區(qū)域環(huán)境電磁監(jiān)測(cè)與信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)方案研究

李詩(shī)婧，馬 宇，王玉文，孟凡計(jì)

（電子科技大學(xué)空天科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 611731）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和無(wú)線電業(yè)務(wù)的發(fā)展，各種信號(hào)在空間中的分布越來(lái)越密集，特別是移動(dòng)通信信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)、無(wú)線局域網(wǎng)信號(hào)以及工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ISM）等領(lǐng)域中儀器設(shè)備在使用時(shí)產(chǎn)生的電磁泄漏信號(hào)，使得區(qū)域電磁環(huán)境變得復(fù)雜、擁擠且具有不確定性[1]。給民用、國(guó)防等很多方面業(yè)務(wù)和工作帶來(lái)方便的同時(shí)，也對(duì)信號(hào)捕獲、抗干擾等技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)，對(duì)間諜信號(hào)、泄漏信號(hào)、有害信號(hào)的監(jiān)測(cè)與識(shí)別問(wèn)題日趨突出，這些都對(duì)無(wú)線電管理提出更高的要求。

1 電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)分析

實(shí)現(xiàn)大范圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)，從成本上考慮是不現(xiàn)實(shí)的；所以，設(shè)計(jì)靈活機(jī)動(dòng)的區(qū)域電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)與信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，只監(jiān)測(cè)一定范圍內(nèi)的電磁環(huán)境。依靠最新推出的混合域分析儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)快速、準(zhǔn)確地搜索和捕獲，再利用虛擬儀器技術(shù)和信號(hào)識(shí)別算法對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理，給出監(jiān)測(cè)與識(shí)別結(jié)果，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無(wú)線電管理工作奠定了基礎(chǔ)[2]。

系統(tǒng)不僅給無(wú)線電管理工作提供了明確的依據(jù)和參考，還可以作為電磁泄漏監(jiān)測(cè)裝置，有效防止機(jī)密信息偵查和泄漏活動(dòng)，而且可以作為研發(fā)電磁兼容產(chǎn)品的檢測(cè)設(shè)備，對(duì)產(chǎn)品的電磁輻射水平做出科學(xué)客觀的評(píng)估[3]。

系統(tǒng)頻段覆蓋范圍廣，測(cè)量范圍為0.4～6GHz，主要監(jiān)測(cè)和識(shí)別全部的移動(dòng)通信信號(hào)、從毫米波至米波的雷達(dá)信號(hào)、2.4GHz和5.8GHz的主流無(wú)線局域網(wǎng)信號(hào)以及無(wú)線電臺(tái)、衛(wèi)星通信等信號(hào)。該系統(tǒng)架構(gòu)方便、體積較小、移動(dòng)性強(qiáng)，在越來(lái)越復(fù)雜的環(huán)境中，完全可以高效低耗機(jī)動(dòng)地勝任監(jiān)測(cè)工作。

2 系統(tǒng)硬件組成及功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)依靠接收天線來(lái)采集區(qū)域電磁環(huán)境信息，監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的異常信號(hào)將會(huì)被混合域分析儀捕獲分析，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)儀器的LAN口輸入主控計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的識(shí)別。系統(tǒng)采用LabWindows/CVI軟件平臺(tái)結(jié)合虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)完成，使用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語(yǔ)言[4]。

2.1 總線接口技術(shù)和儀器控制

系統(tǒng)采用新一代模塊化儀器總線標(biāo)準(zhǔn)LXI（LAN eXtension for instrumentation）總線實(shí)現(xiàn)儀器和計(jì)算機(jī)的連接[5]。LXI是以太網(wǎng)技術(shù)在測(cè)試自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用的拓展，其總線規(guī)范融合了GPIB儀器的高性能、VXI/PXI插卡式儀器的緊湊靈活和以太網(wǎng)的高速吞吐率，并考慮了定時(shí)、觸發(fā)、冷卻、電磁兼容等儀器的要求，同時(shí)采用LAN口作為連接，相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)復(fù)雜的總線，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)VISA調(diào)用底層的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器控制，作為測(cè)試軟件中的操作函數(shù)集，是一個(gè)高層應(yīng)用程序接口API。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

泰克（Tektronix）日前推出的世界上第一臺(tái)混合域分析儀MDO4000，它能夠捕獲時(shí)間相關(guān)的模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和RF信號(hào)，在系統(tǒng)級(jí)全面了解監(jiān)測(cè)環(huán)境和器件的特點(diǎn)，可以一目了然地同時(shí)看到時(shí)域和頻域信號(hào)，觀察任一點(diǎn)上的頻譜，迅速高效地解決各種復(fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)采用該分析儀作為數(shù)據(jù)采集工具，結(jié)合天線實(shí)現(xiàn)無(wú)線電信號(hào)接收模塊的功能。

由于要兼顧系統(tǒng)監(jiān)測(cè)頻率范圍非常大和移動(dòng)便攜性好的特點(diǎn)，天線選用對(duì)數(shù)周期天線HF-4060，測(cè)量范圍0.4～6GHz。該型天線小巧輕便，長(zhǎng)寬高尺寸590mm×360mm×30mm，質(zhì)量 1000 g，屬于手持式無(wú)源定向天線，典型值增益5dBi，反射損耗優(yōu)于-10dB，天線系數(shù)20～40dB/m，額定阻抗50Ω。

