听觉感知在短波信号监测识别中的应用研究

罗争++杜军++刘洋++龚坚

摘要：针对短波信息监测识别难度大、方法单一等问题，本文在研究现有短波监测识别方法优缺点的基础之上，提出了基于听觉感知技术的短波信号监测识别新方法，分析了算法的监测识别步骤，使并用实际采集的四类典型短波信号音频数据测试了算法性能，实测结果证明了算法的可行性和科学性。

关键词：听觉感知 短波信号 监测识别

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0122-02

短波信号监测识别作为电磁频谱监测的重要组成部分之一，无论是对短波通信保障，还是对短波电磁环境监测都具有重大现实意义。然而，现有的短波信号的实际监测识别水平较低，仅仅是通过人工操作解调AM、FM、CW等传统调制类型信号，依靠工作经验对信号中携带的语音信息进行监听和分析，严重制约了短波监测识别的水平和作用发挥。

对于短波信号自动识别问题，国内外学者已經做了大量的研究工作，归纳起来，传统识别的方法主要有判决理论法和模式识别法两种，但受通信信息技术的快速发展、信号保密性日益增强、调制类型的逐渐增多等因素所致，短波信号自动识别方法的类型确实有限，调制识别方法在低信噪比和真实信道下的应用效果较差。

听觉感知技术具有时频分析、听觉掩蔽、多源并行处理等独特优点，可快速对多种声音信息做出处理，并获取相关有价值的信急。将听觉感知技术应用于声音的识别一直国内外的研究热点之一，已有许多模拟人耳听觉系统功能的听觉感知计算应用模型，一些接近实用的听觉计算模型已被广泛应用于语音信号处理、水下目标识别等问题，并获得良好效果。短波信号的音频特征符合听觉感知处理技术的特点，因此，本文在研究国内外现有的信号识别方法的基础之上，将听觉感知技术引入短波信号识别问题，提出了基于听觉感知技术的短波信号监测识别新方法，给出了识别步骤，利用实际采集的典型短波信号音频数据，验证了方法的可行性和科学性。

1 基于听觉感知的短波信号识别

1.1 听觉感知及其特点

根据人的生理特征可知，人的听觉系统是一个良好的频谱分析仪和模式识别器，能高效率地分辨出各类声音源，并能有选择性的在多信号并发的环境中，对感兴趣的信号源的声音特征进行分析提取。相比于视觉处理技术，听觉感知技术拥有许多视觉处理不具备的优点：

（1）从生理特征可知，听觉能高效辨别周期和非周期事件、检测连续信号中微小的频率变化，对暂态特性和时变特性的感知能力较强，然而视觉对快速变化的或者暂态的数据会变得模糊不清或完全丢失，但却很容易用听觉处理技术呈现。

（2）听觉感知具有全向特性，可以引导视觉及其他感知技术，可以说“听觉是视觉的眼睛”，非常适合用于监视和报警等问题，特别，当无法预先知道威胁等级方向及多威胁并发的问题，或者全向感知问题。

（3）听觉感知技术易于学习、应用，可同时监视、处理多数据源并行输入问题，能快速检测信号异常、辨别数据源的相互关系。

基于以上分析可知，相比于传统的判决理论法、模式识别法的短波信号识别方法，将听觉感知技术应用于短波信号监测识别问题，会产生较大的应用价值，特别是对于低信噪比、多信号源并发、异常信号监测等问题，新方法的应用效果更好。

1.2 基于听觉感知的短波信号识别过程

本文提出的基于听觉感知技术的短波信号监测识别新方法主要由信号预处理、信号特征提取和信号分类识别三个部分组成，新方法的信号识别的基本过程如图1所示，各部分的基本功能如下所述：

（1）信号预处理。在短波通信中，由于信号分布相对密集，为了减少信号间的相互干扰，应对输入的待识别信号进行预处理，主要是完成去直流，幅度均方值归一化处理，为下一步的信号特征提取提供可处理的数据。

（2）听觉特征提取。特征提取是信号分类成功与否的关键，从听觉感知技术的原理出发，通过模拟人耳对声音的感知过程，利用听觉模型提取短波信号声音的响度、音调、音色等特征。

（3）分类识别。分类识别的功能则是选择和确定合适的判决规则和分类器结构，从而得到可信度较高的识别结果。常用的分类器有线性分类器、模糊分类器、神经网络分类器和基于假设的Bayes分类器等，本文主要采用决策树结构的分类器。

1.3 算法实际信号测试

为了验证本文提出的基于听觉感知的短波信号监测识别方法的可行性，我们利用短波监测系统，实际采集了典型短波信号的大量音频数据，主要包括莫尔斯、数据传输和短波广播等信号，调制方式包括AM、FSK、QPSK等。如图2所示。

图2显示的是利用基于听觉感知的短波信号监测识别新方法对QPSK、PSK、MFSK、MOOSE四类典型实际短波信号析处理的结果，图中主要显示了不同信号的时间-幅度图，音频信号频率特性图，从测试结果明显可知：不同类型的短波信号，其音频特征都各不相同，QPSK调制短波信号幅度特征规律明显，PSK则无幅度变化，MFSK音高变化幅度较大。无论是时间-幅度特性，还是频率-音高特性，都能明显区识别出各类短波信号。

2 结语

针对短波信号识别方法单一、识别难度大的问题，本文在分析传统短波信号分析处理方法优缺点的基础之上，将听觉感知技术应用于短波信号的监测识别问题中，提出了基于听觉技术的短波信号识别方法，并用实测数据验证了新方法的可行性，计算结果表明本方法具有较大的实际应用价值。

参考文献

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收稿日期：2016-09-18

作者简介：罗争（1986—），男，汉，江西南昌人，工程师，硕士，研究方向：电磁频谱管理与信号处理研究。