考試無線電作弊信號識別研究

蔡立偉，梅 芳

（國家無線電監(jiān)測中心云南監(jiān)測站，昆明 650031）

1 考試無線電作弊

近年來，伴隨科技高發(fā)展給我們帶來便利的同時，也給某些心懷不正的人以可乘之機，利用無線電進行考試作弊成為不公平考試的重要手段?，F(xiàn)階段，考試無線電作弊手段日趨先進，由原來的單純發(fā)送語音向發(fā)送文字轉(zhuǎn)變，由模擬信號開始向數(shù)字信號轉(zhuǎn)變。作弊信號發(fā)送時間更短，用于作弊的終端設(shè)備更微型化，由原來的錢包式、腰帶式，演變到現(xiàn)在的手表式、橡皮式。作弊人員變得更加專業(yè)化、團隊化，作弊成功率更高，造成的社會影響更惡劣，嚴重破壞考試公平性、公正性，給考試無線電安全保障工作帶來嚴峻挑戰(zhàn)。

面對嚴峻的無線電作弊新形勢，僅依靠人工或者半自動的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)作弊信號，不僅效率低、實時性差，容易漏掉作弊信號，而且對數(shù)字信號的判別解碼基本束手無策，所以必須由監(jiān)測設(shè)備自動工作掃描識別，才能迅速、準確地識別考試無線電作弊信號，為逼近查找發(fā)射作弊信號源爭取寶貴的時間。在考試無線電保障過程中，最關(guān)鍵的是對無線電作弊信號的識別。[1]

2 作弊信號識別原理

考試無線電識別系統(tǒng)通常在自動模式下工作，可以大大節(jié)省人工成本，提高工作效率，而且設(shè)備易攜帶、環(huán)境適應性強。

通常系統(tǒng)偵測設(shè)備為雙通道接收機，偵測設(shè)備天線接收到信號后，將信號通過功分器分成兩路：一路掃描通道負責捕獲新出現(xiàn)的信號，一路分析通道負責信號解調(diào)和解碼。信號偵測設(shè)備開機后自動采集背景信號，形成環(huán)境樣本庫；用戶也可自己設(shè)置門限，對超過門限的新信號進行重點監(jiān)測識別。偵測設(shè)備搜索到可疑信號后，發(fā)送至云服務(wù)器進行性質(zhì)判定，并將結(jié)果發(fā)回至偵測設(shè)備控制端進行顯示。如果識別的結(jié)果為作弊信號，則設(shè)備保存該頻點信號，并持續(xù)關(guān)注監(jiān)測該頻點信號。

對于新出現(xiàn)的模擬信號，則解調(diào)出音頻，通過音頻語音識別其內(nèi)容，如果內(nèi)容中包含疑似作弊關(guān)鍵字則視為作弊信號，內(nèi)容為正常則忽略；對于新出現(xiàn)的數(shù)傳信號，對其解碼出文字內(nèi)容，并進行關(guān)鍵字匹配識別，根據(jù)內(nèi)容判別其是否為作弊信號。對于判定為作弊信號的頻點，控制終端告警，突出顯示。對于自動判定不正確的信號，可將其作為“誤報信號”反饋回云服務(wù)，幫助改善自動判定的準確性，也可將此功能設(shè)為手動方式，人工判斷可疑信號是否為作弊信號。如圖1所示。

圖1 作弊信號識別原理圖

3 作弊信號識別流程與算法

通常考試無線電作弊系統(tǒng)對采集的新信號進行調(diào)制識別，將信號分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩類，然后對兩類信號進行識別，并對信號內(nèi)容進行解碼，最后判斷解碼內(nèi)容是不是作弊信號[2]。

3.1 語音信號的識別

當系統(tǒng)判別為語音信號時，首先對語音信號在云端語音識別引擎進行在線識別，將語音信號轉(zhuǎn)成文本內(nèi)容，然后對文本的關(guān)鍵字匹配并輸出識別結(jié)果。如圖2所示。

