射電天文臺(tái)址常駐電磁干擾檢測(cè)與識(shí)別方法*

蔡明輝 劉 奇 王 玥 蘇曉明 黨振偉 張國福

(1中國科學(xué)院新疆天文臺(tái) 烏魯木齊 830011)(2新疆微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011)

1 引言

大口徑射電望遠(yuǎn)鏡具有極高的靈敏度和很寬的工作頻率范圍，因此觀測(cè)時(shí)極易受到臺(tái)址內(nèi)外各類電磁信號(hào)的干擾，這些干擾主要來自人類生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的各類無線電信號(hào).國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)所屬的無線電通信部門協(xié)調(diào)全球的無線電頻譜資源，在建議框架中制訂了頻率分配和運(yùn)行規(guī)則的綜合清單，包括電臺(tái)允許的廣播頻段和功率、射電天文受保護(hù)的頻段等.國際電聯(lián)只為射電天文業(yè)務(wù)(Radio Astronomy Service，RAS)分配了非常有限的頻譜資源.實(shí)際工作中，天文學(xué)家對(duì)寬帶接收和記錄數(shù)據(jù)的需求不斷提升，于是RAS系統(tǒng)的工作帶寬不斷增加，而且射電天文業(yè)務(wù)是一種被動(dòng)(接收)業(yè)務(wù)，很容易受到調(diào)頻廣播(Frequency Modulation，F(xiàn)M)、電視信號(hào)(TV)、公眾移動(dòng)通信(Mobile Global System for Mobile Communications，如Mobile GSM、Mobile Code Division Multiple Access(Mobile CDMA)、Mobile Long Term Evolution(Mobile LTE))、衛(wèi)星定位系統(tǒng)(如Global Positioning System，GPS)和飛機(jī)導(dǎo)航通訊(如Inmarsat)等主動(dòng)(發(fā)射)業(yè)務(wù)的影響，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)質(zhì)量的降低[1-2].表1列舉了主要的射頻干擾(Radio Frequency Interference，RFI)來源.

表1 低頻射電天文觀測(cè)中部分主要RFI來源Table 1 Part of the main sources of RFI contamination at low radio frequencies

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡受到的電磁干擾開展了深入研究，Waterman[3]討論了影響射電望遠(yuǎn)鏡工作的各種電磁干擾源，其中衛(wèi)星傳輸、電視發(fā)射塔、移動(dòng)通信基站是影響射電觀測(cè)最主要的射頻干擾源，在實(shí)際射電天文觀測(cè)過程中這些干擾信號(hào)使得干涉儀接收機(jī)安全飽和.大多數(shù)情況下，這些無線電設(shè)備的帶外和雜散輻射超標(biāo)是引起干擾的主要原因[4].Bolli等人分別采用了固定和移動(dòng)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)撒丁島射電望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址附近的電磁干擾進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，提出適當(dāng)?shù)倪B續(xù)性射頻干擾監(jiān)測(cè)對(duì)于確保射電望遠(yuǎn)鏡的正常運(yùn)行至關(guān)重要:在分配給RAS的頻段內(nèi)發(fā)生的射頻干擾，必須連同(實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的)有害性向國家無線電管理部門報(bào)告;根據(jù)對(duì)特定時(shí)間(如夜間或周末)預(yù)期“無干擾”的統(tǒng)計(jì)性評(píng)估，動(dòng)態(tài)安排射電天文觀測(cè)[5].在電磁干擾信號(hào)識(shí)別方面，王利云等人通過將頻譜中的信號(hào)與歷史信號(hào)進(jìn)行相似性分析，判斷是否為同一信號(hào)[6].但當(dāng)歷史信號(hào)未發(fā)射，但其信號(hào)頻段被其他信號(hào)占用，例如與原信號(hào)調(diào)制方式一致的新發(fā)信號(hào)或其他信號(hào)的諧波、互調(diào)等，僅通過對(duì)信號(hào)包絡(luò)的相關(guān)性計(jì)算判斷兩個(gè)信號(hào)是否為同一信號(hào)會(huì)造成誤判.

