徐國強(qiáng)，韓仿仿

（國家無線電監(jiān)測中心烏魯木齊監(jiān)測站，烏魯木齊 830054）

短波信號錄音存儲注意事項(xiàng)

徐國強(qiáng)，韓仿仿

（國家無線電監(jiān)測中心烏魯木齊監(jiān)測站，烏魯木齊 830054）

短波信號的分析和識別是通信偵查和無線電監(jiān)測管理的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在日常監(jiān)測中，無法實(shí)現(xiàn)信號的在線分析時，需對信號采集存儲以進(jìn)行人工分析。本文對日常監(jiān)測工作中離線信號音頻文件存儲中遇到的問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并根據(jù)分析結(jié)果總結(jié)了一些相關(guān)的工作經(jīng)驗(yàn)，并詳細(xì)說明了將信號存儲為音頻文件的參數(shù)設(shè)置方法及記錄條件等，為信號的音頻文件存儲提供有效參考。

信號采集與存儲；信號分析；解調(diào)方式

1 引言

短波信號的分析和識別是通信偵查和無線電監(jiān)測管理的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在日常監(jiān)測中，由于一些信號發(fā)射不規(guī)律、發(fā)射時長較短或設(shè)備在線自動識別能力不足，導(dǎo)致無法在線自動識別信號時，需要對信號采集存儲以進(jìn)行離線分析。參照ITU-RSM1600建議書，目前信號的存儲主要有信號IQ數(shù)據(jù)存儲和信號音頻存儲兩種方式。由于不同設(shè)備IQ數(shù)據(jù)的存儲格式不兼容，IQ數(shù)據(jù)存儲量較大，能采集IQ數(shù)據(jù)的設(shè)備有限，而很多信號分析軟件均支持對信號音頻文件的分析，所以在日常監(jiān)測工作中常將信號存儲為音頻格式。對信號音頻采集的過程就是在接收機(jī)接收端對解調(diào)信號的時域波形進(jìn)行采樣和存儲的過程。實(shí)際工作中，發(fā)現(xiàn)信號解調(diào)方式及解調(diào)頻點(diǎn)的設(shè)置等因素，均會對信號的采集產(chǎn)生一定的影響，存儲方法不當(dāng)會導(dǎo)致信號的信息存儲不完整，從而無法進(jìn)一步的分析和恢復(fù)數(shù)據(jù)。通過認(rèn)真研究和多次試驗(yàn)，我們找出了相關(guān)的原因并總結(jié)了一些信號錄音時應(yīng)注意的事項(xiàng)，下面詳細(xì)探討。

2 監(jiān)測工作中遇到的問題

目前，接收機(jī)主要有AM，F(xiàn)M，USB，LSB，CW等幾種模擬解調(diào)方式。由于信號的音頻格式存儲是針對信號采用接收機(jī)的上述解調(diào)方式中的一種解調(diào)后再進(jìn)行采樣和存儲的，因此，解調(diào)頻點(diǎn)和解調(diào)方法的選擇對保持信號頻譜結(jié)構(gòu)的完整性起著至關(guān)重要的作用。在實(shí)際工作中，我們發(fā)現(xiàn)利用E3238S接收機(jī)的AM解調(diào)方式存儲的FSK信號音頻文件，無法通過信號分析軟件對該信號進(jìn)行分析。隨后又利用USB解調(diào)方式對FSK信號錄音，并用CoolEdit軟件觀察這兩種解調(diào)方式下存儲的信號的時頻圖如圖1、圖2所示。

圖1 USB解調(diào)方式下FSK錄音文件的時頻圖

圖2 AM解調(diào)方式下FSK錄音文件的時頻圖

該信號的載頻為11 470kHz，通過圖1可較容易地判斷出該信號為2FSK信號，而圖2中信號的頻譜結(jié)構(gòu)不完整，無法判斷信號相關(guān)特征。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用該接收機(jī)的AM解調(diào)方式存儲其他信號的音頻文件后，利用信號分析軟件分析時也會出現(xiàn)上述的信號頻譜結(jié)構(gòu)存儲不完整的現(xiàn)象。

