DE10164118A1 - Verfahren und Anordnung zur Erkennung von Frequenzsprungfolgesignalen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erkennung von Frequenzsprungfolgesignalen. Solche Frequenzsprungfolgesignale werden in Funkkommunikationssystemen zwischen Funkeinrichtungen für die Nachrichtenübertragung benutzt, wobei die Frequenzsprungfolge zeitabschnittsweise zwischen einer Vielzahl verschiedener Trägerfrequenzen wechselt.
• Dieses Wechseln der Trägerfrequenzen ist zwischen den Funkeinrichtungen - also Sender und Empfänger - des betreffenden Funkkommunikationssystems verabredet, d. h. die Wechselfolge ist den beteiligten Funkeinrichtungen bekannt.
• Diese Art der Nachrichtenübertragung mit Frequenzsprungfolgesignalen ist ursprünglich in der Militärtechnik entwickelt worden, sie wird aber seit längerer Zeit auch in zivilen Funkkommunikationssystemen, z. B. GSM-Systemen benutzt.
• Die Benutzung in zivilen Systemen geschieht aus Gründen der Übertragungsqualität und der Übertragungskapazität. Eine eingehende Darstellung der zivilen Aspekte der Verwendung von Frequenzsprungfolgesignalen ist dem Buch "The GSM System for Mobile Communications" von M. Mouly und M. B. Pautet, Seite 218 ff zu entnehmen.
• Die militärische Anwendung von Frequenzsprungfolgesignalen dient hingegen vorrangig der Geheimhaltung des eigenen Funkverkehrs.
• In gleicher Weise entspricht dem Bestreben, den eigenen Funkverkehr geheim zu halten andererseits der Wunsch, den Funkverkehr des Gegners zu verfolgen und zu verstehen.
• Für diese Funkaufklärung ist es bekannt, so genannte Vielkanalpeiler zu verwenden. Bei einem Vielkanalpeiler handelt es sich um ein Peilgerät, das eine gleichzeitige Peilung auf vielen Kanälen verschiedener Empfangsfrequenz gestattet. Weiterhin ist es bekannt, solche Vielkanalpeiler in Digitaltechnik aufzubauen.
• Ein wichtiger Baustein eines solchen Vielkanalpeilers ist die so genannte Filterbank. Eine detaillierte Darstellung von Aufbau und Funktion eines Vielkanalpeilers sowie von digitalen Vielkanalpeilern ist in der Veröffentlichung von F. Jondral "Funksignalanalyse" B. G. Teubner, Stuttgart 1991, in Studienbücher Elektrotechnik, Seite 272 ff. enthalten.
• Ergänzend sei noch auf den in NTZ 1974, Heft 11 erschienenen Artikel von W. Schaller "Verwendung der schnellen Fouriertransformation in digitalen Filtern" verwiesen.
• Wie in den vorstehend genannten Veröffentlichungen beschrieben, lassen sich die an den einzelnen Ausgängen des digitalen Vielkanalpeilers anstehenden Empfangssignale unter verschiedenen Kriterien verarbeiten. Allerdings erfordert der Anfall enormer Datenmengen an den Ausgängen eines Vielkanalpeilers eine sorgfältige Aufgabenstellung und Auswahl bei der Bestimmung des Auswertungsszieles.
• Auf die vorstehend genannten Veröffentlichungen wird insbesondere unter dem Aspekt des Offenbarungsgehaltes dieser Anmeldung ausdrücklich Bezug genommen.
• Dem entsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe Frequenzsprungfolgesignale, deren jeweilige Mittenfrequenz und Sprungfolge dem Empfänger zunächst unbekannt sind, schließlich doch erkannt werden können.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass ein erstes Spektrogramm ein Pegelspektrum in Abhängigkeit von Zeit und Frequenz und ein zweites Spektrogramm ein Winkelspektrum in Abhängigkeit von Zeit und Frequenz darstellen, dass aus diesen Spektrogrammen zunächst Frequenzsprungfolgesignale mittels geeigneter Algorithmen erkannt, klassifiziert und verfolgt werden, dass die so identifizierten Frequenzsprungfolgesignale mittels weiterer Algorithmen auf eine gemeinsame Trägerfrequenz gemischt und die so erhaltenen schmalbandigen Frequenzsprungfolgesignale gespeichert werden.
