信号识别在无线电频谱监测中的运用探讨

刘志勇

（枣庄市无线电监测站 山东省枣庄市 277101）

在当前发展背景下，需要有效的分配以及管理无线电频谱，制定规范性的电波流程，合理规划频段使用、提高频谱利用率，将无线电通信技术的优势全面体现出来，这是科学技术领域内十分关键的一项工作，也是电磁环境极其复杂的当下无线电频谱管理的迫切需要。针对以往传统类型的频谱监测工作来讲，通常是以频谱仪器为主，对空中传播的电磁信号进行搜索、分析、识别，获取频段内相应的无线电信号的基本参数信息，采取频谱分析的方式加以统计以及测量，以更好的统计出频率利用率和频道占用度，但是从各种传统方式具体应用现状来看，有着一些缺陷存在。虽然实际的信号载有信息，但是局部区域间频率和时间呈现出了正比状态，难以将时变信号精准的表达出来，随着空中电波电磁环境的恶化和监测业务的发展，频谱监测方式并不能满足现实的发展，应当基于传统频谱分析方式基础上结合时频分析理论评估无线电信号参数，将其和软件无线电全面结合到一起，这是无线电信号识别技术的一项主流发展趋势。

1 国内和国外具体的探究情况

随着各种无线设备的大量使用和宽带无线电业务不断应用，对频谱的需求越来越大，频谱资源越来越紧张，世界频谱划分图清晰展示，可用频谱十分缺乏，无线电频谱资源几乎分配殆尽，这将严重阻碍无线通信服务业的进一步发展。频谱资源的相对紧缺，带来了对非法设置无线电台的零容忍，信号识别技术的应用，有效遏制了非法无线电设台的泛滥，强力阻止了频谱资源的被非法占用，使无线电通信变得更安全畅通。基于信号识别理论的进一步完善，软件无线电得到了良好的创新和改进，国际方面加强了无线电频谱监测技术的探究程度，软件无线电的广泛应用带来了部分频段的高效利用，以往传统类型的频谱监测系统呈现出了高效率搜索、动态性识别信号和提取特征等一系列优势。在大部分城市内逐渐创建了健全的无线电监测系统，该项系统达到了全面覆盖无线电监测网的目的，但是在通信业务数量和规模全面增长以及拓展的背景下，特定领域内的台站数量也持续性增加，电磁环境处于不断下降的状态，增加了有害干扰信号，干扰信号具备复杂性和繁琐性特征，使检测干扰信号的难度增高，信号识别技术在无线电频谱监测工作中的运用，能够使工作人员快速捕获非法的无线电信号，从而查处非法的设台。进行信号识别的要点是全方面的分析和评估干扰信号的具体参数中涉及的中心频率、调制类型等。如此一来，能够在进一步掌握干扰信号特征的基础上制定出完善的解决措施，进而将干扰现象彻底解决。

2 数字接收机

（1）在创建频谱监测系统的过程中，应当全方面的做好空中无线电信号采集和接收工作，根据软件无线电有效分析监测频谱，用数字处理技术和数字识别技术提高无线电信号的识别效率和准确度，前端接收机硬件平台规范性决定了软件处理以后后端工作的开展情况，大多数技术指标直接影响了数字接收机的性能体现，尤其是在系统工程内应用接收机的状态下。

（2）数据采集模块和下变频模块相互组合形成了数字接收机，以总线嵌入式结构为主，该种类型的结构产生的优势特别高，可以提升数据传输效率，确保数据的完善性，为工程稳定性和整体性体现奠定技术方面的保障。NI 数字接收机组成模块表现为数据采集模块、下变频模块和总线机框模块。其中，总线机框模块可以提供充足的电源，有效嵌入总线下变频模块，采取输入阻抗的方式控制频率，将视频信号移动到中心频率，而下变频模块则是扮演着模拟接收机的角色。最后，数据采集模块将此种类型的模块称之为A/D转换模块，具备的功能是将下屏模块内的输出模拟信号转变成数字中频信号，同时体现出数字下屏的整体效果，图1 是一种普通的数字接收机外观照片。