2.3 功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要功能模塊如圖1所示。計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，必須具有可實(shí)現(xiàn)性和完整性。系統(tǒng)由主控模塊總體控制，實(shí)現(xiàn)包括系統(tǒng)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)混合域分析、信號(hào)識(shí)別和結(jié)果輸出等一整套完整的系統(tǒng)功能[6]。

3 信號(hào)識(shí)別方案設(shè)計(jì)

信號(hào)識(shí)別方案涉及整個(gè)系統(tǒng)的處理流程[7]，以流程圖為綱對(duì)信號(hào)識(shí)別方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 信號(hào)來(lái)源

信號(hào)識(shí)別算法設(shè)計(jì)依賴信號(hào)的來(lái)源，如前所述，系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)實(shí)際信號(hào)的監(jiān)測(cè)，又能進(jìn)行仿真信號(hào)的研究，兩方面相輔相成。首先，需要模擬實(shí)際信號(hào)的特征，建立仿真信號(hào)；然后利用各種仿真信號(hào)來(lái)測(cè)試完善信號(hào)識(shí)別算法；再使用開(kāi)發(fā)出的算法來(lái)識(shí)別實(shí)際監(jiān)測(cè)信號(hào)；最后完成信號(hào)識(shí)別算法設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)一方面可以通過(guò)硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)際區(qū)域的監(jiān)測(cè)，完成普通監(jiān)測(cè)工作；另一方面，在非實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)，也可以模擬不同電磁環(huán)境下各種設(shè)備的電磁波，方便進(jìn)行各種科學(xué)研究和開(kāi)發(fā)工作。

3.2 監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備

系統(tǒng)開(kāi)始工作前，還需完成一些準(zhǔn)備工作。首先完成主控計(jì)算機(jī)、混合域分析儀、天線和LAN口網(wǎng)線的連接；然后在主控計(jì)算機(jī)中裝載儀器驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)儀器控制；再對(duì)儀器和天線進(jìn)行校準(zhǔn)；最后還要進(jìn)行初次環(huán)境監(jiān)測(cè)，完成系統(tǒng)校準(zhǔn)。

圖1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

3.3 相似計(jì)算

相似計(jì)算模塊是對(duì)電磁環(huán)境改變情況的判別，首先要知道當(dāng)前或者原來(lái)應(yīng)該存在的電磁環(huán)境，所以在此過(guò)程中，可以讀取已經(jīng)存在的環(huán)境記錄，或者重新掃描生成一個(gè)環(huán)境比對(duì)信號(hào)記錄；然后比對(duì)環(huán)境信號(hào)與當(dāng)前監(jiān)測(cè)獲取到的信號(hào)，如果出現(xiàn)環(huán)境改變情況，則是由于出現(xiàn)新的信號(hào)，該模塊的計(jì)算步驟如下：

（1）設(shè)系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)信號(hào)為x（i）；

（2）監(jiān)測(cè)當(dāng)前環(huán)境下的信號(hào)改變情況，設(shè)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)為 y（i），且 y（i）和 x（i）長(zhǎng)度相同，都為 k；

（3）利用相似性計(jì)算公式

計(jì)算它們的相似性系數(shù)ρxy；

（4）當(dāng)ρxy≤0.9時(shí)，判斷電磁環(huán)境發(fā)生改變。

3.4 分析識(shí)別

分析識(shí)別模塊是系統(tǒng)的核心，混合域分析儀提供信號(hào)以時(shí)間相關(guān)的時(shí)域頻域混合域信息，通過(guò)分析波形圖，根據(jù)不同信號(hào)的幅度頻率特征，實(shí)現(xiàn)已知信號(hào)識(shí)別。例如，根據(jù)信號(hào)的頻率不同識(shí)別不同的移動(dòng)通信信號(hào)，系統(tǒng)識(shí)別后給出的結(jié)果信息包括信號(hào)的幅度、頻率、通信體制、所屬服務(wù)運(yùn)營(yíng)商和上下行等信息。

系統(tǒng)根據(jù)不同監(jiān)測(cè)環(huán)境和監(jiān)測(cè)任務(wù)要求，可以設(shè)置單點(diǎn)測(cè)量和頻段掃描功能，當(dāng)需要得到某一個(gè)信號(hào)的參數(shù)時(shí)，使用單點(diǎn)測(cè)量功能；當(dāng)需要監(jiān)測(cè)整個(gè)頻段的情況時(shí)，使用頻段掃描功能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用區(qū)域電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行一次綜合監(jiān)測(cè)實(shí)例。輸入信號(hào)采用中國(guó)移動(dòng)GSM900上行信號(hào)，信號(hào)功率-37.2dBm，頻率0.9GHz，系統(tǒng)環(huán)境模擬高斯噪聲環(huán)境，噪聲比率20%。點(diǎn)擊開(kāi)始校對(duì)按鈕，完成校對(duì)后，校對(duì)指示燈變黃。設(shè)置窗函數(shù)為Hanning窗，設(shè)置頻譜顯示方式為均方值，衡量范圍為dB。在全頻段內(nèi)進(jìn)行掃描，點(diǎn)擊按鈕，主要模塊設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)與識(shí)別結(jié)果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果演示顯示面板

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，系統(tǒng)架構(gòu)方便合理，信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)確、快速，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)，主要針對(duì)已知信號(hào)，進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和捕獲，并識(shí)別出信號(hào)類別，為屏蔽信號(hào)和下一步的定位工作提供依據(jù)，有效地解決信息安全問(wèn)題。開(kāi)發(fā)過(guò)程中所提出的技術(shù)和方法可以在類似產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中推廣應(yīng)用。

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