信號(hào)分析及識(shí)別技術(shù)在無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王 婷

（山西省運(yùn)城市無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)站，山西 運(yùn)城 044000）

0 引 言

現(xiàn)代通信技術(shù)飛速發(fā)展，生活習(xí)慣也在改變，無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的特征和電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜。作為通信信號(hào)處理的重要課題，信號(hào)分析及識(shí)別技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通信工程，成為信號(hào)處理的一個(gè)重要發(fā)展方向。在無(wú)線(xiàn)電頻譜管理中，信號(hào)分析及識(shí)別技術(shù)廣泛應(yīng)用于信號(hào)認(rèn)證、干擾識(shí)別、無(wú)線(xiàn)電信號(hào)偵聽(tīng)與監(jiān)測(cè)以及認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電等領(lǐng)域。當(dāng)前面對(duì)日益復(fù)雜多變的電磁環(huán)境和無(wú)線(xiàn)電信號(hào)特征，研究人員需要致力于用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和識(shí)別技術(shù)提高無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的識(shí)別效率和準(zhǔn)確率。因此，研究這些技術(shù)在無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)的內(nèi)容

無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)是無(wú)線(xiàn)電頻譜管理的重要組成部分。無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)在頻率規(guī)劃、頻率指配、電磁環(huán)境測(cè)試、無(wú)線(xiàn)電臺(tái)站的設(shè)置規(guī)劃、無(wú)線(xiàn)電臺(tái)站的監(jiān)督管理、無(wú)線(xiàn)電干擾的查處以及保障無(wú)線(xiàn)電通信安全等方面，提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)是指應(yīng)用一定的技術(shù)手段和無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)設(shè)施，對(duì)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)站發(fā)射的基本參數(shù)如頻率、場(chǎng)強(qiáng)、帶寬研究調(diào)制等[1]指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量，監(jiān)聽(tīng)聲音信號(hào)，識(shí)別發(fā)射標(biāo)識(shí)，統(tǒng)計(jì)無(wú)線(xiàn)電頻譜的利用率和頻段占用度，詳細(xì)掌握無(wú)線(xiàn)電頻譜資源發(fā)射占用情況，從而確保無(wú)線(xiàn)電頻譜資源合理、有效的使用。同時(shí)，監(jiān)測(cè)排查無(wú)線(xiàn)電干擾，查處非法無(wú)線(xiàn)電臺(tái)，確保無(wú)線(xiàn)電通信安全暢通。監(jiān)測(cè)工作需要結(jié)合信號(hào)搜索工作、信號(hào)捕獲工作、信號(hào)分析工作和識(shí)別工作一起進(jìn)行，還需要保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確度和準(zhǔn)確度，做好參數(shù)記錄和存儲(chǔ)分析工作。因此，系統(tǒng)識(shí)別研究獲取的通信信號(hào)，對(duì)無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 信號(hào)分析及識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用

信號(hào)分析及識(shí)別技術(shù)在頻譜管理、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電和軍事通信等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在頻譜管理方面，信號(hào)的分析識(shí)別是做好無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)和加強(qiáng)頻段資源管理的重要技術(shù)手段。近年來(lái)，隨著無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)電被應(yīng)用到人們生活的方方面面，使得無(wú)線(xiàn)電頻譜資源日益緊張。在對(duì)緊缺的無(wú)線(xiàn)電頻譜資源管理過(guò)程中，常常需要監(jiān)測(cè)識(shí)別捕獲的各類(lèi)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，發(fā)現(xiàn)和查處非法無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，防止頻譜資源被非法占用，確保無(wú)線(xiàn)電通信的安全暢通。所以，在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電具有智能感知無(wú)線(xiàn)電頻譜環(huán)境和有效利用頻譜資源的特點(diǎn)，對(duì)信號(hào)接收機(jī)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力提出了很高要求。因此，確定未知信號(hào)的調(diào)制方式是認(rèn)知周期順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。在軍事通信方面，通信信號(hào)的分析與識(shí)別顯得尤為重要。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，戰(zhàn)場(chǎng)信息的傳輸主要依靠無(wú)線(xiàn)電通信。通信信號(hào)偵察是電子戰(zhàn)的重要組成部分，而信號(hào)分析及識(shí)別技術(shù)是信號(hào)偵察的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 信號(hào)分析及識(shí)別技術(shù)在無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在無(wú)線(xiàn)電通信中，信號(hào)分析及識(shí)別技術(shù)是介于信號(hào)檢測(cè)與解調(diào)之間的一項(xiàng)技術(shù)。信號(hào)分析及識(shí)別技術(shù)的主要目的是通過(guò)更好的分析方法獲得更準(zhǔn)確的信號(hào)特征，從而獲得更好的識(shí)別性能。它主要工作在非合作通信環(huán)境中，可用于民用和軍用。在民用方面，在無(wú)線(xiàn)電管理部門(mén)無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)工作中，需要用到信號(hào)分析及識(shí)別技術(shù)捕獲識(shí)別非法無(wú)線(xiàn)電信號(hào)；在軍事方面，為了獲得信息，需要知道信號(hào)的調(diào)制方式和調(diào)制參數(shù)，才能正確解調(diào)信號(hào)[2]。

