CN107835036A - 非合作跳频信号破解方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种非合作跳频信号破解方法，利用本发明可以显著提高非合作跳频信号破解效率。本发明通过下述技术方案予以实现：首先通过跳频信号破解电路对跳频信号所处的频段进行采样，通过FFT快速算法求频谱，并把N个FFT结果进行非相干累加；再采用跳频频点估计、跳速估计、跳频图案估计电路估计跳频信号的核心参数；跳频频点估计电路初步估计出每个跳频频点上的信号带宽，得到跳频信号的跳速，并对跳频信号频点切换时刻进行估计；并按照时间顺序记录跨越两个以上完整跳频周期的信号出现的跳频频点，确定跳频周期；跳频图案估计电路根据估计出的跳频频点、跳频图案和跳速来进行跳频信号解跳，根据估计出的参数进行跳频信号的解调，输出解调结果。

Description

非合作跳频信号破解方法

技术领域

本发明涉及一种非合作跳频通信系统中，用于对跳频信号跳速、跳频图案等参数进行快速破解的跳频信号破解方法。

背景技术

跳频技术是通信抗干扰技术中效果最显著的抗干扰方式之一。采用跳频技术的跳频信号传输频率随时间不断变化，属于典型的非平稳信号，单纯的时域或频域分析方法很难对其精确分析。随着现代电子技术和电路的发展，跳频通信系统向宽带跳频、高速跳频、超高速跳频方向发展，跳频图案也越来越复杂。在复杂电磁环境中，跳频信号参数估计及其在检测、同步和测向等问题上的研究日益成为各国学者研究的重点之一。跳频信号的频谱由多个频率分量组成，它在每个频率上驻留时间很短，并且出现的时间随机不定，用常规侦察设备不易确定它的存在必须通过实验来进一步验证上述跳频信号识别方法的有效性。跳频信号的STFT短时谱虽然不含交叉项干扰，但受不确定原理的限制，其时间分辨率和频率分辨率不可兼得。随着信噪比的降低，正确估计概率逐渐下降，跳频信号的时频分布估计性能逐渐变差。在带宽、强度和调制方式等方面千差万别，再加上存在严重的噪声干扰，单从时-频图上直接发现或者自动识别跳频信号仍然十分困难。

目前对跳频信号进行参数估计和时频分析是最为常用的方法，包括线性时频表示、二次时频分布、重排类组合类时频分布以及其它多种对跳频信进行时频分析的方法等。这些方法涉及对多个参数的估计问题，运算非常复杂，且它们与跳频信号时频结构并不相符，因此不适用于跳频信号的时频分析。为了有效分析跳频信号并估计其参数，现有技术根据跳频信号的特点，提出一种基于信号分解的时频分析方法.该方法先将多分量跳频信号通过带通滤波变成多个单分量信号，再将每个分量的Wigner.Ville分布(WVD)线性叠加得到新的时频分布，对跳频信号进行时频分析和参数估计，这些方法面对传统的跳速慢、跳频图案简单的跳频系统效果较好。随着跳频系统跳频速率越来越高，跳频图案越来越复杂，跳频信号的抗截获能力和抗干扰能力得到了大幅提升，传统的获取非合作跳频信号参数的方法在面对这些抗干扰、抗破解能力大幅提升的跳频系统效果变得越来越差，因此利用现代电子技术的最新发展成果根据这些新的跳频系统的特点探索新的跳频信号破解方法显得越来越重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术在跳频信号破解中存在的破解速度慢、破解成功率低的问题，提供一种能够显著提高非合作跳频信号破解效率和破解成功率的跳频信号破解方法。

本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种非合作跳频信号破解方法，其特征在于包括如下步骤：

首先通过跳频信号破解电路中的高速模数转换器AD对跳频信号所处的频段进行采样，把模拟形式的跳频信号转换为宽带数字信号，对AD采样后的数字信号通过快速傅氏变换FFT快速算法求频谱，并把N个FFT结果进行非相干累加；再采用跳频频点估计、跳速估计、跳频图案估计电路对跳频信号的核心参数进行估计；跳频频点估计电路初步估计出所采用的跳频频点以及每个跳频频点上的信号带宽；按照估计出的跳频频点，进行数字信道化处理，使各个子信道与各个跳频频点相对应；跳速估计电路根据各个子信道内的信号出现时刻进行跳速估计，得到跳频信号的跳速；在得到跳频信号的跳速后，在各个子信道内对跳频信号频点切换时刻进行估计；然后根据跳频信号的跳速和跳频频点切换时刻，在各个子信道内对信号进行检测，并按照时间顺序记录跨越两个以上完整跳频周期的信号出现的跳频频点；把记录的跳频频点按照不同的周期进行滑动自相关，确定跳频周期；跳频图案估计电路根据估计出的跳频频点、跳频图案和跳速来进行跳频信号解跳，并对解跳后的信号进行载波多普勒、符号速率、调制方式等参数的估计，根据估计出的参数进行跳频信号的解调，并输出解调结果。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

