基于二叉树方法的fskpsk复合调制雷达信号识别

基于二叉树方法的fskpsk复合调制雷达信号识别

复合波形可以满足雷达信号低捕获概率的要求。因此，复合序列雷达信号技术广泛应用于各种新雷达及其网络。近年来，一些科学家提出了几种复合波形，采用编码理论进行数值畸变和信号调整。作为脉冲压缩信号，fsk-psk信号具有大时宽、高信噪比、抗干扰特性和低裁剪特性（lpi），是li波束合成的一种更好的阵列雷达信号形式。在电子战争中，雷达信号的分析和识别是雷达探测信息系统的重要组成部分。因此，fsk-psk组合的雷达信号识别是现代雷达信号识别和处理的热点和难点。数字调制信号的识别方法已有很多.文献基于信号的瞬时幅度、瞬时相位和瞬时频率信息提取了9个特征参数来识别AM、DSB、VSB、LSB、USB、AM-FM、FM、BPSK、QPSK、2ASK、4ASK、2FSK和4FSK信号;文献利用信号的归一化四阶累积量对BPSK、4ASK、16QAM、8PSK等信号进行了识别;文献采用小波变换的方法提取小波变换的模值,实现了MPSK和MFSK信号的识别,但对于FSK/PSK复合调制信号的调制识别,研究甚少.本文主要针对FSK/PSK复合调制信号的识别进行了研究,首先介绍了FSK/PSK复合调制信号的基本原理;其次提出了识别FSK/PSK、PSK和FSK信号的特征参数,并给定了识别门限;最后,利用MATLAB进行了仿真验证.1fsk/psk复合调制信号模型FSK/PSK复合调制信号是对信号频率和相位同时进行数字调制,即同时进行跳频编码和相位编码,通常采用两种模式实现:一种以频移键控为基础进行相位编码,另一种以相移键控为基础进行跳频编码.本文使用的FSK/PSK复合调制信号是在信号子脉冲跳频的基础上进行的相位编码.设FSK/PSK信号包含M个宽度为Tf的频率子脉冲,每个子脉冲又分为N个宽度为Tp的相位缝隙.因此,相位缝隙的总数目S=MN.FSK/PSK信号的复包络为式中,cn取+1或-1,由第n个相位缝隙的相位决定,并且式中,ωn定义为第n个相位缝隙的频率,π/2的相位偏移保证了相位变换总是发生在过零点处.本文所研究的FSK/PSK复合调制信号,其每个频率子脉冲具有一个相位缝隙,FSK跳频序列遵循一定规律随机变化,PSK调相序列为二元伪随机序列.{ωn}和{cn}的分布分别由式(3)和(4)决定式中,K表示FSK序列的频率分量数,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个跳频分量、M个跳频子脉冲的FSK/PSK复合调制信号记为K-M个FSK/PSK.2psk和fsk信号难以区分常用的数字调制信号有幅度调制、频率调制(FSK)和相位调制(PSK).利用幅度信息可以将FSK/PSK复合调制信号与幅度调制信号(如ASK和QAM信号)区分开来;FSK/PSK复合调制信号与PSK和FSK信号难以区分的原因主要是:在低信噪比的情况下,PSK信号的星座图是模糊的,因此其相位的变化率也是杂乱的,导致PSK和FSK信号难以区分;FSK/PSK复合调制信号同时采用了相位编码和频率编码,因此FSK/PSK复合调制信号的识别更加困难.本文采用二叉树的方法对FSK/PSK、PSK和FSK信号的调制识别进行研究,首先提取了特征参数Pnum,实现了{FSK/PSK,FSK}和PSK信号的识别,然后将FSK分两种情况(相位连续FSK调制和相位不连续FSK调制),分别提取特征参数Rmax和Pmean对FSK/PSK和CPFSK信号、FSK/PSK和DPFSK信号进行识别.2.1性相对误差pk、qpsk信号模型对于{FSK/PSK,FSK}和PSK的识别,本文采用直方图的原理,即将对象范围平均分成50等分来统计每一区间内元素的数目,根据区间-元素数目曲线图中的尖峰数目提取特征参数Pnum,即信号瞬时相位非线性分量不同取值的种类数目,其计算公式为式中,φ(i)表示无混叠的瞬时相位;fc为载波频率;fs为采样频率;ϕNL(i)定义为瞬时相位的非线性分量(即瞬时分量减去载波频率的线性分量后的值),取值范围为[0,2π);number[ϕNL(i)]表示ϕNL(i)分量不同取值的种类数目.