3.1 信號(hào)調(diào)制識(shí)別在無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

無(wú)線(xiàn)電信號(hào)調(diào)制識(shí)別的主要目的是在沒(méi)有其他先驗(yàn)知識(shí)的情況下，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的一系列處理，正確判斷信號(hào)的調(diào)制方式，并估計(jì)出相應(yīng)的調(diào)制參數(shù)。對(duì)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)進(jìn)行識(shí)別工作，需要關(guān)注的核心問(wèn)題是信號(hào)調(diào)制工作。該工作可以改變無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的頻率，使其頻率與信道頻率相一致，方便信號(hào)加載工作的進(jìn)行。狹義上來(lái)說(shuō)，當(dāng)完成信號(hào)載波的處理和改變工作后，就完成了信號(hào)調(diào)制工作。調(diào)制操作與解調(diào)操作相對(duì)應(yīng)，一個(gè)是分解信號(hào)的操作，一個(gè)是整合信號(hào)的操作，屬于一組正、逆操作流程。如果對(duì)信號(hào)分別采取上述兩種操作，信號(hào)將會(huì)被還原成初始信號(hào)?；诖擞凶畲笏迫环ê湍Ｊ阶R(shí)別法兩種調(diào)制識(shí)別方法[3]。極大似然法又稱(chēng)決策論方法。在決策理論的框架下，運(yùn)用概率論和符合假設(shè)檢驗(yàn)理論分析信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，導(dǎo)出檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，再利用判決準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)調(diào)制模式的自動(dòng)識(shí)別。這種方法需要信號(hào)的一些先驗(yàn)信息，而實(shí)際中信號(hào)信息往往不可知，因此很容易可以發(fā)現(xiàn)該方法的缺陷，即計(jì)算量大且不適合海量信息數(shù)據(jù)的處理。模式識(shí)別方法的主要操作則是信號(hào)特征處理。首先高效提取特征，其次分類(lèi)整合提取的特征，最后計(jì)算特征的差異性表現(xiàn)參數(shù)，達(dá)到調(diào)制識(shí)別的效果。由于這種方法不需要一定的假設(shè)條件，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的盲識(shí)別，比較適于截獲信號(hào)的處理。因此，在實(shí)際的調(diào)制識(shí)別中，多采用這種方法[4]。

3.2 模式識(shí)別技術(shù)在無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

模式識(shí)別技術(shù)是信號(hào)分析及識(shí)別技術(shù)的重要組成成分。信號(hào)識(shí)別可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)，所以可以通過(guò)分析模式識(shí)別技術(shù)分析無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)的相關(guān)技術(shù)。該技術(shù)涉及3個(gè)主要應(yīng)用階段。第1階段，技術(shù)人員需要應(yīng)用該技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理操作。預(yù)處理的作用在于可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)分類(lèi)的功能，從而減輕算法的計(jì)算量，以便后續(xù)的信號(hào)特征處理。經(jīng)過(guò)該步驟的處理，信號(hào)特征提取變得容易，為信號(hào)識(shí)別工作打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。第2階段，特征提取，是模式識(shí)別的關(guān)鍵階段。特征提取的精確度和準(zhǔn)確度很大程度上影響識(shí)別工作的質(zhì)量。信號(hào)特征可以分為時(shí)域特征和頻域特征。經(jīng)過(guò)上一步的分塊處理后，分區(qū)域的部分信號(hào)可以根據(jù)不同的特征評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行特征提取。這兩種特征評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的劃分主要是依據(jù)它們包含的參數(shù)內(nèi)容不同進(jìn)行的。相位、振幅研究頻率等參數(shù)屬于時(shí)域特征，功率譜等其他參數(shù)屬于頻域特征[5]。第3階段，可實(shí)現(xiàn)特征分類(lèi)選擇和識(shí)別。技術(shù)人員做好特征提取工作后，需要借助分類(lèi)器對(duì)特征進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)自己的需求將分類(lèi)好的信息進(jìn)行定向選取，最終達(dá)到特征識(shí)別的效果。該步驟的核心在于分類(lèi)器的選擇。如今流行的分類(lèi)器主要包括統(tǒng)計(jì)分類(lèi)器、BP分類(lèi)器以及貝葉斯分類(lèi)器等。這些分類(lèi)器經(jīng)歷許多實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，都是切實(shí)可行的方法。這些分類(lèi)器的分類(lèi)依據(jù)不同，如BP分類(lèi)器采取的是函數(shù)擬合方法，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。例如，線(xiàn)性分類(lèi)器采取的是線(xiàn)性函數(shù)，適用于一定的場(chǎng)景，具備自身優(yōu)勢(shì)。