相比于现有技术具有更高的破解效率、更高的破解成功率。本发明通过采用高速宽带采样技术把模拟形式的跳频信号转换为宽带数字信号，再通过专门的跳频频点估计、跳速估计、跳频图案估计电路来对跳频信号的核心参数进行估计，完成对跳频信号的破解，相比于现有技术跳频信号破解方法具有更高的破解效率、更高的破解成功率，特别在对跳频周期长、跳频频点多、跳速高的复杂跳频信号的破解上具有显著优势。

本发明特别适合于对跳频周期长、跳频频点多、跳速高、跳频带宽宽的复杂跳频信号的破解。

附图说明

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。

图1是跳频信号破解电路的实现框图。

图2是跳速估计模块的实现电路框图。

图3是图1跳速估计模块的电路原理示意图。

图4是图1跳速图案计算模块的电路原理示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，首先通过跳频信号破解电路中的高速模数转换器AD对跳频信号所处的频段进行采样，把模拟形式的跳频信号转换为宽带数字信号；采用跳频频点估计、跳速估计、跳频图案估计电路对跳频信号的核心参数进行估计；跳频频点估计电路初步估计出所采用的跳频频点以及每个跳频频点上的信号带宽；按照估计出的跳频频点，进行数字信道化处理，使各个子信道与各个跳频频点相对应；跳速估计电路根据各个子信道内的信号出现时刻进行跳速估计，得到跳频信号的跳速；在得到跳频信号的跳速后，在各个子信道内对跳频信号频点切换时刻进行估计；根据跳频信号的跳速和跳频频点切换时刻在各个子信道内对信号进行检测，并按照时间顺序记录跨越两个以上完整跳频周期的信号出现的跳频频点；把记录的跳频频点按照不同的周期进行滑动自相关，确定跳频周期；跳频图案估计电路根据估计出的跳频频点、跳频图案和跳速来进行跳频信号解跳，并对解跳后的信号进行载波多普勒、符号速率、调制方式等参数的估计，根据估计出的参数进行跳频信号的解调，并输出解调结果。

具体包括如下步骤：

1)首先通过高速模数转换器AD对跳频信号所处的频段进行采样。

2)高速模数转换器AD对AD采样后的数字信号送给跳频频点检测模块进行跳频频点估计，估计出所采用的跳频频点以及每个跳频频点上的信号带宽。

3)按照估计出的跳频频点，进行数字信道化处理，使各个子信道与各个跳频频点相对应。

4)根据各个子信道内的信号出现时刻进行跳速估计，得到跳频信号的跳速。

5)在得到跳频信号的跳速后，在各个子信道内对跳频信号频点切换时刻进行估计。

6)根据跳频信号的跳速和跳频频点切换时刻在各个子信道内对信号进行检测，并按照时间顺序记录信号出现的跳频频点，记录周期需要能够跨越两个以上完整的跳频周期。

7)把记录的跳频频点按照不同的周期进行滑动自相关，确定跳频周期。

8)根据估计出的跳频频点、跳频图案和跳速来进行跳频信号解跳，并对解跳后的信号进行载波多普勒、符号速率、调制方式等参数的估计。

9)根据估计出的参数进行跳频信号的解调，并输出解调结果。

在以下描述的本发明最佳实施例中，跳频信号破解电路包括：依次串联的高速采样模块、跳频频点检测模块、数字信道化处理模块、跳速估计模块、频点切换时刻估计模块、跳频频点记录模块和跳频图案记录模块，其中，高速采样模块依次串联的解跳模块、信号参数估计模块和解跳模块，解调模块电连接解跳模块，解跳模块电连接频率控制字产生模块，跳频频点检测模块电连接解调模块，跳速估计模块、频点切换时刻估计模块、跳频频点记录模块和跳频图案记录模块分别电连接频率控制字产生模块。

