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 烏魯木齊 830011)(2新疆微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室 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，因此觀測時極易受到臺址內(nèi)外各類電磁信號的干擾，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.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(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(TV)、公眾移動通信(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(發(fā)射)業(yè)務(wù)的影響，導(dǎo)致觀測數(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、移動通信基站是影響射電觀測最主要的射頻干擾源，在實(shí)際射電天文觀測過程中這些干擾信號使得干涉儀接收機(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監(jiān)測手段，對撒丁島射電望遠(yuǎn)鏡臺址附近的電磁干擾進(jìn)行了監(jiān)測，提出適當(dāng)?shù)倪B續(xù)性射頻干擾監(jiān)測對于確保射電望遠(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)驗檢測到的)有害性向國家無線電管理部門報告;根據(jù)對特定時間(如夜間或周末)預(yù)期“無干擾”的統(tǒng)計性評估，動態(tài)安排射電天文觀測[5].在電磁干擾信號識別方面，王利云等人通過將頻譜中的信號與歷史信號進(jìn)行相似性分析，判斷是否為同一信號[6].但當(dāng)歷史信號未發(fā)射，但其信號頻段被其他信號占用，例如與原信號調(diào)制方式一致的新發(fā)信號或其他信號的諧波、互調(diào)等，僅通過對信號包絡(luò)的相關(guān)性計算判斷兩個信號是否為同一信號會造成誤判.

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

本文針對天文臺址電磁環(huán)境頻譜中的地面數(shù)字電視、公眾移動通信等常駐大信號，提出了一種信號檢測與識別方法.首先對常駐信號的業(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、信號能量估值從電磁環(huán)境歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取移動通信、地面數(shù)字電視等常駐大信號的中心頻率、極化方式、來波方向等特征，經(jīng)對無線信號傳播信道的衰落方式進(jìn)行分析，提出信號能量模型服從的分布函數(shù)假設(shè)并采用K-S檢驗驗證該假設(shè)，合理設(shè)置能量閾值，建立信號模板庫;然后將實(shí)時頻譜數(shù)據(jù)與信號模板庫中的信號進(jìn)行雙門限能量檢測與相關(guān)性判斷，統(tǒng)計信號在監(jiān)測周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)及變化情況.經(jīng)實(shí)際測試該方法可提高常駐電磁干擾檢測與識別的準(zhǔn)確率與時效性，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、干擾緩解策略制定、臺址無線電管理提供重要依據(jù).

2 電磁環(huán)境測試系統(tǒng)

在射電望遠(yuǎn)鏡臺址安裝部署的自動化電磁環(huán)境測試系統(tǒng)由測量天線(HL033、HL050)、射頻接收模塊(RF box)、天線云臺(G5500)及控制器(Rotator controller)、升降裝置、信號分析儀(R&S FSW13)、控制計算機(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)、云臺控制線(Pan tilt control)、串口線(RS232)、網(wǎng)線(LAN)等組成，如圖1所示.測量天線采用對數(shù)周期天線，工作帶寬分別覆蓋100 MHz-2 GHz及2-12 GHz頻段，天線云臺滿足360°方向水平轉(zhuǎn)動及水平、垂直極化切換需求.將信號分析儀、控制計算機(jī)、云臺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量結(jié)果[8].

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

電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分是射頻接收模塊，采用兩個標(biāo)準(zhǔn)噪聲源(Noise source 1，Noise source 2)對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)行測量，選用性能優(yōu)異的低噪聲放大器(LNA1、LNA2、LNA3、LNA4)確保監(jiān)測系統(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].對系統(tǒng)整體性能進(jìn)行測試時，在重點(diǎn)測試頻段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 常駐信號分析

經(jīng)對天文臺址電磁環(huán)境測試頻譜序列進(jìn)行統(tǒng)計，電視發(fā)射塔、移動通信基站、衛(wèi)星傳輸?shù)仁怯绊懮潆娪^測最主要的固定干擾源，其所發(fā)射的信號占總信號數(shù)量60%以上而且射頻特性穩(wěn)定.為了有效地對這些常駐信號進(jìn)行檢測與識別，需要對其業(yè)務(wù)類型、傳播信道進(jìn)行分析，掌握信號的發(fā)射頻率、占用帶寬、場強(qiáng)的變化規(guī)律等特征信息.

