瞬时测频技术在无线电监测中的应用

黄 坤

（甘肃省无线电监测站 甘肃 兰州 730030）

1 引言

在无线电监测工作进行阶段，频率测量任务艰巨，通过频率测量，监测工作者能够掌握无线电台的实际用频情况，进而针对性进行调整优化，以保障无线电平稳运行。现阶段，我国常用的测频方式普遍适用于平稳随机信号，但该项测频方式同时也存在抗干扰性弱和测量精度差特征。近年来，在我国经济蓬勃发展背景下，数字信号处理技术渐趋成熟，瞬时测频技术应运而生，且备受相关人员关注，通过应用瞬时测频技术，监测人员可以在短时间内获取对应的信号频率指标，利用有效的数字信号处理算法后，测频的精度会显著提升，无线电运行安全性也会大幅提升。

2 瞬时测频技术概念和原理

众所周知，在电子测量技术应用阶段，微波信号的瞬时频率测量工作极为重要，由于被测信号为窄脉冲微波信号，且有一定的重复周期，故难以实现对信号的多次测量。瞬时测频技术以相位比较法为基础，无论是截获概率还是覆盖频率范围都较为理想，当前阶段，瞬时测频技术在电子战领域的雷达告警和电子情报侦察中较为多见[1]。

早在1950年左右，瞬时测频技术就已经开始发展，在最初阶段，模拟式的瞬时测频技术主要通过阴极射线显示器和波导微波元件等实现，由于系统体积和结构较为庞大和复杂，故只适用于大的平台和地面设备。1970年—1980年，以改进元件和数字化处理模式为特点的瞬时测频技术正式问世。

在数字技术和电子元件工作效率与日俱增的背景下，不同类型新颖先进的瞬时测频技术也开始频频诞生。本文即从无线电信号监测特点出发，从不同角度对三角变换法、时频分析法和功率谱估计法进行细致研究，阐述3种技术的优势和缺陷，以期为后续阶段无线电监测工作提供更多的经验参照和选择。

3 三角变换法瞬时测量技术在无线电监测中的应用

所谓三角变换法，主要是利用三角变换方式和相关数据处理方法，对采样信号进行处理，获取信号对应的相位和频率。三角变换法隶属于时域范畴，常应用相位法、过零检测法和数据拟合法等对信号进行测频，在信噪比相同的背景下，相比于相位法和过零检测法而言，数据拟合法测频精度更具理想性，本环节即以数字拟合法为例，构建分析活动[2]。

从单截频信号表达式来看，为：S（n）=Asin（ωnTs+），n=1，2，...，Ts代表采样间隔，故S（n）+S（n+2）=Asin（ωnTs+）+Asin[ω（n+2）+θ]=2S（n+1）cos（ωTs），也就是：cos（ωTs）=，因此：∫==cos-1[=]，而在公式∫==cos-1[=]中，只要S（n+1）的值不为0，相关人员即可准确得出调制载波频率值。由此可见，在应用数据拟合法进行频率计算工作阶段，计算结果和信号幅度A及初始相位两项因素间并无关联，不会衍生相位模糊问题。同时，利用计算机仿真方式和数据拟合法，在不同信噪比条件下，可获取单频信号测频精度，且测频精度和信号信噪比呈正相关关系。立足计算量角度层面可以知悉，在应用数据拟合法测信号瞬时频率时，只涉及一次加法和三角运算与两次乘法，比较简单，且此种计算方式实用性良好[3]。

综上，在信号信噪比大于10 dB的情况下，针对诸如AM和FM等常见的单载频调制信号开展的频率测量工作，可应用数据拟合法，信号频率捕获速度十分理想。当然，为有效提升测频精度，相关单位也可视情况决定是否应用多点拟合方式。

4 时频分析法瞬时测量技术在无线电监测中的应用

从时频分析法该项测量技术的基本思想来看，致力于通过所构建的函数，同时利用时间和频率信息，对信号能量密度加以全面和细致的描述。同时，通过所构建的函数，也可以对某一确定频率和时间范围内的能量实际分布情况进行计算。基于时频分析法的特点，其主要适用于非平稳信号瞬时频率的估计工作中，且近段时间以来，随着我国技术的发展，越来越多的不同形式的时频分析法应运而生，如维纳分布、小波变换和短时傅立叶变换等[4]。本环节对短时傅立叶变换作为研究对象，对该项技术在当前我国无线电监测领域的具体应用。

