一种采用多分辨率设计的短波信号分析方法

吴玲玲，谢华军，张润生

(1.装备工程技术研究实验室,河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081；3.中国人民解放军75775部队，广东 广州 510010)

一种采用多分辨率设计的短波信号分析方法

吴玲玲1，2，谢华军3，张润生1，2

(1.装备工程技术研究实验室,河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081；3.中国人民解放军75775部队，广东 广州 510010)

由于短波频段信号种类众多、特征各不相同、参数各有变化，时变非恒参信道对信号侦察产生较大影响，因此短波信号分析面临有一定难度的问题。基于这一实际问题，提出了多分辨率分析方法，即对不同信号采用适合信号特点的分辨率下进行信号分析,对采集外界的短波2FSK、8FSK、多音并行PSK及话音等信号在多种分辨率下的信号特征呈现进行了比较，得到了每个信号的最佳分辨率，仿真结果表明，每种信号适用于信号分析的最佳分辨率各不相同，而且与信号特征参数密切相关。

多分辨率；短波信号；并行多音

0 引言

短波通信因其具有设备简单、建设维护费用低、抗毁性强和部署快速灵活等特点，在民用和军事通信领域得到了广泛应用。用以传送电报、话音及低速数据等，是实现远程通信有效手段。随着通信技术的高速发展，信号密度越来越高，短波频带数据中可能包含着许多具有不同特点的信号，如短波常规信号、跳频信号、突发信号、数字调制信号、扫频信号、数据链、ALE，以及各种各样的人为和非人为的干扰信号等。如此高度密集的信号纵横交错在一起，使得对短波通信信号的侦察难度越来越大。

先对短波信号进行采样，在对采样数据的侦察分析时采用时频图上的视觉特征可以将信号进行分类[1]，但采用单一的时间频率分辨率对带宽内信号进行分析的方法并不能满足要求，如何将基于多分辨率思想[2]设计方法成功地应用在短波信号侦察是一个研究难点。

1 短波信道特点

短波的传播方式主要分为地波和天波传播。地波又由地表面波、直接波和地面反射波3种分量构成。地表面波沿地球表面传播，直接波为视距传播，地面反射波经地面反射传播[3]。天波传播是指电波经电离层反射到地面接收点的传播方式，短波天波的传播距离可达到几百到上千公里，因此利用天波反射传播可以实现远距离的通信。短波传播示意图如图1所示。短波远距离通信的主要途径是天波传播，天波传播以电离层为传输媒介，经过电离层一次或多次发射可实现近距离或远距离通信。

图1 短波传播示意图

短波信道对数据传输的影响主要是由多径效应和多普勒效应造成的[4]。多径效应引起信道时间色散，会造成信道频率选择性衰落。而多普勒效应引起信道频率色散，会造成信道时间选择性衰落，即信道的时变性。多普勒扩展是由多径传输和多普勒频移现象共同引起的频率弥散，在时域表现为时间选择性衰落。一般条件下，短波通信的多普勒扩展大约为1～10 Hz左右，在剧烈衰落时最大可达到40 Hz。

短波通信所使用频率范围相对较窄，信号的密度分布、能量分布均呈随机状态，信号之间干扰严重，另外受信道衰落、天电噪声及人为噪声等干扰因素的影响，信号强弱动态变化较大，信道底部噪声电平起伏明显，随频率变化较大。

2 短波信号的多分辨率分析

在短波频段中既有民用的广播电台、车载多媒体及船载通信等，又有军用的机载、舰载及陆基雷达等各种战术电台通信信号。短波信道中不仅存在大量的数字信号[5-7]、模拟信号及莫尔斯码[9]等常规信号，还存在多音并行[9-10]、复合调制、扩频、跳频及扫频等类型的信号。不同类型的信号在时域[11]、频域[12]以及时频域的表现并不相同，通常作为信号侦察的重要依据。

设单音信号s(t)=Aejw0t，其中A为信号最大幅度，对信号以间隔Ts采样得到离散时间信号s(n)=Aejw0n，n=1,2,…,M，其中M为采样点数，则该信号功率Ps为：

做N点DFT，假设整周期采样，得到频域单音信号的幅度为：

根据离散傅里叶变换的能量守恒定理：

且噪声功率为：

得出噪声DFT之后能量为：

由于白噪声在频域内N个频域点上均匀分布，所以在一个频点上的噪声功率(实际是能量)密度为：

那么频域的视觉信噪比为：

得到信噪比增益为：

因此，对于单音信号，随着FFT点数N的增大，频率分辨特征增强，单音信号的谱线幅度相对于噪声谱线得到增强。

对于一定带宽的常规数字调制信号，以BPSK信号为例：

当P=1/2时，其功率谱密度为：

对信号带宽内信号能量与带宽内噪声能量之比得到的视觉信噪比：

得到信噪比增益为：

因此，对于一定带宽的数字调制信号，随着FFT点数N的增大，频率分辨特征增强，单音信号的谱线幅度相对于噪声谱线没有得到增强。图2给出了对实际采集的外界信号在16K点FFT和64K点FFT2种频率分辨率下的功率谱密度，信号中包括单音和带宽有限信号，从图中可以看出，单音信号在64KFFT比在16KFFT下信噪比增益6dB,而带宽有限信号的信噪比增益0dB。