高速采样模块可以采用高速模数转换器AD。

在跳频信号破解电路中，高速采样模块对接收到的跳频信号进行高速采样，把得到的宽带数字信号送给跳频频点检测模块。跳频频点检测模块根据非相干累加的累加结果估计出所有采用的跳频频点，同时还能够粗略估计出每个跳频频点上跳频信号的带宽。数字信道化处理模块根据跳频频点检测模块的检测结果进行针对性的数字信道划分，使每个跳频频点对应一个子信道。跳速估计模块根据数字信道化处理模块中每个子信道中信号的出现频率进行跳速估计。频点切换时刻估计模块根据跳速估计模块的估计结果按照单个跳频频点的驻留时间为周期进行移动积分，对积分结果进行检测。当积分结果出现明显的三角形峰值，峰值最高点对应的起始积分点就是跳频信号的频率切换时刻。频点切换时刻估计模块把估计出的频点切换时刻送给跳频频点记录模块。跳频频点记录模块根据跳速估计模块的跳速估计结果和频点切换时刻估计模块的频点切换时刻估计结果按照时间先后顺序对依次出现的跳频频点进行记录，并把记录结果送给跳频图案计算模块。跳频图案计算模块对跳频频点记录模块送来的跳频频点记录结果进行滑动自相关计算，根据相关峰值出现的位置来对跳频周期进行估计，再结合跳频频点记录结果就能够恢复出跳频图案。频率控制字产生模块根据跳速估计模块的跳速估计结果、频点切换时刻估计模块的频点切换时刻估计结果和跳频图案计算模块得到的跳频图案产生相应的频率控制字，送给解跳模块，完成对跳频信号的解跳。解跳模块解跳后的信号送给信号参数估计模块完成对信号调制方式、传输速率的估计，并把估计结果送给解调模块。解调模块根据信号参数估计模块送来的信号调制方式和传输速率完成对接收信号的解调，并把解调结果输出，解调模块在对接收信号进行解调时还要对跳频频点切换时刻进行估计和跟踪，并输出频点切换时刻调整信号到解调模块，来实现对跳频信号解跳过程的动态跟踪。另外解调模块还要输出信号锁定标志给跳频频点检测模块，当解调过程处于锁定状态时跳频频点检测模块停止工作，当解调过程不能锁定时，重新启动跳频频点检测模块对接收的跳频信号进行下一轮跳频频点检测过程。

在上述过程中，跳频频点检测模块以1秒的持续时间内未出现新的频率点来作为停止检测的条件。

上述跳频信号的破解过程主要包含三个重要参数的估计：对跳速的估计、对跳频频点的估计、以及对跳频图案的估计。其中，跳速估计模块通过把信号出现时的幅度与噪底进行比较来得到初步的跳速估计结果，并把多次的估计结果进行平均来得到精确的跳速估计结果。

跳频频点检测模块通过在采样带宽上进行功率谱计算来完成对跳频频点的估计，跳频图案计算模块通过把记录的多个跳频周期的跳频频点进行自相关来完成对跳频周期以及跳频图案的估计。

参阅图2。跳速频点检测模块包括顺次串联的FFT计算子模块、非相干累加子模块、门限判决子模块和频点/带宽计算子模块。FFT计算子模块高速采样模块采样后的宽带数字信号送给FFT计算子模块进行信号功率谱计算。FFT计算子模块的计算结果送给非相干累加模块进行非相干累加，非相干累加的次数需要覆盖多个完整的跳频周期，保证所有跳频频点都能够在非相干累加模块的累加结果中体现。门限判决子模块把非相干累加子模块的累加结果与噪声基底进行比较，并把比较结果送给频带/带宽计算子模块。频带/带宽计算子模块根据门限判决子模块的判决结果计算出跳频频点和每个频点上信号的带宽。

参阅图3。跳速估计模块包括顺次串联的噪声估计子模块、门限检测子模块、门限检测子模块和检测结果平均子模块。其中，噪声估计子模块对接收到的各个子信道的信号进行噪声估计，得到在无信号时的噪底情况；门限检测子模块把各个子信道内的信号求模后与噪声估计子模块估计出的噪底进行比较，来判断信号所在的子信道，以及每次的信号持续时间，连续统计N次，N的典型值为1024、2048或4096；检测结果记录子模块对门限检测子模块的检测结果进行记录，并把记录结果送给检测结果平均子模块，检测结果平均子模块根据检测结果记录子模块的记录结果对N次记录结果进行平均，得到平均后更加准确的跳速估计结果输出。