• Diese Lösung hat den Vorteil, dass sie das diesseits erstmals als so genanntes "Blindes Dehopping" bezeichnete Identifizieren und Speichern von Frequenzsprungfolgesignalen unter Benutzung verfügbarer Einrichtungen gestattet.
• In Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 2 werden die Erkennung, Klassifizierung und Verfolgung der Frequenzsprungfolgesignale mittels an sich bekannter Bildverarbeitungsalgorithmen erreicht.
• Vorteil dieser Maßnahme ist es, dass diese Bildverarbeitungsalgorithmen weitgehend erprobt und bewährt sind.
• Für die praktische Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass zunächst im Spektrogramm ein beliebiges, als Frequenzsprungfolgesignal angenommenes Signal angesprochen und sodann die Analyse mittels der Bildverarbeitungsalgortihmen für dieses Signal erfolgt, dass die dabei ermittelten Parameter der Klassifizierung gespeichert und zur Klassifizierung nachfolgender Frequenzsprungfolgesignale benutzt werden.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere bei der Auswertung des Winkelspektrums ist vorgesehen, dass ausgehend von einem Punkt eines angenommenen Frequenzsprungfolgesignals mit einem bestimmten Einfallswinkel im Spektrogramm solche Nachbarsignalpunkte, die in einem vorbestimmten Intervall um den Einfallswinkel liegen, mitttels eines so genannten Region Growing Algorithmus festgelegt werden.
• Zur besseren Geometriebestimmung der einzelnen Hops, d. h. der identifizierten Signale ist vorgesehen, dass die so festgelegten Signale einer Region einem Kantenglättungsalgorithmus unterworfen werden.
• Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bei Vorliegen niedriger Signalpegel der Frequenzsprungfolgesignale oder im Einflussbereich starker Festfrequenzsender ein so genannter Merge-Algorithmus eingesetzt wird.
• Eine weitere Ausführung in Form einer zusätzlichen Behandlung der im Spektrogramm identifizierten Signalabschnitte sieht vor, dass bei Vorliegen zeitlich zusammenhängender oder überlappender Frequenzsprungfolgesignale mit ähnlicher Mittenfrequenz ein Split-Algorithmus eingsetzt wird.
• Für den Fall, das im interessierenden Peilwinkelbereich störende Signale von Festfrequenzsendern vorhanden sind, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass beim Vorhandensein von Frestfrequenzsendersignalen im interessierenden Peilwinkelbereich eine Filterung der Festfrequenzsendersignale durch Anwendung der an sich bekannten, bei der Bildbearbeitung verwendeten Hintergrundkompensation erfolgt.
• Schließlich lassen sich die ermittelten Signalabschnitte in der Weise behandeln, dass mittels einer so genannten Straffunktion, welche die ermittelten Parameter gewichtet, eine Klassifizierung gefundener Signalabschnitte vorgenommen wird.
• Eine geeignete Anordnung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ist so ausgebildet, dass an den Ausgang einer Antenne (A) eine Reihenschaltung bestehend aus einem digitalen Vielkanalpeiler (1), einem zur Erstellung von Winkel- und Pegelspektrogrammen eingerichteten Rechner (2), einer zur Klassifizierung und Verfolgung von Frequenzsprungfolgesignalen geeigneten Einheit (3) sowie einer im wesentlichen aus einem Rekombinationsfilter bestehenden Mischeinrichtung (4) besteht, und dass an den Ausgang der Mischeinheit (4) ein Aufzeichnungsgerät anschaltbar ist.
