无线电监测中的信号处理技术应用分析

张 铸

（中国电波传播研究所，北京 102206）

0 引 言

对无线电信号进行的有效监听监视、特征识别、参数测量以及定位等工作，统称为无线电监测，主要目的是有效识别和定位不明信号源及干扰信号，并通过科学的信号处理技术进行有效处理。所谓的信号调制识别，指的是在复杂环境下确定信号的调制方式及参数，便于有效处理信号。但随着通信技术的深入发展，各种各样的信号充斥在空间中，使得信号调制识别工作变得更加困难。

1 无线电信号调制识别方法

1.1 判决理论方法

此方法主要依据假设检验和概念论。在使用该方法的过程中，主要是借助信号统计特性，对其信号类型进行理论分析及推导计算，获取到检验统计量，以实现平均风险函数的最小化[1]。但此方法实施起来相对复杂，即使处理简单的信号，也需要进行复杂的数学公式，无形中会直接增加信号调制识别的工作量，因此并未得到广泛的应用。

1.2 统计模式识别

统计模式分两步进行信号调制识别：一是提取信号特征，在接收到的信号中提取出有别于其他信号的参数；二是识别，需要根据信号的特征来选择调制方式。与判决理论方法相比较，统计模式识别要更为便利，不需要对其进行条件假设，可以完成信号盲识别，对于截获信号的处理工作有着极大的帮助，因此得到了广泛应用。

2 无线电信号的调制识别和提取

在开展无线电信号处理之前，要先对无线电信号进行调制识别，按照不同的载波调制参数可以将调制分为振幅、频率和相位调制3种，分别用AM、FM以及PM表示[2]。通过信号频率转换法来转换不同频率的信号，同时借助相关的调制解调器监听转换频率之后的信号内容，并在此基础上对信号进行有效的识别和判断。随着科学技术的深入发展，无线电信号开始不断增多，且信号形式越来越复杂，推动着调制识别技术开始朝着自动化方向发展。上述文中提到的判决理论法和统计模式识别法是自动调制识别技术中常用的两种方法，由于在实际应用过程中统计模式识别法更为广泛，因此本文将主要针对统计模式识别法来分析无线电信号的调制识别和提取。

2.1 瞬间特征值的提取

瞬时特征提取流程图如图1所示。此提取方式借助统计模式方法，分为信号提取与识别两方面。通过提取瞬时信号中的相关参数，对瞬时频率信号开展调制工作，最终实现调制识别的目的。

图1 瞬时特征提取流程图

这一过程的关键在于瞬间特征值的提取。要想提取出瞬时特征值，要先定义好已调信号s(t)及相应的调制信号m(t)，其中s(t)可表示为：

式中，ωc为载波频率；g(t)是s(t)的复包络；m(t)则承载于g(t)中；G[·]则代表着m(t)到g(t)的映射函数，其取决于调制类型。通过公式计算出瞬时频率，然后借助Hilbert变换解析信号。

2.2 模拟与数字调制信号的识别

信号调制有模拟调制与数字调制两种，其最大的区别是数字调制信号具有符号率（即码元传输速率）。因此要想判断出已调信号属于哪种调制信号，可直接分析已调信号中是否存在符号率来进行判断。

在数字调制信号的过程中，所有的信息表现为符号码元。当信号进行数字调制时，信号出现变化后会直接改变信号的瞬时频率、相位或幅度，而且在改变点呈现出的参数信息代表着符号率的相关信息，所以通过在已调信号中提取码元突变引起的细节突变点，便可以估算该信号的符号率，从而判定其为数字调制信号[3]。

3 信号的解调方法

3.1 AM信号解调方法

AM信号解调主要分为相干解调法和非相干解调法。全数字解调器采用的是相干解调法。通过分析AM信号频谱可知，对该信号进行相乘运算能够从已调信号中获取到原始信号。将已调信号同频相乘一个载波信号，便可以获取到一个低频信号和一个高频信号，然后再借助低通滤波器对其进行区分，最终可获得原始信号[4]。在AM信号中，时间波形可以表达为：

式中，A0代表外加直流分量；f(t)为调制信号，不论该调制信号是确知的还是随机的，都不影响该公式的运行，但通常情况下，其平均值是0；ωc指的是载波信号的初始相位。AM信号的相干解调原理如图2所示。

图2 AM信号相干解调原理图

3.2 FM信号解调方法

FM信号解调是一种非线性解调方法。该方法在应用过程中需要对一个未载波的信号进行相位调制，保证其幅值不变的基础上，初始相位为0，此时瞬时角频率调制信号的线性函数就是频率调制（Frequency Modulation，FM）。为了方便分析，可以简化公式：