(a) 16K点FFT下单音和带限信号的功率谱

(b) 64K点FFT下单音和带限信号的功率谱图2 不同频率分辨率(FFT点数)下单音和带宽有限信号的功率谱

3 仿真结果

对采集外界的短波频偏350Hz，速率56Bd的2FSK信号，图3为3种时频分辨率下的信号时频图，由图中可以看出频率分辨率18.8Hz时间分辨率10.7ms下分析信号，利于将该2FSK信号的2个频率和码元跳变特征清晰呈现。

(a) 频率分辨率37.5 Hz，时间分辨率5.3 ms

(b) 频率分辨率18.8 Hz，时间分辨率10.7 ms

(c) 频率分辨率9.4 Hz，时间分辨率21.3 ms图3 不同时间频率分辨率下2FSK信号时频图

对采集外界的短波频偏250Hz，速率125Bd的8FSK信号，图4为3种时频分辨率下的信号时频图，由图中可以看出频率分辨率37.5Hz、时间分辨率5.4ms下分析信号，利于将该信号8FSK的8个频率和码元跳变特征清晰呈现。

(a) 频率分辨率75 Hz，时间分辨率2.7 ms

(b) 频率分辨率37.5 Hz，时间分辨率5.3 ms

(c) 频率分辨率18.8 Hz，时间分辨率10.7 ms图4 不同时间频率分辨率下8FSK信号时频图

对采集外界的短波同步音频偏675Hz，速率44.44Bd的多音信号，图5为3种时频分辨率下的信号时频图，由图中可以看出频率分辨率18.8Hz、时间分辨率10.7ms下分析信号，利于将该信号开始同步音的4个频率、3个频率码元跳变和多普勒音等特征清晰呈现。

(a) 频率分辨率75 Hz，时间分辨率2.7 ms

(b) 频率分辨率37.5 Hz，时间分辨率5.4 ms

(c) 频率分辨率18.8 Hz，时间分辨率10.7 ms图5 不同时间频率分辨率下多音信号时频图

对采集外界的短波话音信号，图6为3种时频分辨率下的信号时频图，由图中可以看出频率分辨率18.8Hz，时间分辨率10.7ms下分析信号，利于将人声的音节和谐频特征清晰呈现。

(a) 频率分辨率37.5 Hz，时间分辨率5.4 ms

(b) 频率分辨率18.8 Hz，时间分辨率10.7 ms

(c) 频率分辨率9.4 Hz，时间分辨率21.3 ms图6 不同时间频率分辨率下话音信号时频图

对采集外界的短波2FSK、8FSK、多音并行PSK及话音等信号在采用多分辨下的时频图对比分析可以看出，对于每种信号适合分析的最佳分辨率各不相同，原因在于每种信号特征参数不相同，但本质上分析最佳分辨率是要与信号特征参数成比例的规律是一致的。从时间上看，当采用的时间分辨率与信号的码元长度或独特特征长度最接近时，从频率上看，当采用的频率分辨率与信号多音的最小间隔频率成比例时，可以将信号特征清晰呈现。

4 结束语

通过对短波通信目标信号和短波信道特点的具体研究和分析，经过多分辨率下信号特点的呈现比较和分析，提出了依据信号调制参数、独特字等特征可以进行分辨率最优计算，从而在最合适的时频分辨率下将信号的特征呈现，达到易于信号分析的目的。短波侦察领域中对信号的分析需要在合适的时间和频率分辨率下进行，由于短波信号类型的众多和参数各不同，因此基于多分辨率设计的短波信号分析方法是一种遵循信号参数，将信号特征清晰呈现，最有利于分析信号的一种方式。

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A Method of Multi-resolution Analysis for HF Signals

WU Ling-ling1,2,XIE Hua-jun3,ZHANG Run-sheng1,2

(1.Equipment Engineering Technology Research Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;3.Unit 75775,PLA,Guangzhou Guangdong 510010,China)

A variety of HF signals are joining in the electro-magnetic atmosphere,and the characteristics of these signals are sophisticated with different features and parameters.The unsteady inhomogeneous and dynamic environment,accompanied by random changes of transmission properties exacerbates the challenges of HF radio analysis.A design of multi-resolution analysis for signals is proposed for solving the problem.A certain proper resolution for a signal is introduced according to its characteristics and parameter values.Simulations for HF,2FSK,8FSK,parallel multi-tone PSK and voice signals under the circumstance are performed,the obtained signal features are compared,and the most proper resolution for each signal is found,which validate that each signal has a different proper resolution and that the resolutions are closely related to the signals’ parameters.

multi-resolution;HF signals;parallel multi-tone

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.07

吴玲玲，谢华军，张润生.一种采用多分辨率设计的短波信号分析方法[J].无线电通信技术,2017,43(2)：29-32.

2016-12-09

国家自然科学基金项目(81370038)

吴玲玲(1982—)，女，高级工程师，主要研究方向：通信对抗、数字信号处理。谢华军(1970—)，女，高级工程师，主要研究方向：通信工程。

TN911

A

1003-3114(2017)02-29-4