3.1 常駐信號業(yè)務(wù)類型

移動通信業(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;對射電天文觀測影響較大的為2G業(yè)務(wù)，對于山區(qū)為達(dá)到信號覆蓋范圍更廣，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)注廣電與移動共建共享的700 MHz、C波段的5G通信信號發(fā)射情況.

廣播電視業(yè)務(wù):地面電視信號頻率范圍跨度廣，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工作，當(dāng)前在臺址所監(jiān)測到的電視信號均為數(shù)字信號，頻段分布在400-800 MHz頻段，采用時域同步正交頻分復(fù)用技術(shù)，支持多種調(diào)制方式:64種符號、32種符號、16種符號、4種符號的正交振幅調(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)，對射電天文低頻觀測影響較大.

衛(wèi)星通信業(yè)務(wù):頻譜監(jiān)測數(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)，其信號特點(diǎn)為覆蓋范圍極廣，為右旋圓極化，信號來自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

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

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

在臺址區(qū)域中無線電信號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)象可以用對數(shù)正態(tài)模型來描述，這一模型的信號幅值遵循正態(tài)分布[11-12].

3.3 信號識別

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

綜上所述，常駐信號的發(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，但信號幅值遵循正態(tài)分布.因此本文針對實(shí)時頻譜序列提出了一種常駐干擾信號檢測及識別方法，處理流程如下:首先，根據(jù)歷史頻譜數(shù)據(jù)提取信號頻率、能量、頻譜等特征信息，存儲于信號模板庫;然后，將實(shí)時頻譜數(shù)據(jù)與信號模板庫中的信號進(jìn)行雙門限能量檢測與相關(guān)性判斷，統(tǒng)計信號在監(jiān)測周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)，實(shí)現(xiàn)臺址常駐干擾信號的檢測與識別.

4 信號檢測與識別方法

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

4.1 信號提取

依據(jù)無線電頻譜監(jiān)測中應(yīng)用廣泛的頻譜噪聲統(tǒng)計法[14]及無線電業(yè)務(wù)頻率劃分[15]確定常駐信號的起始、截止頻率，進(jìn)而從頻譜序列中提取出2維頻譜信號P{f，E}，其中f表示信號頻率信息，E表示幅度信息.由于電磁環(huán)境監(jiān)測依據(jù)測試頻段內(nèi)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)進(jìn)行分段測試分段存儲，需要將信號P與所在頻段中的存儲序列進(jìn)行匹配，以便提取出信號對應(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順序α成線性關(guān)系，采用簡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.定義n為頻率點(diǎn)列表的長度，將信號P所在頻段的頻率點(diǎn)列表及次序?qū)懗删仃囆问?

4.2 信號能量閾值估計

定義信號頻譜能量:

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

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

采集不同時間段內(nèi)信號能量值的多輪監(jiān)測結(jié)果，利用K-S檢驗?zāi)芰繕颖居^測值是否近似服從正態(tài)分布，檢驗統(tǒng)計為:

其中Fζ(z)為信號頻譜能量值的經(jīng)驗分布函數(shù)，G(z)為指定的分布函數(shù).其原假設(shè):信號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)量及檢驗的顯著性水平，著名的統(tǒng)計學(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 信號模板庫建立

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

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

信號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)值表為信號頻率信息及對應(yīng)場強(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)及對應(yīng)場強(qiáng)數(shù)值表按照§4.1中的信號提取方式獲得，為進(jìn)一步的信號相似性分析提供支撐.信號模板庫結(jié)構(gòu)如圖3所示.