图1： 一种DDF255 型数字接收机

（3）在采集数据的过程中，一般是以两种类型的数字信号输出方式为主，分别是64m sampler/s的诉速率有效收集，开展模拟中频的采样工作，输出数字化信号。然后是收集的信号，利用FGGA 实施数字下频，输出数字信号。为了全方面的处理中频数字信号，NI 可以提供PXI 模块，把PXI总线嵌入计算机当程控制器看待，必须规范性的操作系统，同时全方面的接收和搜集数字类的中频信号，从后端软件内处理信号，利用控制器和显示接口输出信号频谱有效连接。

3 信号的收集整理和检测识别以及在频谱监测中的应用

3.1 收集整理信号

在当前阶段中，信号一般是模拟信号，不过伴随着计算机技术的创新和改进，数字化信号演变为研究领域的一项重点，在应用过程中基于信号有着特殊性特征，因此增加了信号应用的难度，具体表现为应当和基本要求相符合，保持频谱之间的对称性，为了解决难题，突破限制，在这一背景下形成了复信号分析理论，而且处于频域尺寸和调制域方面，时域信号占据着重要的地位，加强对时域信号的探究和了解程度极为关键，时域信号是通过解析信号、正交信号以及实信号的方式清楚的体现出来，各项不同类型的表现形式特征也有着诸多的差别存在，可以在不同的工程中加以应用，在具体工程开展期间应用的时域信号包含了解析信号、正交信号和实信号。在工程开展过程中，实信号是从数字中频信号接收机内形成的，为了获取各项阶段内的视频信号，比如雷达、话音信号等，一般是把视频前端当成宽开，如此的话，经过下变频器的信号跨度非常宽。NI 变频输出信号宽20MHz，中心频率处于15MHz 方面，这就应当提升A/D 的采用效率，全面控制采样效率的合理性。

3.2 信号的识别分析

无线信号的调制之所以是信号识别工作的核心，其主要原因是无线信号在通信过程中，会加到载波上，改变了无线电信号的频率，使其频率和信道传输频率相一致，也就是说，调制是事先将信号的载波进行了处理和改变，特别是分解了信号承载的信息，将它变成数个参量，使信号的幅度得到了调整，信号载波的处理和改变一旦完成，信号调制工作就大功告成了。分解信号和整合信号这两个操作过程是一组正逆操作，也就是无线信号的调制和解调，通过这种逆变，完整的将需要传递的信息通过空中进行了传播，进而达到无线通信的目的。

对于调制识别的无线电信号识别技术来说，有决策论和模式识别两种方法，决策论方法是在决策理论的框架下，提出先验信息，用概率论和符合假设检验理论，导出检验统计量，从而实现调制模式的自动识别，他的缺陷是计算量大，特别是海量信息数据面前，不容易处理；模式识别法不需要假设条件，采取的方式是对信号分类提取，截获信号之间的特征差异性，是一种信号的盲识别，在实际的应用中，大都采用模式识别法。

信号识别分析在信号认证、干扰识别、无线信号侦听与监测和认知无线电等领域被广泛应用，一般的，信号的搜索、信号的捕获和信号的分析都属于信号识别的范畴。频谱监测中的信号识别，大大提升了无线电信号的监测水平，对频率的规划和指配、电磁环境测试、发射台站的规划和管理、无线电干扰的查处以及无线通信安全保障，都起到关键作用，显示出了巨大的技术优势。信号识别的步骤分为无线电信号预处理、无线电特征提取、特征选择及分类识别三个部分，如图2 所示。信号预处理阶段是对无线电信号进行分块，以便于更好的进行信号特征提取；无线电信号特征提取阶段是通过各类信号的特征对分块后的无线电信号进行信号的区分，辨别他们的时域特征和变换域特征；特征选择及分类识别阶段，通过分类器对提取的信号特征进行判别分类，达到信号识别的目的，这是复杂混合信号的识别最有效的手段。