式中，A代表幅度；ωc为角频率；φ为相位。这3个参数都能够携带信息，最终构成一个已调信号。如果保持A与ωc不变，瞬时相位出现偏移，使其成为调制信号的线性函数，那么此种信号调制方式则是相位调制（Phase Modulated，PM）。FM与PM都属于角度调制[5]。

解调主要是输出电压与调频波生成线性关系的过程。输出电压是解调过程中的重要一环，而实现电压变换的重要元件是频率解调器。近几年数字信号处理技术得到了深入发展和应用，将其应用到频率解调器中，生产出了全数字解调器，如图3所示。

图3 全数字解调器示意图

4 无线电监测中信号处理技术分析

4.1 时差估计技术

在信号处理过程中，最为关键的便是时差估计（Time Difference of Arrival，TDOA）技术。该技术在应用中能够在短时间确定目标位置，有着极高的精准度，应用效果显著，是目前各个国家在信号处理技术研究中的重点方向[5]。

在应用时差估计技术时，主要借助相关法完成操作，简单来说就是确认不同信号的差异性和相关性。不同传感器所接收到的数据参数是有着一定关联性的，通过有效处理信号通道噪音能够进一步加深二者的联系，此外通过分析不同信号之间的相关性，借助sinc函数插值法能够估算非整数时差，但运算量较大[6]。研究发现，此技术应用到时差估计测量中能够取得良好效果，还能够有效降低有色噪声带来的影响。

4.2 NLOS误差识别与抑制方法

4.2.1 实际信道环境对时差定位的影响

在应用时差估计技术的过程中，如果信道环境不理想，建筑物阻挡了辐射源与基站之间电波传播的视距（Line-of-Sight，LOS）传播，那么电波便不能完成LOS传播，只能通过折射和反射等方式来完成传播。TDOA技术在对辐射源进行定位估计时，与具备LOS路径相比较，其测量值会产生误差分量[7]。这种误差测量值如果应用到辐射源的定位估计中，将会导致定位算法性能下降，从而造成估算位置偏差。

4.2.2 一种抑制TDOA估计中NLOS误差的新方法

有文献曾经提出了一种新方法来有效抑制TDOA估计中带来的非视距（Non-Line of Sight，NLOS）误差，通过计算TDOA测量值相对于辐射源参考位置的残差来有效鉴别NLOS误差，具体如图4所示。MS作为辐射源，BS为定位系统，当MS与BS之间具备LOS时，3条TDOA双曲线的H2、H3、H4非常接近，几乎相交一点，这种情况下便能够准确估计到MS的位置。此种状态下TDOA的残差是小的，一旦BS3与MS之间具有NLOS，TDOA的双曲线就会从H3变为H2'，那么MS的位置就会处于H2、H2'及H4的相交区域，这种情况下计算的TDOA残差就会增大[8]。

图4 NLOS对时差定位精度的影响示意图

如果主站与辅站都受到了NLOS影响，那么TDOA测量引入的误差将会是两个均值服从对数正态分布的随机变量的差，差值取决于MS和BSi的距离。如果主站与辅站之间只有一个受到了NLOS影响，那么TDOA量值也会呈现出正负偏差问题。这个时候如果将TDOA测值的正负偏差修正到零，便能够有效降低NLOS影响。

5 无线电信号的监测方式

5.1 人工信号搜索监测

相关技术人员能够借助频谱仪和接收器等设备，采取声音监听和人工分析等方式来监测特定频段中的信号，但效率较低，而且人工信号搜索监测方式主要依靠人工，受主观因素影响较大，并不能够大规模应用在信号监测[9]。

5.2 自动信号搜索监测

此方法借助计算机软件及网络平台来实现信号的搜索，具有较高的自动化性能，极大地提升了信号搜索效率[10]。在信道环境良好的情况下，该方法与人工信号搜索相比具有更低的误检率，但不适用于信道环境复杂的条件。复杂的信道环境会造成漏检率升高，此时有关技术人员应该根据实际情况分析信号搜索技术，从而选择更为合适的搜索方法。

6 结 论

随着无线电通信技术的深入研究和发展，无线电信号的数量和种类越来越多。要想降低其他信号的干扰，必须要准确判断干扰信号的来源。借助信号处理技术来降低干扰程度是保障无线电通信传输质量的关键。在无线电监测过程中，技术人员可以依据信号处理要求对信号进行调制识别及参数评价，便于区分不同类型的信号，以提升整体的抗干扰能力。目前，无线电通信技术尚处于发展阶段，无线电监测过程中的信号处理技术也还在不断探索和研究中。这就要求相关的技术人员要时刻秉承学习精神，积极学习先进的信号处理技术和方法，不断提升无线电监测工作水平。