李 瑞

（山西省無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心朔州監(jiān)測(cè)站，山西 朔州 036002）

0 引 言

電磁波是能量在空間中的一種表現(xiàn)形式，其幅度會(huì)不斷發(fā)生周期性變化。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同構(gòu)成，一般是沿著電場(chǎng)與磁場(chǎng)相垂直的方向進(jìn)行傳播[1]。電磁波在每秒鐘內(nèi)發(fā)生的周期變化次數(shù)稱為頻率，根據(jù)頻率的高低可以分為無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線以及X射線等。無(wú)線電波技術(shù)可以有效進(jìn)行信息無(wú)線傳輸，為了提高無(wú)線電監(jiān)測(cè)的應(yīng)用效果和監(jiān)測(cè)管理水平，需要對(duì)測(cè)量過(guò)程中收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)管理和計(jì)算[2,3]。為此，本文提出一種基于希爾伯特-黃變換（Hibert-Huang Transform，HHT）的無(wú)線電信號(hào)監(jiān)測(cè)方法，以提升無(wú)線電監(jiān)測(cè)精確性。

1 基于HHT的無(wú)線電信號(hào)監(jiān)測(cè)步驟

1.1 獲取HHT無(wú)線電信號(hào)

通過(guò)HHT獲取無(wú)線電信號(hào)，然后進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）。依據(jù)EMD對(duì)信號(hào)進(jìn)行分離，完全基于原信號(hào)的性質(zhì)，應(yīng)用Hilbert變換對(duì)分解后得到固有模態(tài)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，最終得到信號(hào)頻率在時(shí)間域上的分布情況。

掌握信號(hào)頻率的分布情況后，通過(guò)直接對(duì)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換可以測(cè)量出信號(hào)的瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相頻以及瞬時(shí)頻率，得出各個(gè)本征模態(tài)分量。隨著EDM的不斷篩選，無(wú)線電信號(hào)從高頻范圍開(kāi)始逐步過(guò)濾變?yōu)榈皖l范圍，通過(guò)不同的時(shí)頻分辨率來(lái)表達(dá)其能量特征。利用小波分解法實(shí)現(xiàn)信號(hào)分解，最終得到了波長(zhǎng)較長(zhǎng)、頻率較小的信號(hào)分量。

將這些信號(hào)分量傳達(dá)到目標(biāo)端口，對(duì)數(shù)字信號(hào)測(cè)量和預(yù)測(cè)后通過(guò)電磁暫態(tài)數(shù)值算法來(lái)保證頻譜資源的供給，以此測(cè)量出無(wú)線電發(fā)射的基礎(chǔ)數(shù)字和頻譜異常數(shù)字。同時(shí)對(duì)無(wú)線電監(jiān)測(cè)的線路進(jìn)行人為設(shè)計(jì)，信號(hào)獲取原理如圖1所示。利用電磁頻譜技術(shù)采集信號(hào)源的信號(hào)分量，再利用輔助接收機(jī)將分量過(guò)濾，最終得到電磁頻譜的分量。

采用硬件和軟件來(lái)進(jìn)行無(wú)線電分量處理，通過(guò)空間復(fù)用、時(shí)間復(fù)用、頻率復(fù)用等形式對(duì)分量進(jìn)行重復(fù)使用，可以有效減少捕捉誤差[4]。在一定條件下對(duì)無(wú)線電資源進(jìn)行復(fù)用，將無(wú)線電信號(hào)分量轉(zhuǎn)化成真實(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)集，具體流程如圖2所示。

通過(guò)監(jiān)測(cè)站接收2種分量，包括信號(hào)源模擬發(fā)射信號(hào)分量和電磁環(huán)境信號(hào)分量，再經(jīng)由采集單元對(duì)分量進(jìn)行自動(dòng)處理，最終可以得到混合硬盤（Hybrid Hard Disk，HHD）無(wú)線信號(hào)的真實(shí)數(shù)據(jù)集。

1.2 計(jì)算監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)參數(shù)

根據(jù)實(shí)際采集到的無(wú)線電信號(hào)，在正確進(jìn)行信號(hào)測(cè)算的情況下，計(jì)算出更有效的電磁頻率和范圍更廣的振幅寬度[5]。對(duì)于遠(yuǎn)距離的非合作信號(hào)，信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在無(wú)線環(huán)境中無(wú)法通過(guò)單個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行快速捕獲、識(shí)別和定位。載波頻率的數(shù)值越大，接收機(jī)越不容易監(jiān)測(cè)到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。基于此，需要先確定目標(biāo)發(fā)射機(jī)的尺寸，獲取監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的消耗情況，對(duì)接收機(jī)的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行降噪，有效提升監(jiān)測(cè)效果[6]。

