無(wú)線電信號(hào)檢測(cè)方法與實(shí)現(xiàn)

陳安軍

（中電科儀器儀表有限公司，山東青島，266555）

0 引言

信號(hào)檢測(cè)是無(wú)線監(jiān)測(cè)中最基礎(chǔ)也是最重要的功能之一。其基礎(chǔ)性在于，無(wú)線監(jiān)測(cè)重要的參量和圖表，都依賴(lài)信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果。檢測(cè)結(jié)果的偏差將直接影響這些重要監(jiān)測(cè)參數(shù)的準(zhǔn)確性；其重要性在于無(wú)線電監(jiān)測(cè)的很多功能都需要利用信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果作為觸發(fā)，如信號(hào)識(shí)別、信號(hào)定向等都只有在檢測(cè)到信號(hào)存在時(shí)才執(zhí)行。但空間電磁環(huán)境往往比較復(fù)雜，信號(hào)功率可能比較小，而且密集多變，很多需要關(guān)注的突發(fā)信號(hào)往往持續(xù)時(shí)間很短甚至同時(shí)出現(xiàn)；另一方面，監(jiān)測(cè)接收機(jī)采用了高速高分辨率頻譜搜索技術(shù)，其頻譜數(shù)據(jù)流每秒多達(dá)幾千萬(wàn)個(gè)。這就需要一個(gè)在高速搜索的海量頻譜數(shù)據(jù)中快速檢測(cè)出信號(hào)的方法。

1 基于能量檢測(cè)的無(wú)線電信號(hào)檢測(cè)及參數(shù)提取方法

無(wú)線監(jiān)測(cè)中對(duì)信號(hào)的檢測(cè)需要在非合作場(chǎng)景進(jìn)行，即對(duì)目標(biāo)信號(hào)無(wú)先驗(yàn)知識(shí)，信號(hào)頻譜、波形、調(diào)制方式的等重要參數(shù)往往無(wú)法先前獲取，因此用于無(wú)線監(jiān)測(cè)的信號(hào)檢測(cè)算法最好是盲檢測(cè)算法。盲檢測(cè)算法是指，算法在不知道目標(biāo)信號(hào)參數(shù)的條件下，仍能進(jìn)行檢測(cè)。另外，信號(hào)檢測(cè)算法還應(yīng)具有良好的時(shí)間和計(jì)算復(fù)雜度。無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)普遍存在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)地理布局稀疏，監(jiān)測(cè)設(shè)備較少的現(xiàn)象。這意味著一個(gè)站點(diǎn)、一臺(tái)設(shè)備必須負(fù)擔(dān)多個(gè)頻段的監(jiān)測(cè)任務(wù)，因而只能使用復(fù)雜度較低的信號(hào)檢測(cè)算法。在信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域，時(shí)間復(fù)雜度是指算法達(dá)到一定性能所需要的采樣時(shí)長(zhǎng)，而計(jì)算復(fù)雜度是指算法的所需的基礎(chǔ)運(yùn)算次數(shù)。時(shí)間復(fù)雜度決定了監(jiān)測(cè)儀器在一個(gè)頻段上的駐留時(shí)長(zhǎng)，其值越小，接收機(jī)可以監(jiān)測(cè)的頻段就越多，掃描速度也越快，是復(fù)雜度重要的指標(biāo)。計(jì)算復(fù)雜度決定了算法對(duì)FPGA、CPU資源的消耗，直接決定了接收機(jī)設(shè)備的價(jià)格。本設(shè)計(jì)中對(duì)人工發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)的過(guò)程進(jìn)行了深入的分析，提取人工發(fā)現(xiàn)信號(hào)的關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于能量檢測(cè)算法，通過(guò)該算法實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)信號(hào)檢測(cè)。