綜上所述，良好的無線電環(huán)境是射電天文觀測(cè)科學(xué)產(chǎn)出的重要保證，為確保對(duì)望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址各類電磁干擾的有效監(jiān)測(cè)，目前新疆天文臺(tái)已在110 m射電望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址(110 m Qi Tai radio Telescope，QTT)安裝部署了自動(dòng)化、高可靠性電磁環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡周邊0°-360°方位，水平極化、垂直極化電磁干擾的監(jiān)測(cè)[7-8].但在電磁干擾信號(hào)的分析判斷方面，仍需要占用技術(shù)人員較多時(shí)間與精力.

本文針對(duì)天文臺(tái)址電磁環(huán)境頻譜中的地面數(shù)字電視、公眾移動(dòng)通信等常駐大信號(hào)，提出了一種信號(hào)檢測(cè)與識(shí)別方法.首先對(duì)常駐信號(hào)的業(yè)務(wù)類型、傳播信道、調(diào)制方式進(jìn)行分析，通過信噪分離、信號(hào)能量估值從電磁環(huán)境歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取移動(dòng)通信、地面數(shù)字電視等常駐大信號(hào)的中心頻率、極化方式、來波方向等特征，經(jīng)對(duì)無線信號(hào)傳播信道的衰落方式進(jìn)行分析，提出信號(hào)能量模型服從的分布函數(shù)假設(shè)并采用K-S檢驗(yàn)驗(yàn)證該假設(shè)，合理設(shè)置能量閾值，建立信號(hào)模板庫;然后將實(shí)時(shí)頻譜數(shù)據(jù)與信號(hào)模板庫中的信號(hào)進(jìn)行雙門限能量檢測(cè)與相關(guān)性判斷，統(tǒng)計(jì)信號(hào)在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)及變化情況.經(jīng)實(shí)際測(cè)試該方法可提高常駐電磁干擾檢測(cè)與識(shí)別的準(zhǔn)確率與時(shí)效性，為望遠(yuǎn)鏡建設(shè)及運(yùn)行階段系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)、干擾緩解策略制定、臺(tái)址無線電管理提供重要依據(jù).

2 電磁環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)

在射電望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址安裝部署的自動(dòng)化電磁環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)量天線(HL033、HL050)、射頻接收模塊(RF box)、天線云臺(tái)(G5500)及控制器(Rotator controller)、升降裝置、信號(hào)分析儀(R&S FSW13)、控制計(jì)算機(jī)(PC)、直流電源(DC power supply)及射頻線纜(RF cable)、系統(tǒng)控制與監(jiān)控線(Control&monitor)、云臺(tái)控制線(Pan tilt control)、串口線(RS232)、網(wǎng)線(LAN)等組成，如圖1所示.測(cè)量天線采用對(duì)數(shù)周期天線，工作帶寬分別覆蓋100 MHz-2 GHz及2-12 GHz頻段，天線云臺(tái)滿足360°方向水平轉(zhuǎn)動(dòng)及水平、垂直極化切換需求.將信號(hào)分析儀、控制計(jì)算機(jī)、云臺(tái)控制器等安裝于屏蔽機(jī)柜(Shield cabinet)內(nèi)，避免自身電磁干擾影響測(cè)量結(jié)果[8].

圖1 測(cè)試系統(tǒng)硬件框圖[8]Fig.1 Block diagram of test system[8]

電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分是射頻接收模塊，采用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)噪聲源(Noise source 1，Noise source 2)對(duì)0.1-2 GHz和2-12 GHz微波鏈路系統(tǒng)增益和系統(tǒng)噪聲溫度進(jìn)行測(cè)量，選用性能優(yōu)異的低噪聲放大器(LNA1、LNA2、LNA3、LNA4)確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擁有較好的靈敏度，該模塊鏈路結(jié)構(gòu)如圖2所示(其中S1、S2、S3、S4、S5為射頻開關(guān)，ATT1、ATT2、ATT3為衰減器，Hpf為高通濾波器)[8].對(duì)系統(tǒng)整體性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在重點(diǎn)測(cè)試頻段100 MHz-6 GHz要求噪聲系數(shù)小于2.5 dB、系統(tǒng)增益大于40 dB、動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到-127-37 dBm即90 dB.

