CN103607249A - 一种ds/fh混合扩频信号参数测试方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种DS/FH混合扩频信号时频参数测试系统。该系统包括变频器单元、采集存储单元、测试终端组成。本系统结合图像处理方法完成对离散DS/FH混合扩频信号时频参数提取：首先对待测信号进行时频分析，将分析结果视为一幅二维图像保存；然后采用图像形态学理论对图像中的噪点、毛刺等干扰信号进行处理；最后结合图像的像素位置与时频参数的对应关系，实现跳频图案、跳频速率等多个时频参数的测试。本发明实现了对DS/FH混合扩频信号测试中干扰因素的剔除；完成了跳频图案、跳频速率等现存技术难以分析的指标测试，本发明可应用于设备检测和分析以及通信对抗中非合作目标的信号分析和处理。

Description

一种DS/FH混合扩频信号参数测试方法与系统

技术领域

本发明涉及一种直扩/跳频(Direct Sequence/Frequency Hopping，DS/FH)混合扩频信号参数测试方法及系统。

背景技术

测试技术是现代科技发展的保障，著名科学家门捷列夫曾说过：“没有测试，就没有科学”。电子测试技术作为测试技术的一个重要分支，是利用现代电子技术完成对系统进行分析的方法，具有测试频段宽、测试精度高、重复性好等特点，是衡量一个国家装备发展水平以至工业现代化水平的重要标志。伴随通信技术的进步，测试技术已经从原来的模拟测试设备逐渐发展到数字测量设备。计算机技术的不断革新及网络的普及，使得虚拟测试技术以及自动化测试系统的发展日益蓬勃，“软件即仪器”、“网络即仪器”已成为测试技术发展的新方向。

扩频系统是20世纪通信技术的一项新革命，由于扩频技术具有优异的抗截获、抗干扰能力，被广泛应用于军事通信等保密通信中。随着对扩频技术研究的深入，扩频技术也从起初的直接序列扩频技术、跳频扩频技术，发展到DS/FH混合扩频系统等更为复杂的扩频技术。跟随扩频技术的发展脚步，扩频测试技术也在不断发展，目前的扩频测试项目，充分应用软件化测试技术的成果，通过数字化采样，结合各种软件分析方法完成了待测信号的信号特征测试。然而，DS/FH作为较先进的扩频信号体制，结合了跳频与扩频的特点，信号特征更加复杂，针对DS/FH混合扩频信号时频参数的测试方法，尤其是针对非合作目标信号的盲测试方法的研究，目前还没有行之有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现存技术的不足，提供一种DS/FH混合扩频信号参数测试系统，用于实现DS/FH混合扩频信号的时频参数的测试。

本发明提供一种DS/FH混合扩频信号参数测试系统，该系统由变频器单元、采集存储单元和测试终端三部分组成。变频器单元，用于对待测信号进行下变频后得到中频信号；数据采集单元，用于接收来自变频器单元的中频信号，并对该中频信号进行数字化采样获得数字采样序列；测试终端，用于接收数字采样序列，采用软件化测试系统完成待测信号的时频参数测试。

优选地，该变频器单元包括两个变频器和一个转换开关，其中通过采用两个变频器以及结合转换开关的变换，同时将上行和下行两路射频信号输入下变频单元，通过转换开关选择所需的输出信号。

本发明提供一种DS/FH混合扩频信号参数测试方法，将图像处理技术应用于DS/FH混合扩频信号参数测试，包括以下步骤：

1)对待测信号进行时频分析运算，获得其时频分布图；

2)将时频分布图视为一幅二维图像，对时频分布图像进行二值化处理；

3)对图像中存在的干扰分为孤立点、“空洞”、毛刺三类，孤立点采用开运算处理；“空洞”采用闭运算处理；采用迭代相关匹配方法对边有用图像边缘毛刺进行处理；

4)根据图像像素位置与信号参数的对应关系完成DS/FH混合扩频信号参数测试。

优选地，边缘毛刺删除的处理进一步包括步骤：

a)求各时频子图的长宽，将其均值作为长宽初始测试值；

b)根据初始测试值建立相同大小的矩形作为参考，用参考矩形与各时频子图进行逐个匹配；若时频子图长宽都小于参考矩形，则不做校正；否则，对参考矩形和时频子图进行相关性匹配，寻找相关性最大的位置，并以参考矩形为模板对时频子图进行截取，剔除多余的毛刺；

c)针对校正过的时频图重复上述两个步骤，多次迭代直至所有时频子图的大小均不大于参考矩形，则完成时频图上的毛刺删除。

本发明采用的技术方案是采用软件化测试系统的思路，利用硬件测试平台实现对被测信号的高速采集和实时存储；然后利用软件化测试系统，结合图像处理技术实现DS/FH混合扩频信号时频参数的事后分析。