图2： 信号调制解调识别的流程图

对发射信号进行频谱特性分析，包括分析发射频率杂散辐射范围，发射功率是否为核定的工作范围内工作，发射带宽的要求规范，信号场强在合理范围，谐波及杂散辐射过滤有效，调制及解调方式符合规定，这些无线信号的监测，需要强大的监测设备做支撑，要求功能多样而精细，具有多种信号分析解调和识别能力，具备监测数据自动处理和统计分析、超标信号监测能力、低截获瞬时信号测向定位能力，具有多通道监测和测向射频模块相互转换硬件结构系统。在信号识别过程中，有效计算频段利用率和频带占有度，统计出测试结果，为频率支配提供参考，与此同时，动态性的评估和判断非法台站造成的干扰影响，保持无线电通信秩序的稳定程度也十分重要。可是在查找干扰的过程中有着较高的难度，由于无线电传播具备不确定性特征，本身受到了地形和大气等因素的影响，还有涉及到建筑物的反射和折射强要素的始终贯穿，难以精准的定位干扰源，尤其是工业方面的干扰源，所以应当将估计参数引进到信号参数中，以不同干扰信号的特征为主，动态性的分析干扰源的类型和调频信号频谱，为排查干扰提供技术方面的支持。

3.3 具体在频谱监测系统中的应用

时频分析法的思想是通过构建一个函数，同时使用时间和频率的信息描述信号的能量密度，用这一函数计算某一确定的频率和时间范围内能量的分布情况，这种分析法在一段时间以来，相继提出了多种形式，包括短时傅立叶变换、维纳分布、小波变换等。在无线电频谱监测系统应用时频分析法的过程中，是基于创新和改善系统基础上形成的，体现出系统的优势，不展开大规模的系统改动，构建新型的监测系统，根据函数实现相应的发展目标。无线电监测系统的组成结构表现为数据采集模块、下变频模块、控制模块、频谱监测表现层等。首先，将数据采集模块和下变频模块当成硬件平台，相互组合形成数字接收机，剩下的部分则是软件功能，从计算机内体现出来，分析模块是为了凸显出时频分析和参数估计的功能，具体涉及了信噪比的估计和信号以及时频谱的分析，频谱测量改善了场强预测和中心频率等一系列功能，控制模块获取数字接收的指令，操作数字接收机功能表现为设置扫描频段和信号捕获条件以及参考电平等。频谱监测表现层可实现改善交互、用户界面和数据库管理等多项功能。

4 无线电频谱监测技术类型

频谱监测系统工作原理操作十分简单，规范性的应用该项系统能够有效的检验无线电工作环境下形成的各项数据，同时检测出受到限制的频谱系统，在合理应用的基础上整合各项资源，提升频谱利用率，将频谱资源缺失现象有效解决，抑制对无线电频谱监测造成的不良影响。关于无线电频谱监测技术的类型表现在以下几方面：

4.1 对监测频段加以确定，有效的设置扫描起止频率

在设置无线电监测系统参数的过程中，相关人员应当对相同业务扫描频段加以设置，比如滤波带宽和起止频率，发挥出无线电监测系统的整体效果，相关人员依照技术指标规定要求有效选取频段扫描方式和测量方式，如图3 所示，是设置了两个不同的频段进行扫描，无线电频谱显示出不同的信号特征。而且，为了从中获取准确的监测数据，工作人员设置连续监测时间的过程中，尽可能延伸时间间隔，降低时间设定对频率占用程度造成的不良影响，从根本上保障无线电监测系统频率占用度统计的准确性和可靠性。

图3： 一高一低两个频段的频谱图

4.2 单点频谱检测技术

从实际情况来看，在无线电频谱监测过程中，单点频谱监测技术是十分常见并且应用极为广泛的一项技术，可以将单点频谱检测技术划分为多种类型。

（1）匹配滤波器监测技术，在日常工作和生活期间，匹配滤波器监测技术产生的效果良好，被称为一件硬件监测，要想达到稳定运行的目的，就需要在进入运行前期阶段中检测出有关的硬件系统。