• Fig. 1 zeigt das Pegelspektrogramm, also eine Darstellung der Energieverteilung über der Zeit/Frequenz-Ebene, wobei die Graustufen die Energiewerte repräsentieren.
• Fig. 2 zeigt das zugehörige Winkelspektrogramm, also eine Darstellung der Verteilung der Azimutwinkel über der Zeit/Frequenz-Ebene, wobei hier die Graustufen den Einfallswinkel repräsentieren.
• Die Ausgangssignale der Analysekanäle des Vielkanalpeilers sind in den Darstellungen nach Fig. 1 und Fig. 2 durch die Linien in Zeitrichtung dargestellt.
• Fig. 3 zeigt eine Blockdarstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Fig. 4 zeigt die schematische Darstellung eines Rekombinationsfilters.
• Gemäß Fig. 3 werden die von der Antenne A aufgenommenen Signale dem Vielkanalpeiler 1 zugeleitet. Wie in der eingangs zitierten Veröffentlichung von F. Jondral eingehend beschrieben, arbeitet der Vielkanalpeiler auf der Basis der schnellen Fouriertransformation (FFT) als Filterbankempfänger, diese Technik wiederum ist in dem ebenfalls eingangs genannten Artikel von W. Schaller beschrieben. Mit Hilfe dieser Filterbankempfänger werden breite Frequenzbereiche in gleich breite Analysekanäle zerlegt. Durch Zusammenfassung mehrerer, parallel geschalteter Vielkanalempfänger werden Vielkanalpeiler geschaffen, die in Zusammenwirken mit einem Rechner 2 für jeden Signalabtastwert in jedem Analysekanal die Einfallsrichtung der zugehörigen Energie an der Peilantenne A berechnen. Die verwendete Antenne und der Algorithmus, nach dem die Einfallswinkel berechnet werden, bestimmen das Peilverfahren. Als wichtigste Peilverfahren sind das Watson-Watt- und das Interferometer-Prinzip bekannt.
• Da an den Ausgängen des Vielkanalpeilers 1 sehr große Datenmengen anfallen, muss mit Hilfe des nachfolgenden Rechners 2 und durch Anwendung von abgestimmten Datenreduktions- und Sortieralgorithmen diese Datenmenge so gefiltert werden, dass am Ausgang des Rechners 2 nur die gewünschten Daten für die weitere Verarbeitung zur Verfügung stehen. Diese für die Erfindung wichtigen Aspekte, die aber nicht selbst Gegenstand der Erfindung sind, können in der eingangs genannten Veröffentlichung von Jondral, die ausdrücklich dem Offenbarungsgehalt dieser Beschreibung zugerechnet wird, nachgelesen werden.
• Danach liefert der Vielkanalpeiler 1 an seinem Ausgang in jedem Analysekanal ein Zeitsignal und für jeden Abtastwert jedes Analysekanal-Zeitsignals den Azimutwinkel, unter dem die zugehörige Energie an der Peilantenne eingefallen ist.
• Aus diesen Ausgangssignalen lassen sich nun, wie vorstehend bereits erwähnt, das in
• Fig. 1 dargestellte Pegelspektrogramm, das die Energie- bzw. Leistungs-)Verteilung über der Zeit-/Frequenzebene zeigt sowie in
• Fig. 2 dargestellte Winkelspektrogramm, d. h. die Verteilung der Azimutwinkel über der Zeit-/Frequenzebene berechnen.
• In den Darstellungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2, die ja beide zweidimensional abgebildet sind, werden die Energie-(bzw. Leistungs-)Werte (Fig. 1) sowie die Azimutwerte (Fig. 2) jeweils durch die Grauwerte wiedergegeben.
• Jede der einzelnen Linien in den Fig. 1 und Fig. 2 stellt das Ausgangssignal eines Analysekanals dar.
• Als charakteristisch lässt z. B. die kräftige Linie Fp mit gleich bleibendem Grauwert im Pegelspektrogramm nach Fig. 1 das Signal eines Festsenders erkennen.