圖2 射頻接收模塊鏈路[8]Fig.2 RF receiver link[8]

3 常駐信號(hào)分析

經(jīng)對(duì)天文臺(tái)址電磁環(huán)境測(cè)試頻譜序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，電視發(fā)射塔、移動(dòng)通信基站、衛(wèi)星傳輸?shù)仁怯绊懮潆娪^測(cè)最主要的固定干擾源，其所發(fā)射的信號(hào)占總信號(hào)數(shù)量60%以上而且射頻特性穩(wěn)定.為了有效地對(duì)這些常駐信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別，需要對(duì)其業(yè)務(wù)類型、傳播信道進(jìn)行分析，掌握信號(hào)的發(fā)射頻率、占用帶寬、場(chǎng)強(qiáng)的變化規(guī)律等特征信息.

3.1 常駐信號(hào)業(yè)務(wù)類型

移動(dòng)通信業(yè)務(wù):3大運(yùn)營商2G、3G、4G相關(guān)業(yè)務(wù)均已覆蓋，工作頻段在800-2700 MHz范圍內(nèi)，多種制式并存，調(diào)制方式主要為高斯最小頻移鍵控、正交相移鍵控、8移相鍵控、正交幅度調(diào)制等[9].通常2G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射功率為60 W，3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射功率為40 W，4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射功率為20 W;對(duì)射電天文觀測(cè)影響較大的為2G業(yè)務(wù)，對(duì)于山區(qū)為達(dá)到信號(hào)覆蓋范圍更廣，存在增大功率發(fā)射情況.隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的加快，后續(xù)密切關(guān)注廣電與移動(dòng)共建共享的700 MHz、C波段的5G通信信號(hào)發(fā)射情況.

廣播電視業(yè)務(wù):地面電視信號(hào)頻率范圍跨度廣，通常在40-80 MHz和160-230 MHz的甚高頻以及470-960 MHz的超高頻頻帶.經(jīng)長期頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)合廣電總局于2020年發(fā)布的、關(guān)于按規(guī)劃關(guān)停地面模擬電視有關(guān)工作安排的通知，要求各地于2020年12月31日前完成關(guān)停中央、省、市、縣地面模擬電視信號(hào)工作，當(dāng)前在臺(tái)址所監(jiān)測(cè)到的電視信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)，頻段分布在400-800 MHz頻段，采用時(shí)域同步正交頻分復(fù)用技術(shù)，支持多種調(diào)制方式:64種符號(hào)、32種符號(hào)、16種符號(hào)、4種符號(hào)的正交振幅調(diào)制[9].其輻射源特點(diǎn)為功率較大，覆蓋距離遠(yuǎn)(幾十公里至幾百公里)，對(duì)射電天文低頻觀測(cè)影響較大.

衛(wèi)星通信業(yè)務(wù):頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)主要包括衛(wèi)星電話和導(dǎo)航業(yè)務(wù)，電磁干擾信號(hào)特征及影響分析如下:衛(wèi)星電話主要有海事衛(wèi)星(Inmarsat)和 歐 星(Thuraya)，工 作 頻 段1525-1559 MHz，來自120°-180°方向;銥星(Inridium)，工作頻段1610-1626.5 MHz.衛(wèi)星導(dǎo)航電磁干擾為下行通信業(yè)務(wù)，其信號(hào)特點(diǎn)為覆蓋范圍極廣，為右旋圓極化，信號(hào)來自120°--240°方向，工作頻段覆蓋1559-1604 MHz，包括美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯(Global Navigation Satellite System，GLONASS)、歐洲伽利略(GALILEO)、中國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星.

3.2 傳播信道分析

無線信號(hào)的發(fā)射功率決定了信號(hào)的電場(chǎng)強(qiáng)度，直接關(guān)系著信號(hào)的覆蓋范圍、覆蓋質(zhì)量、可靠性等，通常常駐信號(hào)的發(fā)射功率按照標(biāo)準(zhǔn)配置基本保持恒定[9-10].