3 問題的分析

通過查閱資料和詢問設(shè)備廠商，我們分析之所以會出現(xiàn)上述問題是由于實(shí)際中AM信號的解調(diào)器幾乎都采用包絡(luò)檢波器。E3238S接收機(jī)的AM和USB的解調(diào)方式的實(shí)現(xiàn)方法不同，AM解調(diào)方式采用的是包絡(luò)檢波法，USB的解調(diào)方式采用的是相干解調(diào)法。下面以調(diào)幅信號為例對兩種解調(diào)方法進(jìn)行具體說明。

相干解調(diào)是將已調(diào)信號的頻譜搬回到原點(diǎn)位置，即可得到原始的調(diào)制信號頻譜，從而恢復(fù)出原始信號。解調(diào)中的頻譜搬移同樣可用調(diào)制時的相乘運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。相干解調(diào)原理如圖3所示。

圖3 AM相干解調(diào)原理框圖

將已調(diào)制信號乘上一個與調(diào)制器同頻同相的載波，得

由上式可知，只要用一個低通濾波器（LPF），就可以將第1項(xiàng)與第2項(xiàng)分離，無失真的恢復(fù)出原始的調(diào)制信號，即

將一段時間長度的高頻信號的峰值點(diǎn)連線，就可以得到上方（正的）一條線和下方（負(fù)的）一條線，這兩條線就叫包絡(luò)線。包絡(luò)線就是反映高頻信號幅度變化的曲線。當(dāng)用一個低頻信號對一個高頻信號進(jìn)行幅度調(diào)制（即調(diào)幅）時，低頻信號就成了高頻信號的包絡(luò)線。從調(diào)幅信號中將低頻信號解調(diào)出來的過程，就叫做包絡(luò)檢波。也就是說，包絡(luò)檢波是幅度檢波。由于AM信號波形的包絡(luò)與輸入基帶信號成正比，故可以用包絡(luò)檢波的方法恢復(fù)原始調(diào)制信號。包絡(luò)檢波器電路如圖4所示。

圖4 包絡(luò)檢波器電路及其輸出波形

包絡(luò)檢波解調(diào)效率高，解調(diào)器輸出近似為相干解調(diào)的2倍；解調(diào)電路簡單，特別是接收端不需要與發(fā)送端同頻同相位的載波信號，大大降低實(shí)現(xiàn)難度。實(shí)際中，AM信號的解調(diào)器幾乎都采用包絡(luò)檢波器。

由上可知，采用包絡(luò)檢波方法，僅僅恢復(fù)的是調(diào)幅信號的包絡(luò)信息，不能完整的恢復(fù)非調(diào)幅信號的完整信息，而采用相干解調(diào)方法，可以比較完整地恢復(fù)出信號的波形，圖5為分別利用AM和USB解調(diào)方式對廣播信號解調(diào)后的頻譜圖，能夠很好地說明這個問題。圖5左邊是用接收機(jī)在AM解調(diào)方式下對某調(diào)幅廣播信號錄音并用LG118軟件讀取錄音文件后顯示的頻譜圖，右邊是在USB解調(diào)方式下對同一調(diào)幅廣播信號錄音并用LG118軟件讀取錄音文件后顯示的頻譜圖，可以看出左邊信號的頻譜不完整，通過頻譜無法判斷這個信號是廣播信號，而右邊信號的頻譜卻很完整，可以很明顯判斷出這個信號為廣播信號。