• Ganz deutlich sind im Verlauf der Linien 1p bis 8p rechteckige, in zeitlicher Folge auftretende Signalabschnitte zu erkennen.
• In analoger Weise lässt sich der Inhalt des in Fig. 2 dargestellten Winkelspektrogramms erklären. Auch hier erkennt man mit der Linie Fw das Signal eines Festsenders und im Verlauf der Linien 1w bis 6w rechteckige, in zeitlicher Folge auftretende Signalab schnitte.
• Es wird nun angenommen, bei diesen rechteckigen, in zeitlicher Folge auftretenden Signalabschnitten, die - wie leicht zu erkennen ist - unterschiedlichen Frequenzlinien zugeordnet sind, handele es sich um Frequenzsprungsignale, die ihre momentane Mittenfrequenz aus einem dem Aufklärer, d. h. dem Betreiber der Anordnung nach Fig. 3, unbekannten Zufallsgenerator ableiten.
• In einem realen Szenario können mehrere, von unterschiedlichen Quellen stammende Frequenzsprungsignale durch den Vielkanalpeiler 1 erfasst werden.
• Zur Einleitung des Erkennungsprozesses gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es notwendig, ein erstes, als Hop vermutetes Signal, also einen der rechteckigen Signalabschnitte nach Fig. 1 und 2 festzulegen. Dies kann beispielsweise durch den Bediener der Anordnung nach Fig. 3 geschehen.
• Dieses Signal muss nun klassifiziert werden, d. h. es müssen vorbestimmte Parameter dieses Hops extrahiert werden. Bei diesen Parametern handelt es sich um
  
• - den Einfallswinkel
• - die momentane Bandbreite
• - die Mittenfrequenz
• - Beginn und Ende
• - Energie-(Leistung).
• Entsprechend der Erfindung wird nun dieser Hop mit Methoden der Mustererkennung und der Bildverarbeitung untersucht; die Extraktion der genannten Parameter erfolgt z. B. mit Hilfe folgender Algorithmen:
  
• 1. Region-Growing: Ausgehend von einem Punkt eines Spektrogramms wird ein zuzusammenhängendes Gebiet durch Hinzunahme bestimmter Nachbarpunkte berechnet. Das Kriterium ist der Einfallswinkel: Punkte, deren Winkelinformation innerhalb eines Intervalls liegen, das durch die Winkelinformation des Startpunkts als Mittelwert und einer bestimmten Varianz festgelegt wird, werden zum Gebiet hinzugenommen.
• 2. Kantenglättung: Die Ränder der Region sind, bedingt durch Störungen oder breitbandige Umschaltimpulse, häufig stark zerfasert. Mit einem Glättungsvektor werden die Ränder geglättet, was eine präzisere Geometriebestimmung ermöglicht. Dazu wird ein zur zu glättenden Seite paralleler Glättungsvektor von außen her so lange in Richtung des Hop-Zentrums bewegt, bis das Verhältnis der vom Glättungsvektor überdeckten Objektpunkte bezogen auf die Anzahl der Vektorelemente eine bestimmte Schwelle überschreitet. Die Glättung wird in gleicher Weise für alle Ränder einer Region durchgeführt.
• Die so erhaltenen Parameterwerte dieses ersten Hops, des Musterhops, werden nun zur Erkennung nachfolgender Hops angewandt.
• Aus den Fig. 1 und Fig. 2 ist leicht erkennbar, dass die vermuteten Hops von zusätzlich vorhandenen Signalen anderer Sender, die ebenfalls von der Antenne A aufgenommen werden, beeinflusst werden, d. h. Störungen unterworfen sind, welche die Auswertesicherheit bzw. Auswertequalität beeinträchtigen.