信號(hào)在傳播過程中遇到山體、樹木等會(huì)產(chǎn)生反射、散射等現(xiàn)象，都會(huì)在鏈路的發(fā)射端和接收端之間形成多條傳輸路徑，而這些傳輸路徑對(duì)無線通信會(huì)造成嚴(yán)重的影響，簡(jiǎn)稱為多徑效應(yīng).經(jīng)過不同路徑到達(dá)接收端的信號(hào)具備不同的傳輸時(shí)延，相位旋轉(zhuǎn)和幅度增益，因而在接收端接收到的信號(hào)是多條路徑的復(fù)合信號(hào)，當(dāng)上述復(fù)合信號(hào)的各個(gè)多徑信號(hào)分量相抵消時(shí)，就會(huì)造成嚴(yán)重的信號(hào)衰落.

在臺(tái)址區(qū)域中無線電信號(hào)的衰落方式主要為大尺度衰落，可以分為:(1)隨著傳播距離增加導(dǎo)致信號(hào)衰減的路徑損耗;(2)由于障礙物遮擋、地形特性導(dǎo)致的電磁波陰影區(qū)域中，理想路徑損耗模型產(chǎn)生較大變化的陰影衰落.大尺度衰落現(xiàn)象可以用對(duì)數(shù)正態(tài)模型來描述，這一模型的信號(hào)幅值遵循正態(tài)分布[11-12].

3.3 信號(hào)識(shí)別

調(diào)制信號(hào)的調(diào)制樣式是區(qū)分不同通信信號(hào)的重要特征.近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)調(diào)制樣式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，處理調(diào)制類型識(shí)別問題一般采用兩種方法:判決理論法和統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別法.判決理論方法根據(jù)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，得到檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，然后與一個(gè)合適的門限進(jìn)行比較.但在實(shí)際應(yīng)用中存在識(shí)別過程中要求的參數(shù)太多，表達(dá)式計(jì)算復(fù)雜且難于處理等問題.統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別算法是從已知信號(hào)樣本中提取特征參數(shù)并給定誤差對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，該方法在低信噪比的情況下難以提取信號(hào)特征參數(shù)，識(shí)別能力低[13].

綜上所述，常駐信號(hào)的發(fā)射頻率和調(diào)制方式固定，發(fā)射功率按照標(biāo)準(zhǔn)配置基本保持恒定，傳播信道存在大尺度衰落現(xiàn)象，但信號(hào)幅值遵循正態(tài)分布.因此本文針對(duì)實(shí)時(shí)頻譜序列提出了一種常駐干擾信號(hào)檢測(cè)及識(shí)別方法，處理流程如下:首先，根據(jù)歷史頻譜數(shù)據(jù)提取信號(hào)頻率、能量、頻譜等特征信息，存儲(chǔ)于信號(hào)模板庫;然后，將實(shí)時(shí)頻譜數(shù)據(jù)與信號(hào)模板庫中的信號(hào)進(jìn)行雙門限能量檢測(cè)與相關(guān)性判斷，統(tǒng)計(jì)信號(hào)在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)址常駐干擾信號(hào)的檢測(cè)與識(shí)別.

4 信號(hào)檢測(cè)與識(shí)別方法

實(shí)現(xiàn)頻譜序列中常駐信號(hào)的檢測(cè)與識(shí)別需解決以下信號(hào)處理問題:(1)準(zhǔn)確提取監(jiān)測(cè)頻譜序列中的常駐信號(hào)頻譜，以便進(jìn)一步獲得信號(hào)特征;(2)根據(jù)信號(hào)的發(fā)射和傳播特性，獲得信號(hào)能量的分布函數(shù)，合理設(shè)定能量閾值并結(jié)合其他特征信息建立信號(hào)模板庫;(3)選取信號(hào)相關(guān)性識(shí)別方法，分析頻譜序列中干擾信號(hào)與信號(hào)模板庫中信號(hào)的相似性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頻譜序列中常駐干擾信號(hào)的快速檢測(cè)和識(shí)別.

