无线电监测中的信号处理技术应用

2023-12-12普洱市无线电监测站孟宪武

数字技术与应用 2023年10期

普洱市无线电监测站孟宪武

近年来，无线电设备与相关技术在我们的生产生活中十分常见，有效促进了信号处理与数据分析。虽无线电技术日渐进步，但随着电磁环境的复杂化，信号干扰问题时有发生，这一情况已经成为制约信号传输的关键因素。因此，为提高信号传输质量与安全，做好信号处理十分关键，特别是大数据时代下，有关企业必须持续创新信号处理技术，形成良好的通信环境。基于此，本文重点分析了无线电监测方面的信号处理技术，以期为实际工作提供技术指导。

进入互联网时代后，我国的通信技术发展迅速，特别是无线电通信技术的应用范围持续扩大，且在未来还有巨大的发展潜力。相较而言，无线电技术具有灵活性、便捷性，多年来我国无线电通信技术、监测技术等发展迅速，取得了一定的成就，但同样存在一定的发展问题，如无线频带拥挤、互联不够、抗干扰性有待提高，制约了无线电技术的发展但也为未来的发展指明了方向。为发挥无线电技术的优势，在各个领域的无线电监测中需科学利用信号处理技术，以获得可靠的信号，保障通信质量。

1 无线电监测的内涵

无线电监测是当前通信领域提及较多的词汇，实际上就是在特定区域内对无线信号加以定位、捕捉、截片、识别、解调与分析的过程。在特定的区域内通过配置各种无线电设备，可采集、接收无线信号，进而将采集的信号转换为可读数据，达到通信目的。无线电监测能发现信号传输中存在的干扰等异常情况，进一步提高通信质量，但无线电监测具有专业性，涉及的技术较多，如单点频谱技术，在通信网络内应用该技术时，滤波器、能量监测与循环频率的应用频次较高，但每一种都有其适用条件和优缺点，需根据实际情况来选择。结合大量经验，滤波器与硬件相关电波监测的匹配度较高，能量监测可检测正在传播的信号，循环频谱可对降低噪声干扰等较为有效[1]。另外，无线电监测方面也包含多点协作技术，该项技术为单点监测的创新，经由全方位监测可进一步检验监测信号的可靠性。总之，无线电监测中的技术类型较多，为提高通信安全与质量，利用无线电技术时需注意引入多样化、现代化信号处理技术，根据通信传输要求，使信号处理技术与通信网络体系相符合，发挥各种信号处理技术的优势，高效、准确处理接收到的信号，最终经由处理后的信号获得通信数据。

2 无线电监测方面的信号处理技术

2.1 信号调制识别技术

信号调制识别技术就是对所输入的信号计算其瞬时参数、特征参数，根据计算结果识别信号类型或者相关信息。对信号的识别过程实际上就是计算和分析这些参数的流程。因此，调制信号的关键是在原有输入信号中添加符合要求的载波，保持信号频谱、信号传导传输要求的匹配度。当处理信号时要从中提取信号瞬时特征的相关数据时，必须采用合理方法得到信号的非线性相位分量；计算信号瞬时频率阶段，差分法或者频域法都相对适用；计算瞬时特征值时载频为关键参数，可采用频域估计法、时域估计法，得到载频数据，时域估计法虽应用较多，但其对弱区间的信号十分敏感，易受干扰[2]。针对无线通信中的信号特征参数，相关学者提出的关键信号调整参数方案为信号解调的有效方式。

2.1.1 瞬时特征值提取

瞬时特征提取法在统计模式识别应用中的应用频次较高，具体的操作中先提取再识别，但这两个过程相比较，识别过程的难度大，需引入合理方式估计瞬时频率、相位、幅值等有关参数，在此前提下选择恰当的调制方法调制信号。调试识别的技术要求高、操作难度大，不仅需提取特征信息，更需分类识别信号。如在实际的工作中需从大量的信号中提取出特征值，有关人员需在计算机系统中定义已调信号、调制信号的函数，在此前提下再依据相应的规则得到结果，最后通过希尔伯特变换得到解析信号，以此来确定信号的类型及重要性，在后续的工作中合理利用该信号[3]。

2.1.2 特征参数集

样本分类同样为相对重要的步骤，在此步骤中又细分为多个小步骤。为实现科学、合理分配，有关人员需制定规则，通过定义函数筛选得到特征信号。因为原始信号具有海量性特征，其信号中包含了许多无用信号，如未筛选这些信号，将导致运算、处理和分析的工作量较大，无法保障识别效率，而通过提取特征信号可解决这一问题，提取出特征信号后的信号总量大大减少，运算量减小，识别效果相对理想，基本可满足实际的工作需求。