3.3 數(shù)字信號(hào)分析在無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

基于數(shù)字信號(hào)分析的數(shù)字無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分析與識(shí)別功能。該系統(tǒng)是從模擬信號(hào)系統(tǒng)演變而來(lái)的，是基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的系統(tǒng)。采集信號(hào)時(shí)可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)信號(hào)的效率高。技術(shù)人員可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的重新整合，對(duì)受到破壞的信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)一定的還原操作，減少信號(hào)噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)其再生和復(fù)原。信號(hào)采樣環(huán)節(jié)依賴(lài)于采樣法則，確保原始信號(hào)不失真，且應(yīng)用領(lǐng)域是基帶信號(hào)[6]。數(shù)字無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最主要的功能在于信號(hào)分析。信號(hào)分析技術(shù)主要包括頻譜分析、時(shí)頻分析和參數(shù)分析等。針對(duì)頻譜分析技術(shù)來(lái)說(shuō)，技術(shù)涉及的算法為FFT、DFT等。因?yàn)轭l譜管理工作是無(wú)線(xiàn)電管理工作的核心，所以頻譜分析至關(guān)重要，可以作為一種工具為無(wú)線(xiàn)電分析提供幫助。應(yīng)用該技術(shù)存在一些問(wèn)題與難點(diǎn)，如信號(hào)加窗導(dǎo)致的能量損失問(wèn)題、譜估計(jì)扭曲問(wèn)題等。技術(shù)人員需要根據(jù)自身的知識(shí)儲(chǔ)備，解決好頻譜管理過(guò)程中遇上的問(wèn)題，提高分析準(zhǔn)確率。針對(duì)時(shí)頻分析技術(shù)來(lái)說(shuō)，技術(shù)涉及的算法主要是STFT算法。該技術(shù)主要針對(duì)頻譜分析技術(shù)的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，解決它無(wú)法解決的問(wèn)題，如分析信號(hào)頻率的規(guī)律、提供更多信號(hào)分析數(shù)據(jù)等。該技術(shù)可以應(yīng)用在ASK和FSK調(diào)制的信號(hào)上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)識(shí)別的功能。無(wú)線(xiàn)電參數(shù)分析技術(shù)主要涉及的參數(shù)有瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率等。該技術(shù)的功能在于獲取信號(hào)特征與識(shí)別信號(hào)類(lèi)型，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量和解調(diào)識(shí)別的任務(wù)，如信號(hào)采樣與處理[7]。信號(hào)分析與信號(hào)識(shí)別過(guò)程中還涉及信息分離技術(shù)，主要包括循環(huán)譜技術(shù)和ICA技術(shù)。通過(guò)采取這些技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜信號(hào)的分離，方便信號(hào)分析與信號(hào)識(shí)別工作順利進(jìn)行。

4 結(jié) 論

無(wú)線(xiàn)電處理技術(shù)對(duì)于人們的生活生產(chǎn)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，可以應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域等。雖然在無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)的實(shí)踐過(guò)程中會(huì)遇上一些困難，但是人們可以采取多種措施快速解決這些困難，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析與信號(hào)識(shí)別，并且能夠?qū)崿F(xiàn)資源的合理應(yīng)用和信息的高效傳輸。所以，需要認(rèn)識(shí)到信號(hào)識(shí)別的重要作用，做好信號(hào)分析及識(shí)別技術(shù)的研究工作，把研究的重點(diǎn)從單一信號(hào)源發(fā)展成為多種復(fù)雜信號(hào)的混合識(shí)別。