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

4.4 雙門限能量檢測

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

則能量檢測的三元假設(shè)模型為:

4.5 相關(guān)性識別

由于常駐信號的調(diào)制樣式保持不變，可以通過對信號包絡(luò)的相關(guān)性識別判決實(shí)時采樣信號與模板庫中的信號是否為同一信號.皮爾遜系數(shù)廣泛用于度量兩個變量之間的相關(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)對相關(guān)程度的變化敏感.通過計算模板信號與實(shí)時頻譜信號的皮爾遜系數(shù)來判斷是否屬同一信號.皮爾遜系數(shù)可表示為:

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

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

4.6 算法流程

根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)確定常駐信號的起止頻率并從頻譜序列中提取出2維頻譜信號.計算信號能量估值，其中的最大值為信號能量值，信號能量值的極化及方位為該常駐信號的極化方式、來波方向.根據(jù)能量值的分布函數(shù)確定信號能量閾值，結(jié)合上述信號特征建立常駐信號模板.讀取實(shí)時頻譜，將頻譜特征與信號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，若頻譜信號能量低于下門限時判斷常駐信號消失(未發(fā)射)，高于上門限時發(fā)出能量告警(功率過高可能會導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)飽和).當(dāng)信號能量在能量閾值范圍內(nèi)時對信號包絡(luò)進(jìn)行相關(guān)性識別，若頻譜信號的調(diào)制樣式與模板信號一致則為常駐信號，算法流程如圖4所示.

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

5 實(shí)例分析

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

臺址電磁環(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頻段為670-678 MHz、移動GSM900下行信號頻段為935-954 MHz，從0.4-2 GHz頻段監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取出以上信號，該頻段共有53334個頻率點(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、通信信號的起止頻率代入(2)式及(6)式中，則電視信號、移動信號在頻譜中存儲的序列分別為9001、9002、···、9268和17834、17835、···、18468.根據(jù)(3)式計算的能量估值如表2所示(SN表示信號能量估值序列對應(yīng)G1，···，G12;POL表示接收天線的水平和垂直極化分別對應(yīng)H、V;AZ表示接收天線的指向方位對應(yīng)0°，···，300°;TV代表電視信號，COM代表移動通信信號，NRG EST為能量估值.).

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

表2中電視信號的能量值即能量估值最大值為105.33994，移動通信信號的能量值為191.43665，對應(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38組信號樣本值.再由(3)式求得電視信號、移動信號的38組能量值如表4所示.

使用K-S檢驗方法，在顯著性水平0.05下，表4中的地面電視信號能量近似服從均值109.9820、標(biāo)準(zhǔn)差為5.7927的正態(tài)分布;移動通信信號能量近似服從均值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λ1、λ2分別為96.5、123.45;移動通信λ1、λ2分別為185.9826、209.8974.信號能量分布函數(shù)(x表示信號能量分布，F(xiàn)(x)表示信號能量分布函數(shù)，均為無量綱)如圖5和圖6所示.

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

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

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

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

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

使用該方法對射電天文臺址電磁環(huán)境頻譜進(jìn)行連續(xù)一周測試統(tǒng)計，選取樣本信號一天測試值即19組能量值進(jìn)行舉例，如表6所示.

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

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

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

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

對信號調(diào)制樣式進(jìn)行相關(guān)性識別，樣本信號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，與人工判斷吻合.

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

對臺址內(nèi)所有常駐電磁干擾連續(xù)監(jiān)測一個月的統(tǒng)計結(jié)果為:存在3個電視信號凌晨期間停發(fā)(OffTime)，其他時間持續(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、移動通信信號及衛(wèi)星業(yè)務(wù)信號均為連續(xù)發(fā)射，頻道占用度為100%，統(tǒng)計結(jié)果與人工判斷吻合.

表8 間斷發(fā)射電視信號統(tǒng)計結(jié)果Table 8 Statistical results of discontinuous TV signals

6 結(jié)論

為了提高射電天文臺址電磁環(huán)境監(jiān)測頻譜分析的時效性，本文提出了一種常駐電磁干擾檢測與識別方法.經(jīng)實(shí)際測試，該方法可提高信號判別的準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測頻譜中常駐干擾信號的自動識別與統(tǒng)計，為臺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)對特定時間(如夜間或周末)預(yù)期“無干擾”的統(tǒng)計性評估，動態(tài)安排射電天文觀測.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)注臺址內(nèi)常駐信號的變化情況，實(shí)時更新常駐信號模板庫;(2)統(tǒng)計信號能量隨時間慢衰落的變化特征;(3)探索短時猝發(fā)干擾信號的識別方法.