信息时代下无线电监测方面的研究逐步增多，调制识别技术呈现多样化、现代化特征。无论哪种调制识别技术，在实际的工作中都有多个参数，以参数差异为依托，信号可分为以下几种：（1）零中心归一化瞬时幅度之谱密度最大值，提取瞬时幅度值时这一参数作用突出，当得到该数值后，可准确识别FM 信号、FSK 信号；（2）零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对值标准偏差，此数值与瞬时相位之间有着紧密的联系，利用该值能区分ASK、2PSK 信号；（3）零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量标准偏差，可区分PSK、QAM、ASK 信号。

2.2 信号解调技术

信号解调与调制有一定联系，从过程分析，解调为调制的逆向过程，此过程为信号接收终端负责，当在前期得到了载波信号后，以一定的算法获取该载波信号的原始基带信号，此过程就是解调。当前的无线电通信领域，信号解调的对象为调幅（AM）、调频（FM）、调相，解调AM信号时，就是用调制信号精准调节载波的震荡幅度，改变信号的波动状态。AM 信号的解调有非相干、相干之分，但不同类型的解调方式适用于不同情况。相干解调法在全数字解调器中的应用效果良好，因为AM 信号的频谱特殊，在已调信号进入原始信号状态时，有相乘运算过程，低频与高频信号由已调信号同频与载波信号的乘积。FM信号的解调中，因为初期信号并非为线性变化，需通过配备频率解调器调制出线性频率的电压输出。FM 本质上为角度解调，其解调过程需考虑更多方面，相位调制相对有效，但需考虑幅值与初始相位的大小及变化趋势。

2.3 A/D 转换

无线电监测中的信号处理中，A/D 转换技术也有一定的应用，以软件无线电为例，由于其接收的为射频信号，该信号经由射频前端处理后形成宽带中频信号，由于现有的技术存在一定的局限性，单纯利用中频对模拟射频信号实施量化。A/D 转换技术下，为达到最佳的转换效果，必须使采样速率、位数符合有关标准，信号带宽为影响采样速率的主要因素，一般采样速率为带宽的2 倍，在实际应用中，采样速率需超过带宽2 倍，在处理时还要考虑采样后对数据精度的特殊规定。无线电监测中的A/D 转换器，虽可选择的规格较多，但市场上的A/D 转换器功能多样，性能参差不齐，考虑到信号处理中的规定，所配备的转换器应具有良好的性能，如AD 公司生产的AD6640，在信号传输中可高效处理输入的模拟中频信号，这一转换器的单片结构为12 位，内部含有采样。

2.4 正交采样技术

在无线电监测方面也需用到正交采样技术，如涉及该项技术，为发挥技术优势，相关人员需根据技术规定将数字信号划分为两个分量，形成与原始信号相同的信号时将其中的一个分量乘以正弦波，下变频到零中心频率，另一分量乘以90°相移的正弦波。从这一信号处理过程来看，利用正交采样技术时对采样率并未严格规定，采样负担小，相对便捷。

2.5 多采样数字信号处理技术

无线电监测是一个动态化过程，为实现实时监测，提升监测效率，需构建完善的数字系统，以提高数字信号的采样率。目前我国通信行业的发展迅速，结合无线电通信的技术现状，带通的采样带宽越宽越有助于信号处理，如能提高采样率，就可同步增大采样量化时的信噪比。软件无线电系统的构成复杂，其中包含的构成要素较多，为保障该系统可靠运行，应选用高速率的带通采样速率设备，但很多时候这一情况难以实现。一个无线电信号的带宽保持在几十千到几百千赫兹之间，但对信号采样速率并无严苛规定，采用降速方法处理采样数据流相对可行。

