無線電監(jiān)測中的信號處理技術應用

普洱市無線電監(jiān)測站 孟憲武

近年來，無線電設備與相關技術在我們的生產(chǎn)生活中十分常見，有效促進了信號處理與數(shù)據(jù)分析。雖無線電技術日漸進步，但隨著電磁環(huán)境的復雜化，信號干擾問題時有發(fā)生，這一情況已經(jīng)成為制約信號傳輸?shù)年P鍵因素。因此，為提高信號傳輸質量與安全，做好信號處理十分關鍵，特別是大數(shù)據(jù)時代下，有關企業(yè)必須持續(xù)創(chuàng)新信號處理技術，形成良好的通信環(huán)境?；诖?，本文重點分析了無線電監(jiān)測方面的信號處理技術，以期為實際工作提供技術指導。

進入互聯(lián)網(wǎng)時代后，我國的通信技術發(fā)展迅速，特別是無線電通信技術的應用范圍持續(xù)擴大，且在未來還有巨大的發(fā)展?jié)摿?。相較而言，無線電技術具有靈活性、便捷性，多年來我國無線電通信技術、監(jiān)測技術等發(fā)展迅速，取得了一定的成就，但同樣存在一定的發(fā)展問題，如無線頻帶擁擠、互聯(lián)不夠、抗干擾性有待提高，制約了無線電技術的發(fā)展但也為未來的發(fā)展指明了方向。為發(fā)揮無線電技術的優(yōu)勢，在各個領域的無線電監(jiān)測中需科學利用信號處理技術，以獲得可靠的信號，保障通信質量。

1 無線電監(jiān)測的內涵

無線電監(jiān)測是當前通信領域提及較多的詞匯，實際上就是在特定區(qū)域內對無線信號加以定位、捕捉、截片、識別、解調與分析的過程。在特定的區(qū)域內通過配置各種無線電設備，可采集、接收無線信號，進而將采集的信號轉換為可讀數(shù)據(jù)，達到通信目的。無線電監(jiān)測能發(fā)現(xiàn)信號傳輸中存在的干擾等異常情況，進一步提高通信質量，但無線電監(jiān)測具有專業(yè)性，涉及的技術較多，如單點頻譜技術，在通信網(wǎng)絡內應用該技術時，濾波器、能量監(jiān)測與循環(huán)頻率的應用頻次較高，但每一種都有其適用條件和優(yōu)缺點，需根據(jù)實際情況來選擇。結合大量經(jīng)驗，濾波器與硬件相關電波監(jiān)測的匹配度較高，能量監(jiān)測可檢測正在傳播的信號，循環(huán)頻譜可對降低噪聲干擾等較為有效[1]。另外，無線電監(jiān)測方面也包含多點協(xié)作技術，該項技術為單點監(jiān)測的創(chuàng)新，經(jīng)由全方位監(jiān)測可進一步檢驗監(jiān)測信號的可靠性?？傊瑹o線電監(jiān)測中的技術類型較多，為提高通信安全與質量，利用無線電技術時需注意引入多樣化、現(xiàn)代化信號處理技術，根據(jù)通信傳輸要求，使信號處理技術與通信網(wǎng)絡體系相符合，發(fā)揮各種信號處理技術的優(yōu)勢，高效、準確處理接收到的信號，最終經(jīng)由處理后的信號獲得通信數(shù)據(jù)。

2 無線電監(jiān)測方面的信號處理技術

2.1 信號調制識別技術

信號調制識別技術就是對所輸入的信號計算其瞬時參數(shù)、特征參數(shù)，根據(jù)計算結果識別信號類型或者相關信息。對信號的識別過程實際上就是計算和分析這些參數(shù)的流程。因此，調制信號的關鍵是在原有輸入信號中添加符合要求的載波，保持信號頻譜、信號傳導傳輸要求的匹配度。當處理信號時要從中提取信號瞬時特征的相關數(shù)據(jù)時，必須采用合理方法得到信號的非線性相位分量；計算信號瞬時頻率階段，差分法或者頻域法都相對適用；計算瞬時特征值時載頻為關鍵參數(shù)，可采用頻域估計法、時域估計法，得到載頻數(shù)據(jù)，時域估計法雖應用較多，但其對弱區(qū)間的信號十分敏感，易受干擾[2]。針對無線通信中的信號特征參數(shù)，相關學者提出的關鍵信號調整參數(shù)方案為信號解調的有效方式。