从短时傅立叶变换的数学表达式来看，为：STFTx（t，f）=[x（t′）W.（t′-t）]e-j2nft’dt，基于上述公式可知，短时傅立叶变换测量技术致力于通过时宽足够窄的窗函数[W（t′-t）]截短所获得的信号[x（t′）]，可以将获取的信号看为平稳信号，并对其进行傅立叶变换，最终获取局域化频谱变化规律。需要加以注意的是，若让窗函数沿着时间轴进行移动，则可对应掌握信号频率和时间变化之间存在的规律。同时，相关工作人员也要对窗函数存在的截断和栅栏效应加以关注。

同时，基于短时傅立叶变换的特征，可以将其看作信号加窗后的离散傅立叶变换，故相关人员在应用短时傅立叶变换技术进行测频工作时，需要选择合适的窗函数，以保障实时性，达到最佳测频性能[5]。通常情况下，理想的窗函数应具备3项条件，即：衰减速度最大、旁瓣峰值最小和主瓣宽度最窄，但在现实条件下，这3项条件无法同时满足。对当前经常应用的窗函数进行分析可知，矩形窗函数虽然主瓣宽度理想，但旁瓣峰值和旁瓣谱峰衰减速度却并不符合条件，且边界效应过于严重，在一定程度上，会衍生频谱能量泄露问题[6]。汉宁窗函数和海明窗函数旁瓣峰值和旁瓣谱峰衰减速度较为理想，虽然主瓣宽度尚不符合标准，但其在实际应用阶段，有助于积累频点能量，即使在信号信噪比较低的情况下，测频精度也较为理想。

一般而言，在信号信噪比相同的前提下，时频分析法测频精度要明显优于三角变换法，且相比于三角变换法而言，时频分析法测频性能更加稳定，且不易受噪声影响。立足实时性角度进行分析，在应用时频分析法进行单频点测频工作阶段，需进行N次乘法和（N-1）次加法，其中N代表的是窗口宽度。当然，为了提升测频精度，可视情况选择增加窗口宽度或应用汉宁窗。

实际上，无线电监测系统主要接收非平稳信号，故可考虑短时傅立叶变换技术的特征，科学选择契合该项技术的窗函数，截短系统所获取的非平稳信号，进而使其在短时间内被认为是平稳信号，最大程度地提升测频精度。

5 功率谱估计法瞬时测量技术在无线电监测中的应用

所谓功率谱估计法测频方式，是在对信号功率谱进行求解的前提下，对信号频率予以确定。功率谱估计法在分辨多信号方面，具有较强的能力，且对信号信噪比的要求较低。从功率谱估计法的分类来看，主要分为经典谱和现代谱估计法两种，前者又可划分为BT法和周期图法，主要以离散傅立叶变换为基础，由于离散傅立叶变换需要对数据进行截短，故很容易衍生栅栏效应，因此，无论是经典谱估计法的测频精度，还是经典谱估计法的频率分辨率皆差强人意。后者主要是在将信号设定为契合某一模型后，应用采样数据对模型参数加以估计，并以依据结果为参照，进行功率谱估计。相比于经典谱估计方法而言，现代谱估计方法更契合实际，更适用于有限长信号序列的估计工作中。

相比于三角变换法和时频分析法而言，功率谱估计法的测频精度更加理想，尤其是在信号信噪比较低的背景下，功率谱估计法的应用优势将会体现的更加明显。同时，相比于三角变换法和时频分析法而言，功率谱估计法的运算量也更大。因此，在实际无线电监测工作进展阶段，监测人员应根据实际情况，科学选择监测方法。

6 结语

从无线电频率测量工作特点来看，信噪比差异大、信号类型多样化和信号分布频段宽，基于此，监测单位难以确定一种有效的方法达成高精度测量目标，故在精度和速度契合实际要求的前提下，测量单位需要选择一种最为简单的测量方式进行测频工作。通常情况下，针对信号信噪比较高背景下的单载波调制信号，可选择三角变换法，该项技术算法较为简单；针对非平稳信号，可应用时频分析法，科学选择窗口宽度和类型，实现高精度测量；针对多载频复杂信号，可应用功率谱分析法，其对信噪比要求低，且对多信号具有较强的分辨力，但相比于三角变换法和时频分析法而言，功率谱分析法运算过程较为复杂。因此，监测人员在工作阶段，应秉持具体问题具体分析原则，选择有效的监测技术，顺利开展无线电工作，确保无线电运行安全。