本发明的有益效果是，可以完成DS/FH混合扩频信号的时频参数测试，并可以有效抑制噪声及干扰的影响，准确完成参数测试。

附图说明

图1是本发明的基本组成结构。

图2是本发明的工作原理。

图3是变频器工作原理图。

图4是中频放大器工作原理图。

图5是测试系统硬件平台组成框图。

图6是平台互联关系图

图7是本发明DS/FH混合扩频信号时频参数测试方法相关处理方法的流程示意图。

图8-图13是本发明处理效果对照图。

图8为待测信号的时频分布图二值化结果；图9为删除图像中“空洞”干扰的结果；图10为删除图像中孤立点的结果；图11为删除图像中毛刺后的结果；图12为提取的DS/FH混合扩频信号时频脊线，以及图13为测试获得的DS/FH混合扩频信号跳频图案。

图14是迭代相关匹配抑制干扰方法流程图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方法做进一步描述。本发明提供了一种DS/FH混合扩频信号参数测试系统，用于实现DS/FH混合扩频信号的时频参数的测试，该系统包括：变频器单元，用于对待测信号进行下变频后得到中频信号；数据采集单元，用于接收来自变频器单元的中频信号，并对该中频信号进行数字化采样获得数字采样序列；测试终端，用于接收数字采样序列，采用软件化测试系统完成待测信号的时频参数测试。如图2所示。

1.变频器单元

变频器单元主要完成的工作有：接收S频段射频信号，滤波、分路、后输出；变频链路内置程控衰减器，输出中频电平可调；内置监控单元，完成设备参数设置和状态监视。如图3所示。

中频滤波部分的原理框图如图4所示。中频滤波部分的作用是将变频后的中频信号进行滤波、放大，其中包括动态为60dB的数控衰减器，用于输出电平的调整。

监控单元采集本机箱内的各模块工作状态，通过一个RS422接口与本地监控通信并将状态信息上报。监控单元为本控工作方式，监控单元开机，初始化后，自动将其监控方式设置为本控。监控单元上报状态信息的同时点亮前面板上的相应指示灯，上行链路和下行链路各组成一个2U抽屉。

2.采集存储单元

指标测试系统硬件平台基于CPCI工控机结构，由通用CPCI工控机和数据采集存储板组成，如图5所示。采集存储板为标准CPCI插卡，安装在工控机内，负责完成模拟信号的高速采集，存储，传输。对采集存储板的控制，监视，数据管理等通过基于工控计算机的上位机控制软件实现。

待测试信号经过信号调理电路，转换成适合ADC输入的模拟信号，经ADC高速采样后，经板上高速DDR2缓存，DDR2缓存空间存储满后，送入FPGA进行处理，经过打时标等处理后存储到硬盘中，对硬盘的存储有两种方式：(1)由SATA控制器控制以数据文件形式存储在SATA磁盘阵列上，存储在磁盘阵列上的数据文件经上位机控制可以实现本地查看处理，通过高速网络传输到数据处理终端；(2)CPCI工控机通过PCI总线读取DDR2中的数据缓存到内存中，然后写入工控机系统硬盘。

3.测试系统终端

终端选用高性能服务器。

4.平台结构和互联关系

测试系统硬件平台为独立设备，即可单独放置，也可上架安装。主体结构由一个4U工控机机箱、显示器、键盘、鼠标组成。指标测试平台与外部信号连接关系如图6所示。输入信号包括外部测试信号输入、时钟、时码、触发(启动记录用)等信号，输出信号为通过网络送给数据处理终端的记录数据。

5.DS/FH混合扩频信号时频参数测试方法

一种DS/FH混合扩频信号参数测试方法，将图像处理技术应用于DS/FH混合扩频信号参数测试，包括以下步骤：

1)对待测信号进行时频分析运算，获得其时频分布图；

2)将时频分布图视为一幅二维图像，对时频分布图像进行二值化处理；

3)对图像中存在的干扰分为孤立点、“空洞”、毛刺三类，孤立点采用开运算处理；“空洞”采用闭运算处理；采用迭代相关匹配方法对边有用图像边缘毛刺进行处理；

4)根据图像像素位置与信号参数的对应关系完成DS/FH混合扩频信号参数测试。

图7是本发明提出的DS/FH混合扩频信号时频参数测试方法的相关处理方法的流程示意图，各部分的具体实施细节如下：

(1)：待测DS/FH混合扩频信号时频分布及可视化

针对待测DS/FH混合扩频信号采用谱图分布方法，得到待测信号时频分布，并将时频分析得到的时频分布图保存为位图图像。其中，谱图窗函数采用高斯窗函数，窗口宽度为与待测信号的1/4最相近的奇数。