圖2 語音信號識別流程圖

（1）語音信號識別原理。語音識別是通過計算機算法對語音信號進行識別，并將其轉(zhuǎn)換為文本或者指令的技術(shù)。語音識別系統(tǒng)首先對收集到的語音信號進行預處理，預處理包含信號采樣濾波、減少個體發(fā)音差異，消除環(huán)境引起的噪聲影響等過程，預處理完成后系統(tǒng)提取語音信號特征，然后建立語音識別模板。系統(tǒng)根據(jù)對應的語音識別模型，用保存在服務(wù)器中的語音模板和預處理過的語音信號特征進行比較，按照算法設(shè)定的查詢和適應目標策略，尋找到與輸入語音匹配的最適合模板，根據(jù)匹配的模板計算出識別結(jié)果[3]。從語音識別過程可以看出，識別結(jié)果與選擇合適的語音模型有很大的關(guān)聯(lián)。語音識別系統(tǒng)構(gòu)建包括訓練和識別，把大量的音頻、語言數(shù)據(jù)庫進行信號處理和數(shù)據(jù)挖掘，從而建立系統(tǒng)的聲學模型和語言模型；識別是對接收的實時語音信號進行自動分析，通常系統(tǒng)可以自適應學習糾正聲學模型和語音模型，從而不斷提高識別系統(tǒng)準確率。如圖3所示。

圖3 語音信號識別原理圖

（2）語音識別算法。語音識別算法是語音識別技術(shù)的關(guān)鍵。語音識別系統(tǒng)聲學模型建模后，把語音輸入變化成聲學的數(shù)學函數(shù)輸出，按照統(tǒng)計學計算出語音信號的聲學概率。語言模型在聲學模型計算得到語音序列后，從系統(tǒng)的文字序列中找出概率最大的字符串序列，從而實現(xiàn)對語音信號的識別。下式為語音識別算法的經(jīng)典基本框架公式：

式中，W 代表文字序列；Y 代表語音輸入；P（Y|W）是文字序列出現(xiàn)語音的概率，代表語音識別中的聲學模型；P（W）是出現(xiàn)這個文字序列的概率，代表語音識別中的語言模型。

3.2 數(shù)字信號的識別

當系統(tǒng)判別為數(shù)字信號時，通過特征提取獲取信號的調(diào)制方式、通信體制等相關(guān)調(diào)制參數(shù)，并對其進行解碼，解碼后對內(nèi)容進行關(guān)鍵字和特征匹配，判別內(nèi)容是否為作弊信息。主要流程包括：

（1）信號預處理：包括帶通信號采樣、模數(shù)A/D 轉(zhuǎn)換、對信號進行濾波。

（2）特征提?。簭脑夹盘栔型ㄟ^變換獲取信號特征參數(shù)。通常采用循環(huán)譜、高階統(tǒng)計量和小波變換等方法對數(shù)字調(diào)信號進行特征提取[4]。

（3）分類識別：特征提取后對信號進行分類識別，選擇判決方法和分類器結(jié)構(gòu)對識別結(jié)果影響很大。現(xiàn)如今主流的信號調(diào)制方式分類采用決策理論方法或基于統(tǒng)計模式方法，通常使用統(tǒng)計模式方法較多[5]。

（4）解碼：信號調(diào)制方式識別完成后，需要相應的解碼器或者解碼算法實現(xiàn)對信號進行解碼，解碼出信號內(nèi)容。

（5）關(guān)鍵字匹配：對解碼后的內(nèi)容進行關(guān)鍵字匹配識別，根據(jù)作弊信息特征判別作弊信號。作弊信號通常為A，B，C，D 或者1，2，3，4 等報送內(nèi)容，具有明顯的特征，可根據(jù)這個特征進行判別。

圖4 數(shù)字信號調(diào)制方式識別流程

4 常見的作弊設(shè)備與信號類型

市場上作弊設(shè)備層出不窮，對從圖5可以看出現(xiàn)階段常見的作弊設(shè)備型號主要是NF6、云六、TTO、南極光、Sunlips、云八、TK 等。圖6、圖7是現(xiàn)階段在考試保障中發(fā)現(xiàn)的典型作弊信號頻譜圖，作弊信號主要調(diào)制方式是2FSK 和LORA 信號。隨著技術(shù)發(fā)展，作弊設(shè)備發(fā)送的作弊信號頻段、信號類型也會變化，需不斷對作弊信號偵測識別系統(tǒng)進行迭代升級。

圖5 主流作弊設(shè)備頻段分布及調(diào)制方式

圖6 2FSK調(diào)制作弊信號頻譜圖

圖7 LORA調(diào)制作弊信號頻譜圖

5 結(jié)束語

本文根據(jù)對各大廠商考試無線電作弊信號的監(jiān)測采集、信號識別、解碼等工作流程進行研究，闡述了作弊信號識別原理相關(guān)的技術(shù)算法，對掌握和研究無線電作弊信號識別方法有一定參考價值。面對技術(shù)不斷發(fā)展的作弊信號，需要不斷改進和升級考試無線電偵測系統(tǒng)的識別算法。