4.1 信號(hào)提取

依據(jù)無線電頻譜監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛的頻譜噪聲統(tǒng)計(jì)法[14]及無線電業(yè)務(wù)頻率劃分[15]確定常駐信號(hào)的起始、截止頻率，進(jìn)而從頻譜序列中提取出2維頻譜信號(hào)P{f，E}，其中f表示信號(hào)頻率信息，E表示幅度信息.由于電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)依據(jù)測(cè)試頻段內(nèi)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)進(jìn)行分段測(cè)試分段存儲(chǔ)，需要將信號(hào)P與所在頻段中的存儲(chǔ)序列進(jìn)行匹配，以便提取出信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)分布和幅度信息:由于f采取等間隔采樣與存儲(chǔ)順序α成線性關(guān)系，采用簡(jiǎn)單線性回歸方程來描述:

其中，β0是截距、β1是斜率(即回歸系數(shù))、?是誤差項(xiàng).定義n為頻率點(diǎn)列表的長度，將信號(hào)P所在頻段的頻率點(diǎn)列表及次序?qū)懗删仃囆问?

4.2 信號(hào)能量閾值估計(jì)

定義信號(hào)頻譜能量:

其中i為信號(hào)樣本在頻譜中存儲(chǔ)的序列，E i為幅度采樣值，G為信號(hào)能量估值.依據(jù)一輪(在水平、垂直兩個(gè)極化下，0°-360°方位間隔60°輪巡)監(jiān)測(cè)過程中信號(hào)能量估值的最大值為信號(hào)能量值，對(duì)應(yīng)的極化及方位為該信號(hào)的極化方式、來波方向.

根據(jù)§3.2分析，常駐信號(hào)的發(fā)射功率按照標(biāo)準(zhǔn)配置基本保持恒定，信號(hào)傳播過程中衰落方式為大尺度衰落，信號(hào)能量遵循正態(tài)分布.嚴(yán)格意義上應(yīng)當(dāng)對(duì)以上假設(shè)進(jìn)行檢驗(yàn)，由于信號(hào)能量總體的分布形態(tài)未知，需要使用與總體分布統(tǒng)計(jì)無關(guān)的假設(shè)方法即非參數(shù)方法來檢驗(yàn)信號(hào)能量值是否滿足正態(tài)分布.K-S檢驗(yàn)是一種極其重要的擬合優(yōu)度非參數(shù)檢驗(yàn)方法，它利用樣本數(shù)據(jù)推斷總體是否服從某一理論分布，具體是將樣本的實(shí)際累計(jì)分布和假設(shè)的理論分布進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算兩個(gè)分布函數(shù)之間距離的最大值D.若D值在要求對(duì)應(yīng)的置信區(qū)間內(nèi)，就可以判定這個(gè)樣本服從這個(gè)假設(shè)的分布，否則認(rèn)定樣本與假設(shè)之間具有顯著性差異.

采集不同時(shí)間段內(nèi)信號(hào)能量值的多輪監(jiān)測(cè)結(jié)果，利用K-S檢驗(yàn)?zāi)芰繕颖居^測(cè)值是否近似服從正態(tài)分布，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)為:

其中Fζ(z)為信號(hào)頻譜能量值的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)，G(z)為指定的分布函數(shù).其原假設(shè):信號(hào)頻譜能量值服從正態(tài)分布.當(dāng)D＞D(ζ，δ)則拒絕原假設(shè)，否則接受原假設(shè).式中ζ、δ分別表示樣本數(shù)量及檢驗(yàn)的顯著性水平，著名的統(tǒng)計(jì)學(xué)家R.A Fisher建議δ取0.05為宜[16]，D(ζ，δ)由K-S臨界值表在指定的ζ、δ給出.

能量閾值λ1、λ2(λ1＜λ2)根據(jù)信號(hào)頻譜能量所服從的正態(tài)函數(shù)合理設(shè)定，即λ1、λ2取正態(tài)分布的某一上下分位點(diǎn).

4.3 信號(hào)模板庫建立

根據(jù)業(yè)務(wù)類型對(duì)常駐信號(hào)進(jìn)行分類，從歷史頻譜數(shù)據(jù)中提取完整的信號(hào)信息存入信號(hào)模板庫.

