信號(hào)盲檢測應(yīng)用情況簡述

劉 蓉，霍 甲

（國家無線電監(jiān)測中心北京監(jiān)測站，北京 100037）

1 寬帶接收機(jī)E3238s（黑鳥）

黑鳥具備在寬頻段范圍內(nèi)進(jìn)行信號(hào)自動(dòng)檢測及后續(xù)處理（調(diào)制識(shí)別、模擬解調(diào)、記錄等）的能力，具備較高的自動(dòng)化水平。在信號(hào)檢測方面，黑鳥采取能量檢測的思路，通過設(shè)置不同類型的檢測門限來完成。其主要能量檢測的流程如圖1虛線框內(nèi)的步驟所示，分為檢測門限函數(shù)設(shè)置、能量檢測和帶寬計(jì)算、特征提取和能量檢測數(shù)據(jù)過濾五個(gè)部分。

圖1 能量檢測流程圖

1.1 門限函數(shù)

在黑鳥中共有三種內(nèi)置的門限函數(shù)，即固定門限、自適應(yīng)門限及環(huán)境門限，同時(shí)還可以用戶自定義門限。

1.2 能量檢測和帶寬計(jì)算

對(duì)于固定門限檢測，需要設(shè)置兩個(gè)參數(shù)如圖4所示。圖2中的Energy Criteria表示能量準(zhǔn)則；Peak(dB)表示峰值，用以衡量比預(yù)設(shè)門限值高Peak個(gè)dB才被認(rèn)為是有效信號(hào)；Bandwidth(dB)表示帶寬，用以測量帶寬的參數(shù)，取以下兩種情況的較小值：從峰值點(diǎn)處下降Bandwidth個(gè)dB所對(duì)應(yīng)的信號(hào)帶寬；從峰值點(diǎn)至檢測門限處所對(duì)應(yīng)的信號(hào)帶寬。

圖2 固定門限監(jiān)測參數(shù)設(shè)置

1.3 特征提取

根據(jù)檢測到的功率、帶寬以及頻譜形狀等參數(shù)，可以通過寫動(dòng)態(tài)鏈接庫（*.dll）的方式增加特征，以進(jìn)行后續(xù)能量歷史相關(guān)特征的顯示，可參照E3238S ASD編程向?qū)е械拿枋觥Ｒ贓3238S軟件的操作中包括一個(gè)新的庫程序，需要在e3238s.cfg配置文件中增加一行featureExtraction:命令，命令后面是程序的路徑和文件名。當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí)，加載庫程序。目前該部分尚未進(jìn)行研究。

1.4 能量歷史預(yù)處理濾除器

可以通過編寫動(dòng)態(tài)鏈接庫（*.dll）的方式?jīng)Q定哪些特征所檢測到的信號(hào)信息被放入能量歷史窗口中進(jìn)行顯示，預(yù)濾器功能用e3238s.cfg配置文件中的energyHistoryFilter:命令來定義和加載。

1.5 目前應(yīng)用情況

黑鳥的能量檢測方法多樣、機(jī)制靈活，但是目前對(duì)其的應(yīng)用深入程度還不夠，且?guī)挿秶鷥?nèi)的信號(hào)檢測在工程應(yīng)用上本身就具有很高的難度。從應(yīng)用層面看，可以考慮拓展的方面有：

⊙ 門限設(shè)定：深入研究自定義模板的使用方法，及針對(duì)復(fù)雜情況下的設(shè)置方法研究。

⊙ 特征提?。貉芯炕贏SD環(huán)境的編程方法，并重點(diǎn)研究提高檢測準(zhǔn)確率的特征樣式。

⊙ 預(yù)濾波器：研究基于ASD環(huán)境的編程方法，并重點(diǎn)考慮能量檢測結(jié)果的篩選策略（頻率冗余、帶寬不準(zhǔn)確等）。

2 AMMOS

AMMOS系統(tǒng)是一個(gè)集信號(hào)接收、處理、分析、存儲(chǔ)記錄、數(shù)據(jù)庫管理、任務(wù)調(diào)度與指揮為一體的完善無線電監(jiān)測系統(tǒng)，涵蓋了從上到下的所有監(jiān)測流程。在信號(hào)檢測方面，其Detection Conventional DDC模塊可以完成在寬頻帶范圍內(nèi)信號(hào)的檢測，以高度和寬度不等的圓柱體進(jìn)行顯示。但是AMMOS系統(tǒng)在能量檢測環(huán)節(jié)的門限設(shè)置、檢測方式的靈活性不及黑鳥，主要體現(xiàn)有如下幾點(diǎn):