载波频率fc需要估计,其估计精度非常重要.对于这种求瞬时相位的非线性分量问题,分析表明线性分量的频率估计相对误差fprec必须满足式(6)本文采用高阶累积量载频估计方法来满足此精度要求.根据计算,对于BPSK、QPSK和8PSK信号,理想情况下参数Pnum的值分别为2、4和8;{FSK/PSK、FSK}信号对应的参数应大于8.在信噪比0∼20dB范围内,对每一个信噪比下的特征参数Pnum进行了200次MonteCarlo实验,仿真曲线如图1所示.选取的门限T1如图1中的点线所示,需要说明的是,该门限经反复试验验证了其准确性.2.2fsk、psk和fsk信号的识别FSK信号有相位连续FSK调制(CPFSK)和相位不连续FSK调制(DPFSK)两种形式,本文根据这两种情况分别进行讨论.2.2.1数据归一化幅度的识别对于CPFSK信号,其包络(瞬时幅度)为常数,故其零中心归一化瞬时幅度为0,而FSK/PSK复合信号因含有相位编码,在相位变化时刻将会产生幅度突变,所以含有幅度变化信息.因此,本文提取了特征参数零中心归一化瞬时幅度之谱密度的最大值Rmax来对FSK/PSK和CPFSK信号进行识别,计算公式为式中,a(i)表示瞬时幅度,ma表示瞬时幅度a(i)的平均值,an(i)表示归一化瞬时幅度,acn(i)表示零中心归一化瞬时幅度,N表示采样点数.特征参数Rmax的200次MonteCarlo实验的仿真曲线如图2所示.选择的门限T2如图2中的点线所示,该门限也经过了反复验证.2.2.2相位序列提取相对DPFSK信号来说,FSK/PSK复合调制信号多了相位编码,因此,本文提取了一种新的特征参数:绝对相位的均值Pmean,即无混叠瞬时相位减去瞬时频率的线性分量后的非线性分量.对于本文中FSK/PSK复合调制信号来说,因为其相位序列采用等概率二相编码,理论上绝对相位的均值Pmean为;而DPFSK无绝对相位,其Pmean为0.绝对相位提取的前提是估计信号的瞬时频率,估计瞬时频率最直接的方法是将信号进行Hilbert变换,再根据虚部与实部的比值的反正切求导得到.但文献指出,基于小波脊线提取信号的瞬时频率具有较好的抗噪声能力和较高的计算精度,本文采用文献中的方法提取信号的瞬时频率,仿真结果验证了该方法能满足瞬时频率的精度要求.特征参数Pmean的计算公式为式中,φ(i)和fs定义同式(5);fi表示瞬时频率,具体计算参见文献;ϕab(i)表示对相位;N表示采样点数目.特征参数Pmean的200次MonteCarlo实验的仿真曲线如图3所示.门限T3如图3中的点线所示,该门限通过了实验的反复测试.3挑战噪声、噪声本文仿真的参数设置为:采样频率fs=100MHz,载波频率fc=10MHz,码元速率rc=2MHz,频偏df=1MHz,码元数目Nc=120;采用8-256FSK/PSK复合调制信号,即具有8个跳频分量数,256个频率子脉冲,跳频序列满足一定的概率分布,相位序列采用等概率二相编码.噪声为高斯白噪声,信噪比为0∼20dB.100次MonteCarlo实验,FSK/PSK、PSK和两种FSK信号的正确识别率曲线分别如图4和5所示.图4(a)和图5(a)中PSK、FSK信号分别取8PSK、8FSK信号;图4(b)和图5(b)中PSK、FSK信号分别为随机产生的不同M进制的MPSK、MFSK信号.从图4中的(a)和(b)中可以看到,在信噪比为10dB时,FSK/PSK复合调制信号和PSK信号的正确识别率达到了100%,CPFSK信号的识别率达到了99%.但在低信噪比时,8PSK信号识别性能较差.从图5中的(a)和(b)中可以看出,在信噪比为7dB时,FSK/PSK复合调制信号的正确识别率达到了100%,PSK信号的识别率达到了99%,DPFSK信号的识别率达到了98%.图4和5的结果与图1∼3中门限的确定是一致的.另外,由图4(b)和图5(b)可以看到,本文提出的算法对不同进制的MPSK和MFSK信号的识别效果是一样的.4fsk/psk复合调制雷达信号的识别性能本文主要研究了FSK/PSK、PSK、FSK信号之间的识别,利用信号的相位信息提取瞬时相位非线性分量不同取值的种类数目Pnum和绝对相位的均值Pmean,根据信号的幅度信