目前常駐信號(hào)分為地面數(shù)字電視信號(hào)、移動(dòng)通信信號(hào)、衛(wèi)星業(yè)務(wù)信號(hào)(導(dǎo)航、衛(wèi)星電話)3類.

信號(hào)特征信息包含特征信息表和數(shù)值表，特征信息表包括:信號(hào)的極化方式(Polarization)、來波方向(Azimuth)、中心頻率(Center frequency)、能量閾值(Signal Threshold);數(shù)值表為信號(hào)頻率信息及對(duì)應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值表(f&Elist).其中中心頻率為起始頻率和截止頻率的均值，極化方式、來波方向、能量閾值依據(jù)§4.2所述確定;頻率點(diǎn)及對(duì)應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值表按照§4.1中的信號(hào)提取方式獲得，為進(jìn)一步的信號(hào)相似性分析提供支撐.信號(hào)模板庫結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 常駐信號(hào)模板庫結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of resident signal template library

4.4 雙門限能量檢測(cè)

在電磁頻譜檢測(cè)方法中，能量檢測(cè)算法具有復(fù)雜度低、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，是一種可靠的盲源檢測(cè)算法，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛.雙門限能量檢測(cè)可解決信號(hào)能量值不確定的問題，提高判決結(jié)果的可靠性.雙門限能量檢測(cè)根據(jù)信號(hào)能量閾值λ1，λ2確定判決門限，然后將G與判決門限進(jìn)行比較，若λ1≤G≤λ2，則判決假設(shè)H0成立:常駐信號(hào)存在;若G＜λ1，則判決假設(shè)H1成立:信道空閑，信號(hào)不存在;若G＞λ2，則判決假設(shè)H2成立:發(fā)出能量告警，信號(hào)能量值過大，可能會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)飽和.

則能量檢測(cè)的三元假設(shè)模型為:

4.5 相關(guān)性識(shí)別

由于常駐信號(hào)的調(diào)制樣式保持不變，可以通過對(duì)信號(hào)包絡(luò)的相關(guān)性識(shí)別判決實(shí)時(shí)采樣信號(hào)與模板庫中的信號(hào)是否為同一信號(hào).皮爾遜系數(shù)廣泛用于度量?jī)蓚€(gè)變量之間的相關(guān)程度，其優(yōu)點(diǎn)在于:(1)能夠區(qū)分正相關(guān)與負(fù)相關(guān);(2)對(duì)相關(guān)程度的變化敏感.通過計(jì)算模板信號(hào)與實(shí)時(shí)頻譜信號(hào)的皮爾遜系數(shù)來判斷是否屬同一信號(hào).皮爾遜系數(shù)可表示為:

其中j為信號(hào)樣本在頻譜中存儲(chǔ)的序列，ψ、ω分別為信號(hào)樣本在頻譜中存儲(chǔ)的起始和截止次序，X j、Y j分別為信號(hào)采樣值及對(duì)應(yīng)的模板值，、分別為采樣值均值、模板值均值.

皮爾遜系數(shù)的絕對(duì)值|γ|∈[0，1]，|γ|的值越趨近于1，表明信號(hào)X與信號(hào)Y相似程度越高;|γ|的值越趨近于0，表明信號(hào)X與信號(hào)Y相似度程度越低.通過確定相似閾值，若γ大于閾值，認(rèn)為兩個(gè)信號(hào)相關(guān)，反之則不相關(guān).相關(guān)閾值的選取影響信號(hào)分析的精度，需要合理選取.