能量檢測(cè)(Energy Detection)是最基本的信號(hào)檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,算法復(fù)雜度低,是實(shí)際監(jiān)測(cè)中最常用的信號(hào)檢測(cè)算法。其基本思想是當(dāng)信號(hào)存在時(shí),接收到的采樣序列為噪聲和信號(hào)的疊加,其能量會(huì)比只有環(huán)境噪聲時(shí)強(qiáng)。算法首先通過(guò)閾值（即：幅度門(mén)限）判定異常能量信號(hào)，根據(jù)無(wú)線電監(jiān)測(cè)行業(yè)人工判定信號(hào)的慣例，閾值為該頻段背景噪聲電平加5dB，只有幅度超過(guò)這個(gè)電平值頻點(diǎn)，才判定為信號(hào)。在進(jìn)行信號(hào)判定時(shí)，有一個(gè)重要的參數(shù)：峰值門(mén)限，峰值門(mén)限用于定義一個(gè)信號(hào)應(yīng)比門(mén)限或附近的零點(diǎn)高出多少，才能被判定為檢測(cè)出的有效能量。判定信號(hào)的算法是通過(guò)信號(hào)掃描頻譜數(shù)據(jù)找到峰值點(diǎn)，然后與閾值進(jìn)行比較，找出超過(guò)閾值的峰值點(diǎn)。這些峰值點(diǎn)與峰值門(mén)限進(jìn)行比較，剔除低于峰值門(mén)限的峰值點(diǎn)，合并不滿(mǎn)足峰值門(mén)限的峰值點(diǎn)。為更加形象的解釋能量檢測(cè)算法，通過(guò)圖1的一段頻譜進(jìn)行能量檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。

圖1 基于能量檢測(cè)的無(wú)線電信號(hào)檢測(cè)

設(shè)置的峰值門(mén)限為15dB，圖中幅度刻度為10dB/格。

1）這個(gè)波峰低于閾值電平，不滿(mǎn)足峰值門(mén)限。

2）這個(gè)波峰滿(mǎn)足峰值門(mén)限。

3）這個(gè)波峰滿(mǎn)足峰值門(mén)限。

4）這個(gè)波峰滿(mǎn)足峰值門(mén)限。

5）這個(gè)波峰超過(guò)閾值電平，但小于閾值電平與設(shè)定的峰值門(mén)限之和，因此不滿(mǎn)足峰值門(mén)限。

6）這個(gè)波峰滿(mǎn)足峰值門(mén)限。

7）這個(gè)波峰滿(mǎn)足峰值門(mén)限。

8）這個(gè)波峰的幅度必須比附近的零點(diǎn)高15個(gè)dB（峰值門(mén)限），顯然它沒(méi)有比旁邊的零點(diǎn)高15dB，所以它不滿(mǎn)足峰值門(mén)限。

9）由于前一個(gè)波峰不是一個(gè)可檢測(cè)的波峰，因此用于定義一個(gè)波峰的零點(diǎn)位于7與8之間。所以，這個(gè)波峰滿(mǎn)足峰值門(mén)限。

10）這個(gè)波峰雖然高于閾值電平，但小于閾值電平與設(shè)定的峰值門(mén)限之和，因此不滿(mǎn)足峰值門(mén)限。

11）由于這個(gè)波峰之上（右側(cè)）沒(méi)有零點(diǎn)，因此它不滿(mǎn)足峰值門(mén)限。

接下來(lái)對(duì)能量檢測(cè)算法找到的信號(hào)進(jìn)行參數(shù)提取，提取時(shí)使用帶寬準(zhǔn)則進(jìn)行提取。帶寬準(zhǔn)則用于計(jì)算檢測(cè)到信號(hào)的帶寬。根據(jù)無(wú)線電監(jiān)測(cè)行業(yè)慣例信號(hào)的帶寬準(zhǔn)則為6dB，整個(gè)信號(hào)參數(shù)提取過(guò)程如圖2所示。

圖2 信號(hào)參數(shù)檢測(cè)

①查找到信號(hào)的峰值后，②使用帶寬準(zhǔn)則，③計(jì)算帶寬，④根據(jù)計(jì)算的帶寬確定信號(hào)的頻率，頻率=（上邊帶+下邊帶）/2。

2 閾值計(jì)算

從能量檢測(cè)的算法中可以看出：閾值設(shè)定和計(jì)算是進(jìn)行信號(hào)能量檢測(cè)的前提和關(guān)鍵。在本設(shè)計(jì)中為了適應(yīng)不同的電磁環(huán)境，設(shè)計(jì)了三種閾值：電平閾值、環(huán)境閾值和自動(dòng)閾值。

電平閾值是最簡(jiǎn)單的一種閾值，閾值是由用戶(hù)指定的一個(gè)電平，整個(gè)掃描過(guò)程中都以該電平作為閾值來(lái)判定信號(hào)。圖1的閾值就是電平閾值。電平閾值應(yīng)用在背景噪聲起伏不大的情況下，如：?jiǎn)尾ǘ蔚念l譜監(jiān)測(cè)。