• Um die Klassifikationsergebnisse zu verbessern, kann die zusätzliche Anwendung weiterer Algorithmen geboten sein. Solche zusätzlichen Algorithmen werden nachfolgend charakterisiert:
  
• 1. Merge-Algorithmus: Gerade bei schwachen Signalpegeln oder im Bereich von starken Festfrequenzsendern können einzelne Hops derart gestört sein, dass der Region-Growing-Algorithmus keine zusammenhängenden Regionen mehr findet, sondern nur noch einzelne Fragmente, die nicht der Geometrie des gesuchten Hops entsprechen. Der Merge-Algorithmus versucht nun, durch Verschmelzung solcher Fragmente, eine klassifizierbare Hop-Region zu erhalten.
• 2. Split-Algorithmus: Zeitlich aufeinanderfolgende Hops mit sehr ähnlicher Mittenfrequenz können auf Grund des Chaining-Effekts zusammenwachsen und würden nicht als ein der gesuchten Muster-Geometrie entsprechendes Objekt klassifiziert. Der Split-Algorithmus trennt daher Regionen, sofern ihre Geometrie auf einen Mehrfach-Hop hinweisen.
• 3. Elimination von Festfrequenzsendern: Festfrequenzsender im zu durchsuchenden Peilwinkelintervall stellen deshalb ein Problem dar, da sie meist einen ausgefransten Rand besitzen, so dass zufällige Hop-ähnliche Geometrien entstehen können. Eine Filterung der Festfrequenzsender basierend auf der aus der Bildbearbeitung bekannten Hintergrundkompensation liefert zufriedenstellende Ergebnisse. Das Bildsignal wird als Summe von Hintergrundpegel und Signalpegel aufgefasst. Durch Tiefpassfilterung wird der Pegel des Hintergrundes geschätzt. Danach werden alle Werte, die im Bereich des Hintergrundpegels liegen, entfernt. Um zu verhindern, dass Teile von Festfrequenzsendern fälschlicherweise als Hop klassifiziert werden, wird bei der Bewertung jeder Region ein Strafterm vergeben. Für alle Frequenzen wird die Vorgeschichte bzw. ein Maß für die bisherige Signalaktivität mittels eines rekursiven Tiefpassfilters berechnet. Die Schätzung der Signalaktivität erfordert also einen Vektor mit je einem Eintrag pro Frequenzschritt.
• Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den beschriebenen Methoden um die Behandlung dynamischer Vorgänge handelt,; das bedeutet zum Beispiel, dass die konkreten Parameterwerte des Musterhops im Laufe der Signalerfassung und Klassifizierung regelmäßig aktualisiert werden.
• Alle Vorgänge der oben definierten Konturverfolgung finden im Block 3 gemäß Fig. 1 statt.
• Im weiteren Verlauf der Erkennung der Frequenzsprungfolgesignale müssen die am Ausgang des Blockes 3 in Fig. 1 anstehenden Signale schließlich schmalbandig aufgezeichnet werden. Um dies möglich zu machen, werden die so vorliegenden Ausgangssignale der Analysekanäle im Block 4 gemäß Fig. 1 in einem Rekombinationsfilter frequenzmäßig an die richtige Position gemischt. Dieser Vorgang wird unter Zuhilfenahme der Fig. 4 erläutert.
• Der mittlere Analysekanal bezüglich jedes einzelnen Hops bleibt auf der Mittenfrequenz O. Allen anderen Analysekanäle werden gemäß ihrer Lage zum mittleren Analysekanal verschoben. Dazu ist zunächst für jeden Analysekanal die Abtastrate um den Faktor L, der letztlich die maximal mögliche Aufzeichnungsbandbreite widerspiegelt, erhöht.