参阅图4。跳速图案计算模块包括顺次串联的跳频频点提取子模块、跳频频点相关子模块、门限判决子模块、跳频周期计算子模块和跳频图案存储子模块。其中，跳频频点提取子模块从输入的跳频频点中提取连续的128个跳频频点，送给跳频频点相关子模块，跳频频点相关子模块把提取的128个跳频频点与不断输入的跳频频点进行滑动比对和累加，累加结果送给门限判决子模块进行判决。门限判决子模块把跳频频点相关子模块送来的累加结果与预先设定的判决门限进行比较，如果大于判决门限，则取值为1，否则取值为0。门限判决子模块的判决结果送给跳频周期计算子模块。跳频周期计算子模块对门限判决子模块的判决结果中相邻两个1的间隔进行计算，得到跳频信号的跳频周期，送给跳频图案存储子模块。跳频图案存储子模块根据跳频周期计算子模块计算得到的跳频周期对一个周期的跳频频点进行存储，从而得到一个完整周期的跳频图案。

跳频频点相关子模块在把提取的128个跳频频点与不断输入的跳频频点进行滑动比对时，如果输入的跳频频点与128个跳频频点中的某个频点相同，则取值为1，否则取值为0，然后对128个跳频频点的比对结果进行累加，并把累加结果输出。

门限判决子模块的典型系数为0.8，即对于M个跳频频点的累加结果，门限取值为M×0.8。

跳频周期计算子模块在对跳频周期进行计算时，首先对相邻两个1的间隔进行计算，然后再利用后续的数据对计算结果进行校验。当连续5次相邻两个1的间隔都与计算结果一致时才认为正确计算出了跳频周期，否则重新开始对相邻两个1的间隔进行计算和校验，直到正确计算出跳频周期。

Claims (10)

1.一种非合作跳频信号破解方法，其特征在于包括如下步骤：

首先通过跳频信号破解电路中的高速模数转换器AD对跳频信号所处的频段进行采样，把模拟形式的跳频信号转换为宽带数字信号，对AD采样后的数字信号通过快速傅氏变换FFT快速算法求频谱，并把N个FFT结果进行非相干累加；再采用跳频频点估计、跳速估计、跳频图案估计电路对跳频信号的核心参数进行估计；跳频频点估计电路初步估计出所采用的跳频频点以及每个跳频频点上的信号带宽；按照估计出的跳频频点，进行数字信道化处理，使各个子信道与各个跳频频点相对应；跳速估计电路根据各个子信道内的信号出现时刻进行跳速估计，得到跳频信号的跳速；在得到跳频信号的跳速后，在各个子信道内对跳频信号频点切换时刻进行估计；然后根据跳频信号的跳速和跳频频点切换时刻，在各个子信道内对信号进行检测，并按照时间顺序记录跨越两个以上完整跳频周期的信号出现的跳频频点；把记录的跳频频点按照不同的周期进行滑动自相关，确定跳频周期；跳频图案估计电路根据估计出的跳频频点、跳频图案和跳速来进行跳频信号解跳，并对解跳后的信号进行载波多普勒、符号速率、调制方式参数的估计，根据估计出的参数进行跳频信号的解调，并输出解调结果。

2.如权利要求1所述的非合作跳频信号破解方法，其特征在于：高速模数转换器AD把AD采样后的数字信号送给跳频频点检测模块进行跳频频点估计，估计出所采用的跳频频点以及每个跳频频点上的信号带宽。

3.如权利要求1所述的非合作跳频信号破解方法，其特征在于：跳频信号破解电路包括：依次串联的高速采样模块、跳频频点检测模块、数字信道化处理模块、跳速估计模块、频点切换时刻估计模块、跳频频点记录模块和跳频图案记录模块，其中，高速采样模块连接依次串联的解跳模块、信号参数估计模块和解跳模块，解调模块电连接解跳模块，解跳模块电连接频率控制字产生模块，跳频频点检测模块电连接解调模块，跳速估计模块、频点切换时刻估计模块、跳频频点记录模块和跳频图案记录模块分别电连接频率控制字产生模块。

4.如权利要求3所述的非合作跳频信号破解方法，其特征在于：在跳频信号破解电路中，高速采样模块对接收到的跳频信号进行高速采样，把得到的宽带数字信号送给跳频频点检测模块；跳频频点检测模块根据非相干累加的累加结果估计出所有采用的跳频频点，同时粗略估计出每个跳频频点上跳频信号的带宽；数字信道化处理模块根据跳频频点检测模块的检测结果进行针对性的数字信道划分，使每个跳频频点对应一个子信道；跳速估计模块根据数字信道化处理模块每个子信道中信号的出现频率进行跳速估计；频点切换时刻估计模块根据跳速估计模块的估计结果按照单个跳频频点的驻留时间为周期进行移动积分，对积分结果进行检测。