谱图的计算公式如下：

$\mathrm{STFT}(t,f)={\left|{\∫}_{-\∞}^{\∞}\right[s\left(u\right)g^{*}(u-t)\left]e^{-j2\mathrm{\πfu}}\mathrm{du}\right|}^2$

式中，s(t)是待分析的DS/FH混合扩频信号，g^*(t)是高斯窗函数的共轭形式，窗口宽度为待测DS/FH混合扩频信号长度的1/4最近的奇数。

谱图的计算结果为信号长度的多维矩阵，谱图分布的显示方式分为多种，利用图像处理算法完成DS/FH混合扩频信号的时频参数测试的思路将时频分布结果视为一幅二维图像，因此，最直接的方法是阈值化处理，具体为：

$D^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}1,D(i,j)\&GreaterEqual;T,0<i\&le;\mathrm{row}\left(D\right),0<j\&le;\mathrm{col}\left(D\right)\\ 0,D(i,j)<T,0<i\&le;\mathrm{row}\left(D\right),0<j\&le;\mathrm{col}\left(D\right)\end{array}\right.$

其中，D是时频分布结果，T是阈值门限，row(D)是时频分布矩阵行数，col(D)是时频分布矩阵列数，D′是二值化后时频分布结果。门限大小的确定方法一般为：

$T=\max \{\mathrm{\&mu;}:{\mathrm{\&Sigma;}}_{D(i,j)\&GreaterEqual;\mathrm{\&mu;}}D(i,j)\&GreaterEqual;\mathrm{\&gamma;}{\mathrm{\&Sigma;}}_{n=1}^N{\left|f\left(n\right)\right|}^2\}$

其中，f(n)为信号，上式的意义在于门限能够使100γ％的能量位于确定区域，并使区域尽可能小，目前虽然没有确定γ的准确方法，但一般情况下，取γ在0.9和0.95之间，都能获得较好的效果，测试效果如图8所示。

(2)：图像中干扰信号的孤立点删除、耦合点填充、毛刺删除

根据干扰信号和有用信号在时频域图像中的图像特征，将需要处理的干扰总结为三类：第一类是孤立于有用图像的孤立点或线；第二类是与有用图像连通的线和孤立点，即有用图像周围的毛刺；第三类是图像内部的空洞。前两类是时频分析方法对干扰信号的时频特征的表现，第三类是干扰信号与DS/FH混合扩频信号耦合、DS/FH混合扩频信号伪码周期性带来的干扰。

数学形态学是一种基于集合论的图像分析方法，其包括腐蚀、膨胀、开运算、闭运算四种基本运算。

腐蚀是利用某种形状的基元或结构元素对一个图像进行探测，以便找出图像内部可以放下该基元的区域，是一种消除边界点，使边界向内部收缩的过程，用来消除小且无意义的物体。若将集合A沿矢量x平移了一段距离记为A_x＝{a+x：a：A)，则集合A被B腐蚀的定义为：

AΘB＝{x：B+x：A}

其中A称为输入图像，B称为结构元素。AΘB表示由将B平移x仍包含在A内的所有点x组成。如果将B看作模板，AΘB则由在将模板平移的过程中，所有可以填入A内部的模板的原点组成。

膨胀是腐蚀运算的对偶运算，若X^c表示集合X的补集，B^v表示B关于坐标原点的反射。则集合X被B膨胀定义为：

$X\&CirclePlus;B={\left[X^c{\mathrm{\&Theta;B}}^v\right]}^c$

虽然腐蚀处理可以将粘连的目标物进行分离，膨胀处理可以将断开的目标物进行接续，但同时都存在一个问题，就是经过腐蚀处理后，目标物的面积小于原有面积，而经过膨胀处理之后，目标物的面积大于原有面积。这样目标物经过腐蚀和膨胀后和原物体的差距较大。为了解决这一问题，出现了两种结合腐蚀和膨胀的基本图像处理运算：开运算与闭运算。开运算或闭运算先通过腐蚀和膨胀消除目标物体的瑕疵，然后通过膨胀和腐蚀对目标物体有用部分进行还原。其中，先腐蚀后膨胀称为开运算，其定义为：

$\mathrm{OPEN}(X,B)=\left(\mathrm{X\&Theta;B}\right)\&CirclePlus;B$

先膨胀后腐蚀称为闭运算，其定义为：

$\mathrm{COLSE}(X,B)=(X\&CirclePlus;B)\mathrm{\&Theta;B}$

根据干扰图像的特征，开运算能够有效的消除图像中的孤立点，闭运算能够有效的填充图像中的空洞。本发明采用多结构元素变尺寸进行图像形态学分析。在闭运算时，采用不同尺寸的圆形结构元素进行综合叠加分析，测试效果如图9所示；在开运算时，分别采用不同尺寸的线状结构元素、圆形结构元素进行多次开运算叠加运算，测试效果如图10所示。