• Die Abtastratenerhöhung erfolgt durch einen der aus der Veröffentlichung Crochiere, R. E.; Rabiner, L. R.: Multirate Digital Signal Processing, Englewood Cliffs (New Jersey) 1983: Prentice-Hall bekannten Algorithmen, gemäß Fig. 4 z. B. dadurch, dass in jedem Analysekanal jeder Abtastwert L mal wiederholt wird. Danach erfolgt eine Tiefpassfilterung durch ein FIR- Filter. Das Ausgangssignal des Rekombinationsfilters stellt den schmalbandigen Verlauf des vom Frequenzsprungsender ausgesendeten Informationssignals dar, der anschließend mit konventionellen Mitteln aufgezeichnet werden kann, auf deren Darstellung hier verzichtet werden kann.
• Die inhaltliche Erkennung der so aufgezeichneten Frequenzsprungfolgesignale ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erkennung von Frequenzsprungfolgesignalen, deren jeweilige Mittenfrequenz und Sprungfolge dem Empfänger unbekannt sind, bei dem die empfangenen Signale einem digitalen Vielkanalpeiler zugeleitet und in diesem weiter verarbeitet werden, bei dem an den Ausgängen des digitalen Vielkanalpeilers anstehende Signale in Form mindestens zweier Spektrogramme darstellbar sind und gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Spektrogramm ein Pegelspektrum in Abhängigkeit von Zeit und Frequenz und ein zweites Spektrogramm ein Winkelspektrum in Abhängigkeit von Zeit und Frequenz darstellen, dass aus diesen Spektrogrammen zunächst Frequenzsprungfolgesignale mittels geeigneter Algorithmen erkannt, klassifiziert und verfolgt werden, dass die so identifizierten Frequenzsprungfolgesignale mittels weiterer Algorithmen auf eine gemeinsame Trägerfrequenz gemischt und die so erhaltenen schmalbandigen Frequenzsprungfolgesignale gespeichert werden.

2. Verfahren zur Erkennung von Frequenzsprungfolgesignalen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung, Klassifizierung und Verfolgung der Frequenzsprungfolge mittels an sich bekannter Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgt.

3. Verfahren zur Erkennung von Frequenzsprungfolgesignalen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst im Spektrogramm ein beliebiges, als Frequenzsprungfolgesignal angenommenes Signal angesprochen und so dann die Analyse mittels der Bildverarbeitungsalgorithmen für dieses Signal erfolgt, dass die dabei ermittelten Parameter der Klassifizierung gespeichert und zur Klassifizierung nachfolgender Frequenzsprungfolgesignale benutzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Punkt eines angenommenen Frequenzsprungfolgesignals mit einem bestimmten Einfallswinkel im Spektrogramm solche Nachbarsignalpunkte, die in einem vorbestimmten Intervall um den Einfallswinkel liegen, mittels eines so genannten Region Growing Algorithmus festgelegt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die so festgelegten Signale einer Region einem Kantenglättungsalgorithmus unterworfen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen niedriger Signalpegel der Frequenzsprungfolgesignale oder im Einflussbereich starker Festfrequenzsender ein so genannter Merge-Algorithmus eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen zeitlich zusammenhängender oder überlappender Frequenzsprungfolgesignale mit ähnlicher Mittenfrequenz ein Split-Algorithmus eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorhandensein von Festfrequenzsendersignalen im interessierenden Peilwinkelbereich eine Filterung der Festfrequenzsendersignale durch Anwendung der an sich bekannten, bei der Bildbearbeitung verwendeten Hintergrundkompensation erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer so genannten Straffunktion, welche die ermittelten Parameter gewichtet, eine Klassifizierung gefundener Signalabschnitte vorgenommen wird.

10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgang einer Antenne (A) eine Reihenschaltung, bestehend aus einem digitalen Vielkanalpeiler (1), einem zur Erstellung von Winkel- und Pegelspektrogrammen eingerichteten Rechner (2), einer zur Klassifizierung und Verfolgung von Frequenzsprungfolgesignalen geeigneten Einheit (3) sowie einer im wesentlichen aus einem Rekombinationsfilter bestehenden Mischeinrichtung (4) besteht, und dass an den Ausgang der Mischeinheit (4) ein Aufzeichnungsgerät anschaltbar ist.