2.6 时差估计法

信号传输中需考虑时差因素，如能考虑这一因素，就可提高信号处理水平。从这一方面分析，无线电监测的信号处理中也可采用时差估计法，应用这一方法时关键需分析时差定位，就是掌握多个无线电监测时信号的到达时间，在到达时间差中给每个时间差绘制其双曲线，通过寻找双曲线的交点找到信号源、空间区域。因此，如在无线电监测中采用时差估计法处理信号，需采用正确的方式得到信号时差的估算结果。时代发展的过程中，相关学者在信号时差估计方面展开了大量的分析，陆续出现了更多的方法，普通、广义与循环的应用频次较高。普通时差估计法为最为基础的方式，具体的估计中直接估算输入信号的互相关系数、抵达监测站点的时间节点，引入极大似然得到结果；广义的估计法从本质上来看为互相关估计，为普通估计法发展而来，在信号功率谱中添加了一个负指数比例因子进行加权处理，最大程度上减小噪声对信号的负面干扰，在此过程中的加权可采用POTH 脉冲响应、SCOT 平滑相干变化、Eckart 滤波器等；循环相关估计下分析了信号的循环平稳特征，通过构建函数，并利用频谱来获取信号时差，可选择CCCC、SPECCORR 等方法，每种方法下的抗干扰、抗噪音能力各有不同，在应用时需结合实际情况来选择。

2.7 NLOS 误差识别与抑制

无线传输有多种渠道与形式，信号源与电波基站的视距传输常被称为LOS，一旦在信号传播过程中受到了其他建筑物或者构筑物的阻挡，电波信号仅能以非视距方式来传播，就是NLOS。根据NLOS 的信号处理方式，其中着重分析了环境对传播的干扰，比较NLOS 和LOS，前者有附加时延，在时差影响下，监测人员所得到的相关数据与实际有偏差，估计的信号源位置不准，定位精度不高。信号传输过程中NLOS 现象是比较常见又很难完全杜绝的，如要彻底避免这一情况，需识别、误差抑制信号传输误差，在当前无线电监测方面，这是一个热点议题。

无线电监测中的NLOS 误差识别中，Wylie 方法较为有效，规范应用这一方法可获得理想的识别结果。在采用Wylie 进行NLOS 误差识别时，每一TOS 值都与以往监测时间有紧密联系，但这一测量值不仅需要关注这一方面，还需要同步考虑噪声标准差、残差分析值，结合组中结果验证信号测量值是否有NLOS 误差。但利用Wylie有必要条件，就是TOA 测量样本标准差必须超过LOS 情景标准下测量的数据标准差，通过对比样本标准差、数据标准差，即可知道信号是否出现了NLOS 误差。当然，信号处理中识别NLOS 误差时不仅局限于Wylie 方法上，包络法的应用频次也相对较高，如有NLOS 误差，信号在短时间内存在较大损失，通过包络法能有效判定信号的非视距损耗情况，但为保障判定结果的合理性，应判定信号数据是否存在调幅处理过程，如有调幅处理过程，不宜采用这一方式，与此同时，如信号中某条信号强于其他信号，得到的识别结果将有较大误差。残差分析法在识别NLOS方面也较为常用，对比信号时差测量值与信号源估计位置的残差，就可判定信号是否有NLOS，这一判定方式下要获得相对准确的判定结果，重点要关注MS 位置，根据经验，与MS 的真实位置越接近越好，但在实际的工作中，因为该数值并非一个固定值，为此，需通过假定模拟的方式来推导，推导时若明显违背事实依据或客观规律再考虑MS 的其他情形。无线电监测中如MS 中少数的BS存在NLOS 误差时，残差分析结果相对可靠。

为控制信号传输中的NLOS 误差，在信号传输或者监测中应采用误差抑制法。当前的通信领域，NLOS 误差抑制法相对较多，但在原先的条件下，因为技术发展尚不成熟，习惯采用视距重构平滑法，根据NLOS 误差的产生过程，抑制NLOS 误差的关键就是大大减小视距损耗，因此，视距重构法为利用平滑指数减小电波波动数据方差的方式，在利用该方式时，应综合多种因素粗略估计信号源位置，随后在相应的公式下重构视距，得到的信号时差与实际的测量值相接近，但此时的数据方差较大，为解决这一问题，可对这些数据实施经验性处理，如为静态信号源直接选均值，动态信号源条件下利用Kalam 滤波法对数据实施平滑处理。目前的通信技术发展迅速，在信号处理方面展开了大量的研究也取得了一定的成果，个别专家提出了全新的抑制NLOS 误差方式，根据视距重构法的视距重构过程，NLOS 误差为信号误差中两个服从正态分布误差均值的差数，此数值与MS、BS 都存在一定的内在关联，为此，依据这一数值可判定无线电主站或者辅助站是否受到了NLOS 误差的干扰、干扰程度如何[4]。信号时差有正偏与负偏两种，如在信号处理中将这一偏差修正到零点位置，就可减小NLOS 对信号的干扰。