针对图像中的第二类干扰，简单的数学形态学基本运算不能保证只抑制毛刺部分而有用图像的形状不变。本发明提出一种迭代相关匹配方法对图像中的毛刺进行删除。方法结合理想DS/FH混合扩频信号的时频图像特征，生成有用图像模板，利用模板对目标图像进行相关匹配，相关性最大的位置外的部分图像标定为毛刺干扰，并予以删除。通过多次迭代运算，能够有效的删除图像中的毛刺，以及某跳对应子图像的突变影响。方法的测试效果如图11所示，流程如图14所示，具体步骤如下：

1)利用连通性原理分割图像，获得各跳频点对应的子图像。

2)提取各子图像的长度和宽度，对其进行统计平均，产生以长、宽均值为长宽的矩形模板。

3)用理想矩形模板与各目标子图进行匹配，搜寻相关性最大的位置。

4)如果目标子图像长宽均小于模板矩形，则不做校正，否则，以模板大小对目标图像进行裁剪，标定模板外的区域为毛刺干扰，予以删除。

5)将处理过的目标子图像作为新的待分析图像，从步骤1开始重复迭代运算。直至所有目标子图的尺寸均小于理想矩形模板，即完成所有毛刺干扰的剔除。

(3)：像素位置转换为时频参数

经过校正的时频分布图抑制了突发干扰信号及噪声的影响，时频分布算法是在频谱分析基础上引入信号的时域信息，对时频分析结果图像化处理过程中，建立了二值化图像与信号时频参数的对应关系。根据傅立叶变换乘积定理，图像中的子连通图像长度与该跳的驻留时间对应；宽度与该跳的扩频带宽对应；待测信号的跳频点数与图像中的子连通域数目对应；时频脊线与各跳对应的子图像中心线对应。若待测序列采样频率为f_s采样时间为t，坐标轴内有用部分图像的像素长度为L、宽度为W，则针对图像中任意点(x，y)，其时频参数为：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_x=\frac{t\&CenterDot;x}{L}\\ f_y=\frac{f_s\&CenterDot;y}{2W}\end{array}\right.$

根据傅立叶变换的乘积定理，DS/FH混合扩频信号频谱是载波频谱与扩频码频谱的卷积。则DS/FH混合扩频信号跳频频率为时频图像各连通域子图中心线对应的频率位置，子图的长度对应信号的跳频驻留时间，结合像素位置与时频参数的关系，DS/FH混合扩频信号的时频脊线及跳频图案的测试效果如图12及图13所示。

Claims (5)

1.一种DS/FH混合扩频信号参数测试系统，用于实现DS/FH混合扩频信号的时频参数的测试，该系统包括：

变频器单元，用于对待测信号进行下变频后得到中频信号；

数据采集单元，用于接收来自变频器单元的中频信号，并对该中频信号进行数字化采样获得数字采样序列；

测试终端，用于接收数字采样序列，采用软件化测试系统完成待测信号的时频参数测试。

2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，变频器单元包括两个变频器和一个转换开关，其中通过采用两个变频器以及结合转换开关的变换，同时将上行和下行两路射频信号输入下变频单元，通过转换开关选择所需的输出信号。

3.一种DS/FH混合扩频信号参数测试方法，将图像处理技术应用于DS/FH混合扩频信号参数测试，包括以下步骤：

1)对待测信号进行时频分析运算，获得其时频分布图；

2)将时频分布图视为一幅二维图像，对时频分布图像进行二值化处理；

3)对图像中存在的干扰分为孤立点、“空洞”、毛刺三类，孤立点采用开运算处理；“空洞”采用闭运算处理；采用迭代相关匹配方法对边有用图像边缘毛刺进行处理；

4)根据图像像素位置与信号参数的对应关系完成DS/FH混合扩频信号参数测试。

4.根据权利要求3所述的方法，进行边缘毛刺处理的迭代相关匹配方法子步骤为：

a)求各时频子图的长宽，将其均值作为长宽初始测试值；

b)根据初始测试值建立相同大小的矩形作为参考，用参考矩形与各时频子图进行逐个匹配；若时频子图长宽都小于参考矩形，则不做校正；否则，对参考矩形和时频子图进行相关性匹配，寻找相关性最大的位置，并以参考矩形为模板对时频子图进行截取，剔除多余的毛刺；

c)针对校正过的时频图重复上述两个步骤，多次迭代直至所有时频子图的大小均不大于参考矩形，则完成时频图上的毛刺删除。

5.根据权利要求3所述的方法，DS/FH混合扩频信号的时频参数与图像像素位置存在对应关系，跳频频率与时频子图的中心线对应，直扩伪码速率与时频子图的宽度对应。

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