum,實(shí)現(xiàn)了{(lán)FSK/PSK,FSK}和PSK信號(hào)的識(shí)別,然后將FSK分兩種情況(相位連續(xù)FSK調(diào)制和相位不連續(xù)FSK調(diào)制),分別提取特征參數(shù)Rmax和Pmean對(duì)FSK/PSK和CPFSK信號(hào)、FSK/PSK和DPFSK信號(hào)進(jìn)行識(shí)別.2.1性相對(duì)誤差pk、qpsk信號(hào)模型對(duì)于{FSK/PSK,FSK}和PSK的識(shí)別,本文采用直方圖的原理,即將對(duì)象范圍平均分成50等分來(lái)統(tǒng)計(jì)每一區(qū)間內(nèi)元素的數(shù)目,根據(jù)區(qū)間-元素?cái)?shù)目曲線(xiàn)圖中的尖峰數(shù)目提取特征參數(shù)Pnum,即信號(hào)瞬時(shí)相位非線(xiàn)性分量不同取值的種類(lèi)數(shù)目,其計(jì)算公式為式中,φ(i)表示無(wú)混疊的瞬時(shí)相位;fc為載波頻率;fs為采樣頻率;?NL(i)定義為瞬時(shí)相位的非線(xiàn)性分量(即瞬時(shí)分量減去載波頻率的線(xiàn)性分量后的值),取值范圍為[0,2π);number[?NL(i)]表示?NL(i)分量不同取值的種類(lèi)數(shù)目.載波頻率fc需要估計(jì),其估計(jì)精度非常重要.對(duì)于這種求瞬時(shí)相位的非線(xiàn)性分量問(wèn)題,分析表明線(xiàn)性分量的頻率估計(jì)相對(duì)誤差fprec必須滿(mǎn)足式(6)本文采用高階累積量載頻估計(jì)方法來(lái)滿(mǎn)足此精度要求.根據(jù)計(jì)算,對(duì)于BPSK、QPSK和8PSK信號(hào),理想情況下參數(shù)Pnum的值分別為2、4和8;{FSK/PSK、FSK}信號(hào)對(duì)應(yīng)的參數(shù)應(yīng)大于8.在信噪比0～20dB范圍內(nèi),對(duì)每一個(gè)信噪比下的特征參數(shù)Pnum進(jìn)行了200次MonteCarlo實(shí)驗(yàn),仿真曲線(xiàn)如圖1所示.選取的門(mén)限T1如圖1中的點(diǎn)線(xiàn)所示,需要說(shuō)明的是,該門(mén)限經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性.2.2fsk、psk和fsk信號(hào)的識(shí)別FSK信號(hào)有相位連續(xù)FSK調(diào)制(CPFSK)和相位不連續(xù)FSK調(diào)制(DPFSK)兩種形式,本文根據(jù)這兩種情況分別進(jìn)行討論.2.2.1數(shù)據(jù)歸一化幅度的識(shí)別對(duì)于CPFSK信號(hào),其包絡(luò)(瞬時(shí)幅度)為常數(shù),故其零中心歸一化瞬時(shí)幅度為0,而FSK/PSK復(fù)合信號(hào)因含有相位編碼,在相位變化時(shí)刻將會(huì)產(chǎn)生幅度突變,所以含有幅度變化信息.因此,本文提取了特征參數(shù)零中心歸一化瞬時(shí)幅度之譜密度的最大值Rmax來(lái)對(duì)FSK/PSK和CPFSK信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,計(jì)算公式為式中,a(i)表示瞬時(shí)幅度,ma表示瞬時(shí)幅度a(i)的平均值,an(i)表示歸一化瞬時(shí)幅度,acn(i)表示零中心歸一化瞬時(shí)幅度,N表示采樣點(diǎn)數(shù).特征參數(shù)Rmax的200次MonteCarlo實(shí)驗(yàn)的仿真曲線(xiàn)如圖2所示.選擇的門(mén)限T2如圖2中的點(diǎn)線(xiàn)所示,該門(mén)限也經(jīng)過(guò)了反復(fù)驗(yàn)證.2.2.2相位序列提取相對(duì)DPFSK信號(hào)來(lái)說(shuō),FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)多了相位編碼,因此,本文提取了一種新的特征參數(shù):絕對(duì)相位的均值Pmean,即無(wú)混疊瞬時(shí)相位減去瞬時(shí)頻率的線(xiàn)性分量后的非線(xiàn)性分量.