圖5 AM和USB解調(diào)方式對廣播信號錄音后恢復(fù)出的頻譜圖對比

4 信號的音頻存儲要求

4.1 接收機(jī)解調(diào)方式設(shè)置

無論采用何種方式對信號進(jìn)行采集和存儲，前提是要比較完整地保留信號的幅度、相位和頻率等信息，以確保能夠?qū)π盘栠M(jìn)行恢復(fù)及開展后續(xù)的分析。通過在不同的解調(diào)方式對信號進(jìn)行錄音，并用信號分析軟件進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)接收機(jī)解調(diào)方式設(shè)為USB，LSB，CW時，通過錄音文件均能較完整地恢復(fù)信號的波形。在日常監(jiān)測工作中，對調(diào)幅信號進(jìn)行錄音時，接收機(jī)解調(diào)方式應(yīng)設(shè)置為AM；對調(diào)頻信號進(jìn)行錄音時，接收機(jī)解調(diào)方式應(yīng)設(shè)置為FM；對單邊帶信號進(jìn)行錄音時，根據(jù)信號具體情況，接收機(jī)解調(diào)方式應(yīng)設(shè)置為USB或LSB；對發(fā)報信號和數(shù)字信號進(jìn)行錄音時，接收機(jī)解調(diào)方式應(yīng)設(shè)置為USB。設(shè)置不同解調(diào)方式時，要合理設(shè)置相應(yīng)的解調(diào)帶寬和解調(diào)頻率。

4.2 接收機(jī)解調(diào)頻點(diǎn)的設(shè)置

接收機(jī)的解調(diào)頻率設(shè)置不同，對信號錄音和分析有著重要影響。在對信號進(jìn)行錄音時，如果接收機(jī)的解調(diào)頻率設(shè)置不合適，通過錄制的音頻文件恢復(fù)出的信號頻譜可能不完整。調(diào)幅和調(diào)頻信號比較常見，信號的中心頻率很容易判斷，錄音時只要將接收機(jī)解調(diào)頻率設(shè)置為信號的中心頻率即可。單邊帶信號分為上邊帶信號和下邊帶信號，具體頻率應(yīng)根據(jù)解調(diào)出的信號的聲音是否清晰確定。在對數(shù)字信號錄音時，接收機(jī)解調(diào)方式設(shè)為USB，接收機(jī)的解調(diào)頻率應(yīng)低于信號的頻率下限，保證接收到的信號完全包含在解調(diào)帶寬范圍內(nèi)。通常設(shè)置的接收機(jī)的解調(diào)頻率低于信號的頻率下限1kHz左右。如果設(shè)置的接收機(jī)解調(diào)頻率高于信號頻率下限，通過錄制的音頻文件恢復(fù)出的信號頻譜可能不完整。下面三幅圖是接收機(jī)在USB解調(diào)方式下，接收機(jī)解調(diào)頻率相對某一FSK信號頻率變化時，對此，F(xiàn)SK信號錄音后用Cool Edit軟件讀取其錄音文件恢復(fù)出的時頻圖。

圖6 接收機(jī)解調(diào)頻率為FSK信號左邊波峰處頻率時

圖7 接收機(jī)解調(diào)頻率低于FSK信號頻率下限時

圖8 接收機(jī)解調(diào)頻率在FSK信號兩個峰值頻率之間時

圖6中，從左邊可以看出接收機(jī)解調(diào)頻率為信號左邊峰值處頻率，高于信號頻率下限，右邊是恢復(fù)出的錄音文件的時頻圖，可以看出恢復(fù)出的信號頻譜部分丟失。圖7顯示的是接收機(jī)解調(diào)頻率低于信號頻率下限時恢復(fù)出的錄音文件的時頻圖，可以看出信號的頻譜很完整。圖8顯示的是接收機(jī)解調(diào)頻率位于信號兩個峰值頻率之間時恢復(fù)出的錄音文件的時頻圖，可以看出信號的頻譜丟失了一半，無法判斷出這是FSK信號。通過上述對比可知，對信號錄音時，一定要根據(jù)信號類型正確設(shè)置接收機(jī)的解調(diào)頻率，否則可能無法通過錄音文件恢復(fù)出信號完整的頻譜。

4.3 接收機(jī)解調(diào)帶寬的設(shè)置

在采集和儲存信號時，設(shè)置的接收機(jī)解調(diào)帶寬應(yīng)大于或等于信號的帶寬，但不要將其設(shè)置過大，過大有可能會采集到其他信號的頻譜分量；也不能將其設(shè)置過小，如果解調(diào)帶寬小于要解調(diào)的信號的帶寬，將無法通過錄制的音頻文件恢復(fù)出信號的完整頻譜，從而影響信號分析。各種信號的帶寬可根據(jù)信號頻譜圖形進(jìn)行初步測量或查閱相關(guān)技術(shù)手冊進(jìn)行判斷。