5.如权利要求3所述的非合作跳频信号破解方法，其特征在于：频点切换时刻估计模块把估计出的频点切换时刻送给跳频频点记录模块；跳频频点记录模块根据跳速估计模块的跳速估计结果和频点切换时刻估计模块的频点切换时刻估计结果，按照时间先后顺序对依次出现的跳频频点进行记录，并把记录结果送给跳频图案计算模块；跳频图案计算模块对跳频频点记录模块送来的跳频频点记录结果进行滑动自相关计算，根据相关峰值出现的位置来对跳频周期进行估计，再结合跳频频点记录结果就能够恢复出跳频图案；频率控制字产生模块根据跳速估计模块的跳速估计结果、频点切换时刻估计模块的频点切换时刻估计结果和跳频图案计算模块得到的跳频图案产生相应的频率控制字，送给解跳模块，完成对跳频信号的解跳。

6.如权利要求3所述的非合作跳频信号破解方法，其特征在于：解跳模块解跳后的信号送给信号参数估计模块完成对信号调制方式、传输速率的估计，并把估计结果送给解调模块；解调模块根据信号参数估计模块送来的信号调制方式和传输速率完成对接收信号的解调，并把解调结果输出，解调模块在对接收信号进行解调时还对跳频频点切换时刻进行估计和跟踪，并输出频点切换时刻调整信号到解调模块，来实现对跳频信号解跳过程的动态跟踪。

7.如权利要求3所述的非合作跳频信号破解方法，其特征在于：解调模块输出信号锁定标志给跳频频点检测模块，当解调过程处于锁定状态时跳频频点检测模块停止工作，当解调过程不能锁定时，重新启动跳频频点检测模块对接收的跳频信号进行下一轮跳频频点检测过程。

8.如权利要求3所述的非合作跳频信号破解方法，其特征在于：跳速估计模块通过把信号出现时的幅度与噪底进行比较来得到初步的跳速估计结果，并把多次的估计结果进行平均来得到精确的跳速估计结果；跳频频点检测模块通过在采样带宽上进行功率谱计算来完成对跳频频点的估计，跳频图案计算模块通过把记录的多个跳频周期的跳频频点进行自相关来完成对跳频周期以及跳频图案的估计。

9.如权利要求1所述的非合作跳频信号破解方法，其特征在于：跳速频点检测模块包括顺次串联的FFT计算子模块、非相干累加子模块、门限判决子模块和频点/带宽计算子模块；FFT计算子模块高速采样模块采样后的宽带数字信号送给FFT计算子模块进行信号功率谱计算；FFT计算子模块的计算结果送给非相干累加模块进行非相干累加，非相干累加的次数覆盖多个完整的跳频周期，保证所有跳频频点都能够在非相干累加模块的累加结果中体现；门限判决子模块把非相干累加子模块的累加结果与噪声基底进行比较，并把比较结果送给频带/带宽计算子模块；频带/带宽计算子模块根据门限判决子模块的判决结果计算出跳频频点和每个频点上信号的带宽。

10.如权利要求3所述的非合作跳频信号破解方法，其特征在于：跳速图案计算模块包括顺次串联的跳频频点提取子模块、跳频频点相关子模块、门限判决子模块、跳频周期计算子模块和跳频图案存储子模块；其中，跳频频点提取子模块从输入的跳频频点中提取连续的128个跳频频点，送给跳频频点相关子模块，跳频频点相关子模块把提取的128个跳频频点与不断输入的跳频频点进行滑动比对和累加，累加结果送给门限判决子模块进行判决；门限判决子模块把跳频频点相关子模块送来的累加结果与预先设定的判决门限进行比较，如果大于判决门限，则取值为1，否则取值为0；门限判决子模块的判决结果送给跳频周期计算子模块；跳频周期计算子模块对门限判决子模块的判决结果中相邻两个1的间隔进行计算，得到跳频信号的跳频周期，送给跳频图案存储子模块；跳频图案存储子模块根据跳频周期计算子模块计算得到的跳频周期对一个周期的跳频频点进行存储，从而得到一个完整周期的跳频图案。