2.1.1 瞬時特征值提取

瞬時特征提取法在統(tǒng)計模式識別應用中的應用頻次較高，具體的操作中先提取再識別，但這兩個過程相比較，識別過程的難度大，需引入合理方式估計瞬時頻率、相位、幅值等有關參數(shù)，在此前提下選擇恰當?shù)恼{制方法調制信號。調試識別的技術要求高、操作難度大，不僅需提取特征信息，更需分類識別信號。如在實際的工作中需從大量的信號中提取出特征值，有關人員需在計算機系統(tǒng)中定義已調信號、調制信號的函數(shù)，在此前提下再依據(jù)相應的規(guī)則得到結果，最后通過希爾伯特變換得到解析信號，以此來確定信號的類型及重要性，在后續(xù)的工作中合理利用該信號[3]。

2.1.2 特征參數(shù)集

樣本分類同樣為相對重要的步驟，在此步驟中又細分為多個小步驟。為實現(xiàn)科學、合理分配，有關人員需制定規(guī)則，通過定義函數(shù)篩選得到特征信號。因為原始信號具有海量性特征，其信號中包含了許多無用信號，如未篩選這些信號，將導致運算、處理和分析的工作量較大，無法保障識別效率，而通過提取特征信號可解決這一問題，提取出特征信號后的信號總量大大減少，運算量減小，識別效果相對理想，基本可滿足實際的工作需求。

信息時代下無線電監(jiān)測方面的研究逐步增多，調制識別技術呈現(xiàn)多樣化、現(xiàn)代化特征。無論哪種調制識別技術，在實際的工作中都有多個參數(shù)，以參數(shù)差異為依托，信號可分為以下幾種：（1）零中心歸一化瞬時幅度之譜密度最大值，提取瞬時幅度值時這一參數(shù)作用突出，當?shù)玫皆摂?shù)值后，可準確識別FM 信號、FSK 信號；（2）零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量絕對值標準偏差，此數(shù)值與瞬時相位之間有著緊密的聯(lián)系，利用該值能區(qū)分ASK、2PSK 信號；（3）零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量標準偏差，可區(qū)分PSK、QAM、ASK 信號。

2.2 信號解調技術

信號解調與調制有一定聯(lián)系，從過程分析，解調為調制的逆向過程，此過程為信號接收終端負責，當在前期得到了載波信號后，以一定的算法獲取該載波信號的原始基帶信號，此過程就是解調。當前的無線電通信領域，信號解調的對象為調幅（AM）、調頻（FM）、調相，解調AM信號時，就是用調制信號精準調節(jié)載波的震蕩幅度，改變信號的波動狀態(tài)。AM 信號的解調有非相干、相干之分，但不同類型的解調方式適用于不同情況。相干解調法在全數(shù)字解調器中的應用效果良好，因為AM 信號的頻譜特殊，在已調信號進入原始信號狀態(tài)時，有相乘運算過程，低頻與高頻信號由已調信號同頻與載波信號的乘積。FM信號的解調中，因為初期信號并非為線性變化，需通過配備頻率解調器調制出線性頻率的電壓輸出。FM 本質上為角度解調，其解調過程需考慮更多方面，相位調制相對有效，但需考慮幅值與初始相位的大小及變化趨勢。

2.3 A/D 轉換

無線電監(jiān)測中的信號處理中，A/D 轉換技術也有一定的應用，以軟件無線電為例，由于其接收的為射頻信號，該信號經(jīng)由射頻前端處理后形成寬帶中頻信號，由于現(xiàn)有的技術存在一定的局限性，單純利用中頻對模擬射頻信號實施量化。A/D 轉換技術下，為達到最佳的轉換效果，必須使采樣速率、位數(shù)符合有關標準，信號帶寬為影響采樣速率的主要因素，一般采樣速率為帶寬的2 倍，在實際應用中，采樣速率需超過帶寬2 倍，在處理時還要考慮采樣后對數(shù)據(jù)精度的特殊規(guī)定。無線電監(jiān)測中的A/D 轉換器，雖可選擇的規(guī)格較多，但市場上的A/D 轉換器功能多樣，性能參差不齊，考慮到信號處理中的規(guī)定，所配備的轉換器應具有良好的性能，如AD 公司生產(chǎn)的AD6640，在信號傳輸中可高效處理輸入的模擬中頻信號，這一轉換器的單片結構為12 位，內部含有采樣。