4.6 算法流程

根據(jù)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定常駐信號(hào)的起止頻率并從頻譜序列中提取出2維頻譜信號(hào).計(jì)算信號(hào)能量估值，其中的最大值為信號(hào)能量值，信號(hào)能量值的極化及方位為該常駐信號(hào)的極化方式、來波方向.根據(jù)能量值的分布函數(shù)確定信號(hào)能量閾值，結(jié)合上述信號(hào)特征建立常駐信號(hào)模板.讀取實(shí)時(shí)頻譜，將頻譜特征與信號(hào)模板庫中的特征信息表進(jìn)行匹配.首先進(jìn)行雙門限能量檢測(cè)，若頻譜信號(hào)能量低于下門限時(shí)判斷常駐信號(hào)消失(未發(fā)射)，高于上門限時(shí)發(fā)出能量告警(功率過高可能會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)飽和).當(dāng)信號(hào)能量在能量閾值范圍內(nèi)時(shí)對(duì)信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行相關(guān)性識(shí)別，若頻譜信號(hào)的調(diào)制樣式與模板信號(hào)一致則為常駐信號(hào)，算法流程如圖4所示.

圖4 常駐電磁干擾檢測(cè)與識(shí)別算法流程Fig.4 Algorithm flow of resident EMI detection and identification

5 實(shí)例分析

本節(jié)擬從射電天文臺(tái)址電磁環(huán)境歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取出常駐信號(hào)特征建立信號(hào)模板庫，將實(shí)時(shí)頻譜數(shù)據(jù)與模板庫中的信號(hào)特征進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)與識(shí)別為例說明本方法的科學(xué)合理性.

臺(tái)址電磁環(huán)境頻譜數(shù)據(jù)按照極化、方向的不同分頻段保存[17].經(jīng)分析某地面電視信號(hào)頻段為670-678 MHz、移動(dòng)GSM900下行信號(hào)頻段為935-954 MHz，從0.4-2 GHz頻段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取出以上信號(hào)，該頻段共有53334個(gè)頻率點(diǎn)即n=53334，結(jié)合頻段頻率點(diǎn)列表代入(2)式，得:

將電視信號(hào)、通信信號(hào)的起止頻率代入(2)式及(6)式中，則電視信號(hào)、移動(dòng)信號(hào)在頻譜中存儲(chǔ)的序列分別為9001、9002、···、9268和17834、17835、···、18468.根據(jù)(3)式計(jì)算的能量估值如表2所示(SN表示信號(hào)能量估值序列對(duì)應(yīng)G1，···，G12;POL表示接收天線的水平和垂直極化分別對(duì)應(yīng)H、V;AZ表示接收天線的指向方位對(duì)應(yīng)0°，···，300°;TV代表電視信號(hào)，COM代表移動(dòng)通信信號(hào)，NRG EST為能量估值.).

表2 不同極化和方向下的信號(hào)能量估值Table 2 Estimation of signal energy under different polarization and direction

表2中電視信號(hào)的能量值即能量估值最大值為105.33994，移動(dòng)通信信號(hào)的能量值為191.43665，對(duì)應(yīng)的極化方式、來波方向(DOA)如表3所示.

表3 電視與通信信號(hào)特征Table 3 Characteristics of energy value of TV and COM signals

選取連續(xù)4 d的歷史頻譜數(shù)據(jù)，即單一極化、單一方向下共計(jì)38組信號(hào)樣本值.再由(3)式求得電視信號(hào)、移動(dòng)信號(hào)的38組能量值如表4所示.

使用K-S檢驗(yàn)方法，在顯著性水平0.05下，表4中的地面電視信號(hào)能量近似服從均值109.9820、標(biāo)準(zhǔn)差為5.7927的正態(tài)分布;移動(dòng)通信信號(hào)能量近似服從均值197.94、標(biāo)準(zhǔn)差為5.14的正態(tài)分布.取正態(tài)分布的上0.01分位點(diǎn)、下0.01分位點(diǎn)為能量閾值的上下限，則電視信號(hào)λ1、λ2分別為96.5、123.45;移動(dòng)通信λ1、λ2分別為185.9826、209.8974.信號(hào)能量分布函數(shù)(x表示信號(hào)能量分布，F(xiàn)(x)表示信號(hào)能量分布函數(shù)，均為無量綱)如圖5和圖6所示.