環(huán)境閾值是把對(duì)某一具體環(huán)境進(jìn)行多次測(cè)量，對(duì)每次掃描的頻譜進(jìn)行最大保持，取多次掃描最終得到的軌跡曲線+5dB(行業(yè)慣例)作為閾值。該種閾值判別方式能夠很好發(fā)現(xiàn)或區(qū)別環(huán)境中新出現(xiàn)的信號(hào)，但是需要首先進(jìn)行環(huán)境閾值的生成工作。使用該閾值方式一般是通過(guò)預(yù)先進(jìn)行環(huán)境閾值的生成，將該閾值曲線保存在信號(hào)監(jiān)測(cè)分析儀中，作為該地區(qū)的環(huán)境噪聲電平，為后繼的監(jiān)測(cè)任務(wù)提供閾值。

除上述兩種閾值外，本設(shè)計(jì)還基于平滑因子和帶寬準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)閾值。當(dāng)頻段跨越從短波到微波，本身背景噪聲電平差別比較大，而且不同波段的變頻損耗差別也能到十幾個(gè)dB的情況下，雖然可以基于環(huán)境閾值進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。但是環(huán)境閾值需要有當(dāng)前地區(qū)的環(huán)境閾值，如沒(méi)有的情況下就無(wú)法檢測(cè)，此時(shí)可以使用自動(dòng)閾值算法實(shí)現(xiàn)較小電平信號(hào)的檢測(cè)。自動(dòng)閾值算法結(jié)合了分辨率帶寬、頻寬參數(shù)和平滑因子，在高速頻譜搜索的同時(shí)，軟件根據(jù)當(dāng)前分辨率帶寬和頻寬的設(shè)置，按照帶寬準(zhǔn)則首先把每個(gè)數(shù)據(jù)段分為特定數(shù)目的門(mén)限段，對(duì)每個(gè)門(mén)限段進(jìn)行實(shí)時(shí)平均，再根據(jù)平滑因子對(duì)門(mén)限段進(jìn)行移動(dòng)平均，就可以計(jì)算出該段的一組自動(dòng)門(mén)限值。自動(dòng)門(mén)限值加上閾值余量5dB即為自動(dòng)閾值，該自動(dòng)閾值能夠?qū)崟r(shí)跟蹤電磁頻譜中噪聲的功率變化，在噪聲功率比較大，背景變化比較快的情況下，也能夠檢測(cè)出功率很小的信號(hào)，很好的解決了強(qiáng)背景噪聲中小信號(hào)檢測(cè)的問(wèn)題。自動(dòng)閾值門(mén)限算法流程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)閾值門(mén)限算法流程圖

閾值計(jì)算完后，在獲取了信號(hào)的參數(shù)后檢測(cè)到的能量頻率和帶寬值被送入能量歷史記錄前，必須按照一定的準(zhǔn)則判決這組數(shù)值是新能量還是已有能量的更新，更新或添加一組能量歷史記錄條目。

3 信號(hào)檢測(cè)流程實(shí)現(xiàn)

圖4 能量檢測(cè)流程圖

檢測(cè)時(shí)，首先以FFT步進(jìn)頻率對(duì)頻譜分段，每個(gè)數(shù)據(jù)段作為一個(gè)整體以本段采樣時(shí)間為時(shí)間戳。針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)段，應(yīng)用設(shè)定的閾值，使用能量檢測(cè)算法對(duì)數(shù)據(jù)段中的所有能量峰進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)。發(fā)現(xiàn)信號(hào)后提取信號(hào)參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的關(guān)注條件進(jìn)行能量預(yù)過(guò)濾，更新能量歷史并處理可能激發(fā)告警。當(dāng)所有數(shù)據(jù)段處理完成后，進(jìn)行能量的后過(guò)濾，通過(guò)與已知信號(hào)庫(kù)特征進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步篩選信號(hào)。在搜索循環(huán)進(jìn)行的情況下，上述流程重復(fù)進(jìn)行。能量檢測(cè)整個(gè)流程圖如圖4所示。

4 總結(jié)

本文所述的無(wú)線電信號(hào)檢測(cè)方法已應(yīng)用于某型監(jiān)測(cè)接收機(jī)中，該監(jiān)測(cè)接收機(jī)是XXJD區(qū)域電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，通過(guò)該項(xiàng)目的工程實(shí)踐應(yīng)用，充分驗(yàn)證了本文所述技術(shù)滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)監(jiān)測(cè)信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)、信號(hào)搜索引導(dǎo)、無(wú)人值守、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求。