1.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o線電信號(hào)參量

使用幅度測(cè)向法，通過(guò)測(cè)定原始信號(hào)來(lái)推出固定信號(hào)的數(shù)值，不間斷地監(jiān)控?zé)o線信號(hào)參量。參考比幅測(cè)向時(shí)可以獲取信號(hào)數(shù)值，在空間上通過(guò)數(shù)據(jù)序列接收的方向也能夠加以明確，實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾條件下的信號(hào)參量監(jiān)控[7]?；贖HT搭建的實(shí)時(shí)無(wú)線電信號(hào)參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架如圖3所示。

監(jiān)測(cè)模塊包括可變解調(diào)模塊和HHT實(shí)時(shí)識(shí)別模塊，通過(guò)HHT技術(shù)對(duì)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，同時(shí)可變解調(diào)模塊可以進(jìn)行信號(hào)解調(diào)方式的更改，完成對(duì)信號(hào)參量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用信號(hào)發(fā)射裝置或接收機(jī)的數(shù)量確定信號(hào)波頻差值，按照波阻抗原理確定來(lái)波方向，根據(jù)比幅法求得信號(hào)相對(duì)幅度，并且不斷優(yōu)化測(cè)向靈敏度[8-10]。

在進(jìn)行無(wú)線信號(hào)參量監(jiān)控對(duì)比時(shí)，采用比較各方向上接收幅度的大小來(lái)判斷無(wú)線電波的信號(hào)測(cè)向。按照電磁波不同來(lái)波方向進(jìn)行無(wú)線電管理，同時(shí)把控接收信號(hào)的幅度，保持無(wú)線電多信道之間幅度的一致性。隨著空中電波秩序越來(lái)越復(fù)雜，需要增設(shè)無(wú)線電臺(tái)站，加強(qiáng)無(wú)線電管理工作，便于對(duì)無(wú)線電信號(hào)參量進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)變基線技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的無(wú)線電信號(hào)參量監(jiān)測(cè)，有效降低無(wú)線電信號(hào)控制難度。采用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）技術(shù)提升無(wú)線電信號(hào)參量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，幫助減少測(cè)量誤差。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提HHT監(jiān)測(cè)無(wú)線電信號(hào)方法在定位精度上與傳統(tǒng)傅里葉變換檢測(cè)方法的差異，在理論設(shè)計(jì)部分完成后進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了提升實(shí)際測(cè)試的準(zhǔn)確性，采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)放置在不同位置，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。獲取信號(hào)的實(shí)驗(yàn)儀器連接如圖4所示。

通過(guò)計(jì)算機(jī)與HHT波形發(fā)生器進(jìn)行信息傳遞，將矢量信號(hào)源傳送到S波天線，再由角發(fā)射器進(jìn)行過(guò)濾，最終將過(guò)濾的信號(hào)傳送到高性能定位器上，得到信號(hào)定位精度的具體數(shù)據(jù)。

使用2臺(tái)裝有Windows 7操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，為了搭建更穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)環(huán)境，將瞬時(shí)頻率為零的波形進(jìn)行分解。在確定一個(gè)變形的小波函數(shù)后逐段壓縮，展開(kāi)被分析信號(hào)，以便達(dá)到小波變換對(duì)于信號(hào)局部特征的描述，實(shí)現(xiàn)更好的監(jiān)測(cè)效果。利用小波變換得到原時(shí)間域上頻率監(jiān)測(cè)的組成權(quán)重，繪制頻率振幅變換曲線，以此反映某一段時(shí)間內(nèi)整個(gè)信號(hào)的頻率特征，并且在頻譜圖中確定頻率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。通過(guò)時(shí)間域觀察到頻率突變的時(shí)間點(diǎn)，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)拆解完成信號(hào)分離?；谠盘?hào)特征，應(yīng)用HHT變換對(duì)分解后得到的固有模態(tài)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，最終得到信號(hào)頻率在時(shí)間域上的分布情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本文所提HHT監(jiān)測(cè)無(wú)線電信號(hào)方法記為設(shè)計(jì)方法，將傳統(tǒng)傅里葉變換檢測(cè)方法記為傳統(tǒng)方法，不同監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)下的定位精度誤差如圖5所示。

隨著監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍的增加，2種方法的定位精度誤差值均不斷增大。綜合來(lái)看，在不同的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)，HHT無(wú)線電信號(hào)監(jiān)測(cè)方法的定位精度誤差值均低于傳統(tǒng)方法，即實(shí)際定位精度較高，可用于無(wú)線電信號(hào)監(jiān)測(cè)。

3 結(jié) 論

綜上所述，基于HHT算法確定電臺(tái)信號(hào)的電磁頻譜特征，通過(guò)頻率幅度的去均值化和歸一化、頻點(diǎn)的偏移和搜索、采樣率變換方法完成無(wú)線電信號(hào)監(jiān)測(cè)，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)跟蹤檢測(cè)和告警，有著不可忽視的現(xiàn)實(shí)意義。