4.4 錄音文件的采樣率設(shè)置

現(xiàn)在的錄音文件多種多樣，只要能生成滿足信號分析軟件要求的錄音格式的錄音軟件均可用于信號采集和錄音。我們通常采用WAV錄音格式，WAV錄音軟件的最高采樣率為44.1kHz。黑鳥接收機(jī)（E3238s）自帶的錄音軟件的采樣率為16kHz。根據(jù)采樣定理可知，在采集數(shù)據(jù)時，只有采樣率至少大于信號速率的兩倍時，采集到的數(shù)據(jù)才能完整地恢復(fù)出信號，所以在對信號進(jìn)行錄音時，務(wù)必確保錄音軟件的采樣速率大于兩倍的信號速率，若遇到不滿足采樣定理的情況，就要通過采集信號IQ數(shù)據(jù)的方式對信號進(jìn)行存儲。

4.5 恢復(fù)信號所需信噪比要求

如果信號的信噪比過低達(dá)不到信號分析要求的值時，將無法對信號進(jìn)行分析。信號類型不同，對信噪比的要求也不同，具體情況可參考ITU-RSM1600建議書。在實(shí)際監(jiān)測中，如果發(fā)現(xiàn)信號信噪比較低，可以進(jìn)行多次錄音或待信號信噪比較高時再進(jìn)行錄音。

5 結(jié)束語

由以上分析可知，在對信號進(jìn)行采集和存儲時，正確設(shè)置接收參數(shù)很關(guān)鍵，否則很可能導(dǎo)致信號的音頻文件不包含完整的頻譜信息，無法對信號進(jìn)行后期分析。因此，日常工作中要根據(jù)實(shí)際信號的帶寬、載頻等參數(shù)，正確設(shè)置接收機(jī)的解調(diào)方式、帶寬和中心頻率等，以保證錄音文件包含信號的完整頻譜信息，為后續(xù)信號分析如信號波特率、調(diào)制方式識別等提供必要的基礎(chǔ)。

[1] ITU-R SM.1600-1．建議書—數(shù)字信號的技術(shù)識別.

[2] 樊昌信．通信原理．北京：國防工業(yè)出版社，2001.

劉利華副部長趙厚麟副秘書長調(diào)研國家無線電監(jiān)測中心

2014年9月9日上午，工業(yè)和信息化部副部長劉利華、國際電信聯(lián)盟副秘書長趙厚麟到國家無線電監(jiān)測中心調(diào)研。劉利華副部長和趙厚麟副秘書長一行參觀了國家無線電監(jiān)測中心監(jiān)測網(wǎng)控制中心和頻譜工程實(shí)驗(yàn)室，詳細(xì)了解了相關(guān)業(yè)務(wù)開展情況，對近年來所取得的成績給予了充分肯定。工業(yè)和信息化部辦公廳、科技司、通信發(fā)展司、通信保障局、無線電管理局、國際合作司等部門負(fù)責(zé)人陪同調(diào)研。（向晶、楊士坤）

Matters Needing Attention to Recording of Shortwave Signal

Xu Guoqiang, Han Fangfang
(Urumqi Station of The State Radio Monitoring Center, Urumqi, 830054)

The analysis and recognition of the shortwave signal is the key technique of radio management andradio monitoring. In routine monitoring wok, we often need to analyze shortwave signal manually. In order to getthe characteristics of the signal correctly, the data of the signals which need to be analyzed must be sampled andrecorded properly. The essay gives the detailed explanation to some problems about sampling and recording ofsignal. Additionally, we summarize some experience in this work.

signal sampling and recording; signal analysis; demodulation style

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.10.015

TN911

A

1672-7274（2014）10-0056-04

徐國強(qiáng)，畢業(yè)于西安郵電學(xué)院，測控技術(shù)與儀器專業(yè)，現(xiàn)在國家無線電監(jiān)測中心烏魯木齊監(jiān)測站工作。

韓仿仿，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)在國家無線電監(jiān)測中心烏魯木齊監(jiān)測站工作。