2.4 正交采樣技術

在無線電監(jiān)測方面也需用到正交采樣技術，如涉及該項技術，為發(fā)揮技術優(yōu)勢，相關人員需根據(jù)技術規(guī)定將數(shù)字信號劃分為兩個分量，形成與原始信號相同的信號時將其中的一個分量乘以正弦波，下變頻到零中心頻率，另一分量乘以90°相移的正弦波。從這一信號處理過程來看，利用正交采樣技術時對采樣率并未嚴格規(guī)定，采樣負擔小，相對便捷。

2.5 多采樣數(shù)字信號處理技術

無線電監(jiān)測是一個動態(tài)化過程，為實現(xiàn)實時監(jiān)測，提升監(jiān)測效率，需構建完善的數(shù)字系統(tǒng)，以提高數(shù)字信號的采樣率。目前我國通信行業(yè)的發(fā)展迅速，結合無線電通信的技術現(xiàn)狀，帶通的采樣帶寬越寬越有助于信號處理，如能提高采樣率，就可同步增大采樣量化時的信噪比。軟件無線電系統(tǒng)的構成復雜，其中包含的構成要素較多，為保障該系統(tǒng)可靠運行，應選用高速率的帶通采樣速率設備，但很多時候這一情況難以實現(xiàn)。一個無線電信號的帶寬保持在幾十千到幾百千赫茲之間，但對信號采樣速率并無嚴苛規(guī)定，采用降速方法處理采樣數(shù)據(jù)流相對可行。

2.6 時差估計法

信號傳輸中需考慮時差因素，如能考慮這一因素，就可提高信號處理水平。從這一方面分析，無線電監(jiān)測的信號處理中也可采用時差估計法，應用這一方法時關鍵需分析時差定位，就是掌握多個無線電監(jiān)測時信號的到達時間，在到達時間差中給每個時間差繪制其雙曲線，通過尋找雙曲線的交點找到信號源、空間區(qū)域。因此，如在無線電監(jiān)測中采用時差估計法處理信號，需采用正確的方式得到信號時差的估算結果。時代發(fā)展的過程中，相關學者在信號時差估計方面展開了大量的分析，陸續(xù)出現(xiàn)了更多的方法，普通、廣義與循環(huán)的應用頻次較高。普通時差估計法為最為基礎的方式，具體的估計中直接估算輸入信號的互相關系數(shù)、抵達監(jiān)測站點的時間節(jié)點，引入極大似然得到結果；廣義的估計法從本質上來看為互相關估計，為普通估計法發(fā)展而來，在信號功率譜中添加了一個負指數(shù)比例因子進行加權處理，最大程度上減小噪聲對信號的負面干擾，在此過程中的加權可采用POTH 脈沖響應、SCOT 平滑相干變化、Eckart 濾波器等；循環(huán)相關估計下分析了信號的循環(huán)平穩(wěn)特征，通過構建函數(shù)，并利用頻譜來獲取信號時差，可選擇CCCC、SPECCORR 等方法，每種方法下的抗干擾、抗噪音能力各有不同，在應用時需結合實際情況來選擇。

2.7 NLOS 誤差識別與抑制

無線傳輸有多種渠道與形式，信號源與電波基站的視距傳輸常被稱為LOS，一旦在信號傳播過程中受到了其他建筑物或者構筑物的阻擋，電波信號僅能以非視距方式來傳播，就是NLOS。根據(jù)NLOS 的信號處理方式，其中著重分析了環(huán)境對傳播的干擾，比較NLOS 和LOS，前者有附加時延，在時差影響下，監(jiān)測人員所得到的相關數(shù)據(jù)與實際有偏差，估計的信號源位置不準，定位精度不高。信號傳輸過程中NLOS 現(xiàn)象是比較常見又很難完全杜絕的，如要徹底避免這一情況，需識別、誤差抑制信號傳輸誤差，在當前無線電監(jiān)測方面，這是一個熱點議題。