對(duì)于本文中FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō),因?yàn)槠湎辔恍蛄胁捎玫雀怕识嗑幋a,理論上絕對(duì)相位的均值Pmean為;而DPFSK無(wú)絕對(duì)相位,其Pmean為0.絕對(duì)相位提取的前提是估計(jì)信號(hào)的瞬時(shí)頻率,估計(jì)瞬時(shí)頻率最直接的方法是將信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換,再根據(jù)虛部與實(shí)部的比值的反正切求導(dǎo)得到.但文獻(xiàn)指出,基于小波脊線(xiàn)提取信號(hào)的瞬時(shí)頻率具有較好的抗噪聲能力和較高的計(jì)算精度,本文采用文獻(xiàn)中的方法提取信號(hào)的瞬時(shí)頻率,仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法能滿(mǎn)足瞬時(shí)頻率的精度要求.特征參數(shù)Pmean的計(jì)算公式為式中,φ(i)和fs定義同式(5);fi表示瞬時(shí)頻率,具體計(jì)算參見(jiàn)文獻(xiàn);?ab(i)表示對(duì)相位;N表示采樣點(diǎn)數(shù)目.特征參數(shù)Pmean的200次MonteCarlo實(shí)驗(yàn)的仿真曲線(xiàn)如圖3所示.門(mén)限T3如圖3中的點(diǎn)線(xiàn)所示,該門(mén)限通過(guò)了實(shí)驗(yàn)的反復(fù)測(cè)試.3挑戰(zhàn)噪聲、噪聲本文仿真的參數(shù)設(shè)置為:采樣頻率fs=100MHz,載波頻率fc=10MHz,碼元速率rc=2MHz,頻偏df=1MHz,碼元數(shù)目Nc=120;采用8-256FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào),即具有8個(gè)跳頻分量數(shù),256個(gè)頻率子脈沖,跳頻序列滿(mǎn)足一定的概率分布,相位序列采用等概率二相編碼.噪聲為高斯白噪聲,信噪比為0～20dB.100次MonteCarlo實(shí)驗(yàn),FSK/PSK、PSK和兩種FSK信號(hào)的正確識(shí)別率曲線(xiàn)分別如圖4和5所示.圖4(a)和圖5(a)中PSK、FSK信號(hào)分別取8PSK、8FSK信號(hào);圖4(b)和圖5(b)中PSK、FSK信號(hào)分別為隨機(jī)產(chǎn)生的不同M進(jìn)制的MPSK、MFSK信號(hào).從圖4中的(a)和(b)中可以看到,在信噪比為10dB時(shí),FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)和PSK信號(hào)的正確識(shí)別率達(dá)到了100%,CPFSK信號(hào)的識(shí)別率達(dá)到了99%.但在低信噪比時(shí),8PSK信號(hào)識(shí)別性能較差.從圖5中的(a)和(b)中可以看出,在信噪比為7dB時(shí),FSK/PSK復(fù)合調(diào)制信號(hào)的正確識(shí)別率達(dá)到了100%,PSK信號(hào)的識(shí)別率達(dá)到了99%,DPFSK信號(hào)的識(shí)別率達(dá)到了98%.圖4和5的結(jié)果與圖1～3中門(mén)限的確定是一致的.另外,由圖4(b)和圖5(b)可以看到,本文提出的算法對(duì)不同進(jìn)制的MPSK和MFSK信號(hào)的識(shí)別效果是一樣的.4fsk/psk復(fù)合調(diào)制雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別性能本文主要研究了FSK/PSK、PSK、FSK信號(hào)之間的識(shí)別,利用信號(hào)的相位信息提取瞬時(shí)相位非線(xiàn)性分量不同取值的種類(lèi)數(shù)目Pnum和絕對(duì)相位的均值Pmean,根據(jù)信號(hào)的幅度信