普洱市無線電監(jiān)測站 孟憲武

近年來，無線電設(shè)備與相關(guān)技術(shù)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(shù)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(guān)鍵因素。因此，為提高信號傳輸質(zhì)量與安全，做好信號處理十分關(guān)鍵，特別是大數(shù)據(jù)時代下，有關(guān)企業(yè)必須持續(xù)創(chuàng)新信號處理技術(shù)，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(shù)，以期為實際工作提供技術(shù)指導。

進入互聯(lián)網(wǎng)時代后，我國的通信技術(shù)發(fā)展迅速，特別是無線電通信技術(shù)的應(yīng)用范圍持續(xù)擴大，且在未來還有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＯ噍^而言，無線電技術(shù)具有靈活性、便捷性，多年來我國無線電通信技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)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(shù)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(shù)的優(yōu)勢，在各個領(lǐng)域的無線電監(jiān)測中需科學利用信號處理技術(shù)，以獲得可靠的信號，保障通信質(zhì)量。

1 無線電監(jiān)測的內(nèi)涵

無線電監(jiān)測是當前通信領(lǐng)域提及較多的詞匯，實際上就是在特定區(qū)域內(nèi)對無線信號加以定位、捕捉、截片、識別、解調(diào)與分析的過程。在特定的區(qū)域內(nèi)通過配置各種無線電設(shè)備，可采集、接收無線信號，進而將采集的信號轉(zhuǎn)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(zhì)量，但無線電監(jiān)測具有專業(yè)性，涉及的技術(shù)較多，如單點頻譜技術(shù)，在通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)應(yīng)用該技術(shù)時，濾波器、能量監(jiān)測與循環(huán)頻率的應(yīng)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(jié)合大量經(jīng)驗，濾波器與硬件相關(guān)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(shù)，該項技術(shù)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(shù)類型較多，為提高通信安全與質(zhì)量，利用無線電技術(shù)時需注意引入多樣化、現(xiàn)代化信號處理技術(shù)，根據(jù)通信傳輸要求，使信號處理技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)體系相符合，發(fā)揮各種信號處理技術(shù)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(shù)

2.1 信號調(diào)制識別技術(shù)

信號調(diào)制識別技術(shù)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(jié)果識別信號類型或者相關(guān)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(diào)制信號的關(guān)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(guān)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(guān)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(yīng)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(guān)學者提出的關(guān)鍵信號調(diào)整參數(shù)方案為信號解調(diào)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(yīng)用中的應(yīng)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(guān)參數(shù)，在此前提下選擇恰當?shù)恼{(diào)制方法調(diào)制信號。調(diào)試識別的技術(shù)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(guān)人員需在計算機系統(tǒng)中定義已調(diào)信號、調(diào)制信號的函數(shù)，在此前提下再依據(jù)相應(yīng)的規(guī)則得到結(jié)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(guān)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(diào)制識別技術(shù)呈現(xiàn)多樣化、現(xiàn)代化特征。無論哪種調(diào)制識別技術(shù)，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(diào)技術(shù)

信號解調(diào)與調(diào)制有一定聯(lián)系，從過程分析，解調(diào)為調(diào)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(diào)。當前的無線電通信領(lǐng)域，信號解調(diào)的對象為調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、調(diào)相，解調(diào)AM信號時，就是用調(diào)制信號精準調(diào)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(diào)有非相干、相干之分，但不同類型的解調(diào)方式適用于不同情況。相干解調(diào)法在全數(shù)字解調(diào)器中的應(yīng)用效果良好，因為AM 信號的頻譜特殊，在已調(diào)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(diào)信號同頻與載波信號的乘積。FM信號的解調(diào)中，因為初期信號并非為線性變化，需通過配備頻率解調(diào)器調(diào)制出線性頻率的電壓輸出。FM 本質(zhì)上為角度解調(diào)，其解調(diào)過程需考慮更多方面，相位調(diào)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(zhuǎn)換

無線電監(jiān)測中的信號處理中，A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)也有一定的應(yīng)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(shù)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(zhuǎn)換技術(shù)下，為達到最佳的轉(zhuǎn)換效果，必須使采樣速率、位數(shù)符合有關(guān)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(yīng)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(zhuǎn)換器，雖可選擇的規(guī)格較多，但市場上的A/D 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器應(yīng)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(zhuǎn)換器的單片結(jié)構(gòu)為12 位，內(nèi)部含有采樣。

2.4 正交采樣技術(shù)

在無線電監(jiān)測方面也需用到正交采樣技術(shù)，如涉及該項技術(shù)，為發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，相關(guān)人員需根據(jù)技術(shù)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(shù)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(shù)

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(gòu)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(jié)合無線電通信的技術(shù)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(gòu)成復雜，其中包含的構(gòu)成要素較多，為保障該系統(tǒng)可靠運行，應(yīng)選用高速率的帶通采樣速率設(shè)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(yīng)用這一方法時關(guān)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(jié)果。時代發(fā)展的過程中，相關(guān)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(yīng)用頻次較高。普通時差估計法為最為基礎(chǔ)的方式，具體的估計中直接估算輸入信號的互相關(guān)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(jié)果；廣義的估計法從本質(zhì)上來看為互相關(guān)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(quán)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(quán)可采用POTH 脈沖響應(yīng)、SCOT 平滑相干變化、Eckart 濾波器等；循環(huán)相關(guān)估計下分析了信號的循環(huán)平穩(wěn)特征，通過構(gòu)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(yīng)用時需結(jié)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(gòu)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(guān)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(yīng)用這一方法可獲得理想的識別結(jié)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(guān)注這一方面，還需要同步考慮噪聲標準差、殘差分析值，結(jié)合組中結(jié)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(luò)法的應(yīng)用頻次也相對較高，如有NLOS 誤差，信號在短時間內(nèi)存在較大損失，通過包絡(luò)法能有效判定信號的非視距損耗情況，但為保障判定結(jié)果的合理性，應(yīng)判定信號數(shù)據(jù)是否存在調(diào)幅處理過程，如有調(diào)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(jié)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(jié)果，重點要關(guān)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(jié)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(yīng)采用誤差抑制法。當前的通信領(lǐng)域，NLOS 誤差抑制法相對較多，但在原先的條件下，因為技術(shù)發(fā)展尚不成熟，習慣采用視距重構(gòu)平滑法，根據(jù)NLOS 誤差的產(chǎn)生過程，抑制NLOS 誤差的關(guān)鍵就是大大減小視距損耗，因此，視距重構(gòu)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(yīng)綜合多種因素粗略估計信號源位置，隨后在相應(yīng)的公式下重構(gòu)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(shù)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(gòu)法的視距重構(gòu)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(nèi)在關(guān)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(jié)語

無線通信技術(shù)已廣泛應(yīng)用到了方方面面，在很多工作中做好無線電監(jiān)測十分關(guān)鍵，對保障通信安全與質(zhì)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(wù)，在當前及未來的發(fā)展中相關(guān)人員還需持續(xù)創(chuàng)新信號處理技術(shù)，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(luò)入侵異常信號檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),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(shù),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.