無線電監(jiān)測中的NLOS 誤差識別中，Wylie 方法較為有效，規(guī)范應用這一方法可獲得理想的識別結果。在采用Wylie 進行NLOS 誤差識別時，每一TOS 值都與以往監(jiān)測時間有緊密聯(lián)系，但這一測量值不僅需要關注這一方面，還需要同步考慮噪聲標準差、殘差分析值，結合組中結果驗證信號測量值是否有NLOS 誤差。但利用Wylie有必要條件，就是TOA 測量樣本標準差必須超過LOS 情景標準下測量的數(shù)據(jù)標準差，通過對比樣本標準差、數(shù)據(jù)標準差，即可知道信號是否出現(xiàn)了NLOS 誤差。當然，信號處理中識別NLOS 誤差時不僅局限于Wylie 方法上，包絡法的應用頻次也相對較高，如有NLOS 誤差，信號在短時間內存在較大損失，通過包絡法能有效判定信號的非視距損耗情況，但為保障判定結果的合理性，應判定信號數(shù)據(jù)是否存在調幅處理過程，如有調幅處理過程，不宜采用這一方式，與此同時，如信號中某條信號強于其他信號，得到的識別結果將有較大誤差。殘差分析法在識別NLOS方面也較為常用，對比信號時差測量值與信號源估計位置的殘差，就可判定信號是否有NLOS，這一判定方式下要獲得相對準確的判定結果，重點要關注MS 位置，根據(jù)經(jīng)驗，與MS 的真實位置越接近越好，但在實際的工作中，因為該數(shù)值并非一個固定值，為此，需通過假定模擬的方式來推導，推導時若明顯違背事實依據(jù)或客觀規(guī)律再考慮MS 的其他情形。無線電監(jiān)測中如MS 中少數(shù)的BS存在NLOS 誤差時，殘差分析結果相對可靠。

為控制信號傳輸中的NLOS 誤差，在信號傳輸或者監(jiān)測中應采用誤差抑制法。當前的通信領域，NLOS 誤差抑制法相對較多，但在原先的條件下，因為技術發(fā)展尚不成熟，習慣采用視距重構平滑法，根據(jù)NLOS 誤差的產(chǎn)生過程，抑制NLOS 誤差的關鍵就是大大減小視距損耗，因此，視距重構法為利用平滑指數(shù)減小電波波動數(shù)據(jù)方差的方式，在利用該方式時，應綜合多種因素粗略估計信號源位置，隨后在相應的公式下重構視距，得到的信號時差與實際的測量值相接近，但此時的數(shù)據(jù)方差較大，為解決這一問題，可對這些數(shù)據(jù)實施經(jīng)驗性處理，如為靜態(tài)信號源直接選均值，動態(tài)信號源條件下利用Kalam 濾波法對數(shù)據(jù)實施平滑處理。目前的通信技術發(fā)展迅速，在信號處理方面展開了大量的研究也取得了一定的成果，個別專家提出了全新的抑制NLOS 誤差方式，根據(jù)視距重構法的視距重構過程，NLOS 誤差為信號誤差中兩個服從正態(tài)分布誤差均值的差數(shù)，此數(shù)值與MS、BS 都存在一定的內在關聯(lián)，為此，依據(jù)這一數(shù)值可判定無線電主站或者輔助站是否受到了NLOS 誤差的干擾、干擾程度如何[4]。信號時差有正偏與負偏兩種，如在信號處理中將這一偏差修正到零點位置，就可減小NLOS 對信號的干擾。

3 結語

無線通信技術已廣泛應用到了方方面面，在很多工作中做好無線電監(jiān)測十分關鍵，對保障通信安全與質量具有重要的意義。信號處理作為無線電監(jiān)測中的重點任務，在當前及未來的發(fā)展中相關人員還需持續(xù)創(chuàng)新信號處理技術，解決信號處理中干擾源較多等問題。

引用

[1] 王媛斌.基于FastICA算法的網(wǎng)絡入侵異常信號檢測系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術,2021,44(09):88-91.

[2] 涂建,董增虎.超寬帶無線電監(jiān)測接收機快速掃描的FPGA實現(xiàn)[J].通信技術,2021,54(07):1780-1785.

[3] 黃銘,楊晶晶,魯倩南,等.無線電監(jiān)測研究現(xiàn)狀與展望[J].無線通信,2021,11(03):61-75.

[4] 劉冕,胡一皓,王晉陽,等.星載天海中繼通信載荷信號處理單元實現(xiàn)[J].無線電工程,2021,52(10):1887-1894.