表4 電視、通信信號(hào)能量值統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of energy value of TV and COM signals

圖5 電視信號(hào)能量分布函數(shù)Fig.5 Energy distribution function of TV signal

圖6 通信信號(hào)能量分布函數(shù)Fig.6 Energy distribution function of COM signal

建立信號(hào)模板庫，信號(hào)的特征信息表如表5所示(SIG表示不同的常駐信號(hào)對(duì)應(yīng)TV和COM;fc表示信號(hào)的中心頻率;Lower NRG THR和Upper NRG THR分別對(duì)應(yīng)信號(hào)能量閾值的下限和上限.)，數(shù)值表取與統(tǒng)計(jì)值均值最鄰近的頻率/場(chǎng)強(qiáng)2維數(shù)組，即電視信號(hào)取序列號(hào)20(110.0617)，移動(dòng)信號(hào)取序列號(hào)10(197.9639)所對(duì)應(yīng)的P{f，E}.

表5 電視、通信信號(hào)特征信息表Table 5 Characteristic information table of TV and COM signals

使用該方法對(duì)射電天文臺(tái)址電磁環(huán)境頻譜進(jìn)行連續(xù)一周測(cè)試統(tǒng)計(jì)，選取樣本信號(hào)一天測(cè)試值即19組能量值進(jìn)行舉例，如表6所示.

表6 電視、通信信號(hào)能量值Table 6 Energy value of TV and COM signals

常駐信號(hào)能量值均在信號(hào)模板庫能量閾值范圍內(nèi)，進(jìn)行下一步相關(guān)性識(shí)別.經(jīng)大量試驗(yàn)，信號(hào)樣本與信號(hào)模板高度相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)下限可取0.6，信號(hào)相關(guān)性如圖7和圖8所示.

圖7 電視信號(hào)相關(guān)性Fig.7 Correlation coefficient of TV signal

圖8 通信信號(hào)相關(guān)性Fig.8 Correlation coefficient of COM signal

對(duì)信號(hào)調(diào)制樣式進(jìn)行相關(guān)性識(shí)別，樣本信號(hào)19組相關(guān)系數(shù)如表7所示.相關(guān)性系數(shù)均大于0.6，判斷為常駐信號(hào)，與人工判斷吻合.

表7 電視、通信信號(hào)相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficient of TV and COM signals

對(duì)臺(tái)址內(nèi)所有常駐電磁干擾連續(xù)監(jiān)測(cè)一個(gè)月的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為:存在3個(gè)電視信號(hào)凌晨期間停發(fā)(OffTime)，其他時(shí)間持續(xù)發(fā)射(Run Time)，頻道占用度(Channel Occupancy)接近80%，如表8所示;其余電視信號(hào)、移動(dòng)通信信號(hào)及衛(wèi)星業(yè)務(wù)信號(hào)均為連續(xù)發(fā)射，頻道占用度為100%，統(tǒng)計(jì)結(jié)果與人工判斷吻合.

表8 間斷發(fā)射電視信號(hào)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 8 Statistical results of discontinuous TV signals

6 結(jié)論

為了提高射電天文臺(tái)址電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)頻譜分析的時(shí)效性，本文提出了一種常駐電磁干擾檢測(cè)與識(shí)別方法.經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該方法可提高信號(hào)判別的準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)頻譜中常駐干擾信號(hào)的自動(dòng)識(shí)別與統(tǒng)計(jì)，為臺(tái)址干擾緩解策略制定提供重要依據(jù):根據(jù)無線電寧靜區(qū)保護(hù)辦法，在無線電主管部門的牽頭下協(xié)調(diào)用頻單位產(chǎn)生干擾的發(fā)射設(shè)備，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整其發(fā)射功率，方位、俯仰角等.也可根據(jù)對(duì)特定時(shí)間(如夜間或周末)預(yù)期“無干擾”的統(tǒng)計(jì)性評(píng)估，動(dòng)態(tài)安排射電天文觀測(cè).后續(xù)工作安排:(1)隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的加快，密切關(guān)注臺(tái)址內(nèi)常駐信號(hào)的變化情況，實(shí)時(shí)更新常駐信號(hào)模板庫;(2)統(tǒng)計(jì)信號(hào)能量隨時(shí)間慢衰落的變化特征;(3)探索短時(shí)猝發(fā)干擾信號(hào)的識(shí)別方法.