（2）能量监测技术，该项技术的特征表现为直接监测信号内传输的信号和背景噪声功率，是非相干监测的技术方式，能量监测技术有着便捷性的特征。

（3）循环频谱监测技术。循环频谱监测技术的特征是合理的划分信号和噪声，在信号类型监测中有着非常高的作用。

4.3 设置监测统计门限

在无线电监测体系内，监测门限电平是数据收集的一项基本参数，要想使相关技术人员对监测数据全方面的统计和探究，应当合理的设置监测数据，门限水平不可以太高，重点考虑监测地点具体情况和频段的业务类型。一般情况下，作业人员可以采取以下两方面方式进一步确定监测门线的电平值。

（1）借助新信号搜索功能连续性的扫描频段，同时在扫描工作开展过程中，把噪声谱和阈值谱相关参数设置成某项值，进而获取标准的频谱图，将该项阈值谱中的电平值设置为基本的监测门限值。

（2）在无线电监测系统并未现出阈值谱显示功能的情况下，相关人员可以在获取频段噪声电平值的基础上增加有关数值，当成监测门限电平值参数看待。

4.4 多点协作频谱检测技术

（1）在对技术检验过程中，以PU 信号为主，将导频插入SU 内部，逐一检验接收端的滤波器性能，获取准确的信噪比，该项方式对信号准确性提出了十分严格的要求，当信号准确性下降的话，必定会影响到整体结果，并且在调节信号过程中，必须保持两者处于同步运行的状态。

（2）特征检测技术。不同信号内具备的特征也是不一样的，在使用该项方式检测信号的过程中，可以根据相关特征动态性的检验，以信号不同特征为主绘制相应的信号谱，此种图谱有着较高的优势，即便是被其他信号所干扰以后也可以从图谱中仔细的分辨。

（3）本振泄露功率检测技术。在接收机处于工作状态下，应当做好高频信号的处理工作，形成相应频率的信号，提升低频信号的传播性，在传播信号期间，一般是通过天线的方式传播到外界中，全方面的检验接收机本振动泄露功率，探究信号是否存在着泄露现象，进而明确接收机是否处于良好运行状态。

（4）干扰温度检测技术。接收机运行状态下产生的温度是非常高的，而且环境内也有着相应的温度，这些温度直接干扰了检测性能，比如接收机干扰温度非常低的情况下不超出最大限度，就应当调整接收机应用频段空洞，而应用该项技术干扰温度特别大，远远超出了限定温度的情况下，就表示该项区域的频段存在着问题，通信性能不佳，整体效果不高，必须马上关闭。干扰温度较低，表示频带较好，通行性能非常强，可以有效的应用。

5 无线电频谱监测统计策略

5.1 提升管理工作效率

无线电频谱监测统计工作能够了解到数据变化和发射功率等多方面的影响，避免非法信号干扰问题的出现，为完善数据库奠定了良好的基础，在进一步健全无线电频谱监测统计制度的基础上提升管理工作效率，使该项工作更加具备技术化，具体视情况分别采用匹配滤波监测、能量监测、循环平稳特征监测等方法进行。

5.2 检验设备运行状态，提升技术人员专业能力

在科学技术创新和改进的背景下，无线电频谱监测统计工作朝着专业化趋势发展，无线电频谱监测统计制度也会更加完善，为技术人员掌握无线电磁环境变化情况奠定了良好的基础，而且我国管理部门也构建了相应的监测技术规范，伴随着监测统计工作的更新和优化，无线电监测设备的发展和使用也向纵深发展，硬件无线电和软件无线电均得到增强，这些都有效激发了专业技术人员的积极性，提升了人员的专业水平和监测能力，使无线电管理工作更加技术化。

6 结束语

从以上论述来看，频谱监测的信号识别有助于无线电频谱的管理和发展。在现阶段中，基于数字处理技术的创新和改进，软件无线技术、数字信号处理、时变谱分析技术等都有了一定程度的完善，并且无线电频谱监测技术也处于全面改革的状态，频谱监测摒弃了以往传统类型的频谱分析、测量和统计方式，朝着定位时变谱分析法、参数估计和提取信号特征等多方面趋势迈进。在本篇文章中主要以数字接收机和信号分析法的操作原理为主，论述了信号识别的无线电频谱监测系统组成结构，同时借助该项系统全方面的分析各项信号情况，特别是针对复杂混合信号的识别进行了研究，精准的识别和定位信号源，避免产生无线电干扰现象。