⊙ 門限設(shè)置目前只看到固定門限，沒有自適應(yīng)門限和環(huán)境模板門限。

⊙ 帶寬的計(jì)算依照門限處計(jì)算，方法較簡單。

⊙ 沒有冗余數(shù)據(jù)的剔除等用戶自定義功能。

3 目前應(yīng)用存在的問題

總體而言，目前尚無可以實(shí)現(xiàn)在寬頻帶范圍內(nèi)快速、準(zhǔn)確提取信號(hào)的軟件或系統(tǒng)，主要由兩個(gè)原因?qū)е?，其一是尚未完全開發(fā)相關(guān)系統(tǒng)的預(yù)留處理接口，使得處理的靈活性和準(zhǔn)確性沒有得到充分挖掘；其二是信道的復(fù)雜性、信號(hào)體制的多樣性和電磁環(huán)境的擁擠性使得客觀上對(duì)信號(hào)的自動(dòng)、準(zhǔn)確提取存在較大困難。

在系統(tǒng)使用開發(fā)的深入程度上，可以考慮進(jìn)行如下的拓展：

（1）門限設(shè)定：在門限設(shè)定上，需要深入研究自適應(yīng)門限的設(shè)定方法和準(zhǔn)則，并充分針對(duì)不同的應(yīng)用場景設(shè)置合理的自定義門限。

（2）特征提?。耗壳皟H提取頻率和帶寬等頻譜外特征，對(duì)于頻譜波形特征及調(diào)制層特征的提取和應(yīng)用不夠深入，這在一定程度上使得信號(hào)檢測提取的準(zhǔn)確率還沒有得到充分的挖掘提升。

（3）篩選機(jī)制：在采用簡單機(jī)制進(jìn)行信號(hào)檢測提取的過程中，缺乏對(duì)于冗余信息的篩選機(jī)制（例如估計(jì)頻點(diǎn)不同被判定為多信號(hào)），使得篩選數(shù)據(jù)的冗余性較大，降低處理效率和準(zhǔn)確度，可考慮從頻率、頻譜波形、調(diào)制層特征等外特征綜合使用，提升提取的效率。

在客觀無線環(huán)境方面，存在如下的問題：

（1）信號(hào)體制的復(fù)雜性：對(duì)于跳頻、掃頻等頻率不固定的信號(hào)，以及TDMA和瞬態(tài)等較復(fù)雜的信號(hào)，采用常規(guī)的檢測方法的準(zhǔn)確率將會(huì)顯著降低甚至失效。

（2）信道的復(fù)雜性：由于多徑和衰落的影響，使得信號(hào)的頻譜外特征將可能產(chǎn)生顯著變化，此時(shí)采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行頻率、帶寬等外特征提取的準(zhǔn)確率將會(huì)顯著降低。同時(shí)，較低的信噪比也會(huì)降低門限檢測的置信度，降低檢測的準(zhǔn)確程度。

（3）電磁環(huán)境的復(fù)雜度：在多個(gè)信號(hào)較擁擠的場景，部分信號(hào)在頻域上距離較近甚至部分重疊，將會(huì)使傳統(tǒng)的檢測方法準(zhǔn)確度降低甚至失效。

綜上所述，在寬頻段范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)的提取目前尚難通過現(xiàn)有設(shè)備完全實(shí)現(xiàn)，只有在信道化或某些簡單場景下實(shí)現(xiàn)，因此需要結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)行深入的探索研究。

4 現(xiàn)有研究情況及存在問題

4.1 研究情況簡介

信號(hào)的檢測是信號(hào)處理領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，目前其理論體系和主要方法已經(jīng)成熟，并在雷達(dá)、聲納、地震、通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在通信等領(lǐng)域的盲檢測方面，經(jīng)過多年的研究已產(chǎn)生大量的方法，總體而言可以分為如下幾類：

（1）能量檢測及其變型算法：是最簡單也相對(duì)最成熟的方法，其基本特點(diǎn)是不需要先驗(yàn)知識(shí)，算法簡單，適用信號(hào)范圍廣，但是檢測性能一般。

（2）基于參考信號(hào)輔助的處理算法：典型的如參考信號(hào)自相關(guān)及其變型算法等，其主要特點(diǎn)是性能較好，但需要輔助信息，應(yīng)用場景受限。

（3）基于信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征及變換域的方法：典型如循環(huán)譜、高階統(tǒng)計(jì)量、小波變換等，其基本特點(diǎn)是相對(duì)能量檢測法性能更好，但需要更多的先驗(yàn)知識(shí)，如波特率等。

綜上所述，目前全盲的檢測方法就是基于能量檢測及其變型算法的一類算法，并在頻譜監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用；其他算法由于普適性不夠強(qiáng)，尚未應(yīng)用到頻譜監(jiān)測領(lǐng)域中。同時(shí)，在研究中充分利用了分?jǐn)?shù)階傅立葉變換、高階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量等較復(fù)雜的信號(hào)處理工具，針對(duì)alpha穩(wěn)定沖擊噪聲和高斯有色噪聲等非理想情況下的信號(hào)檢測進(jìn)行了深入的研究，產(chǎn)生了一系列新型檢測算法。

4.2 存在的問題

絕大部分的研究文獻(xiàn)都是針對(duì)在固定或已知頻率下的檢測問題，雖然考慮的信號(hào)體制和噪聲特性都較復(fù)雜，但是無法完全滿足寬帶自動(dòng)化監(jiān)測的需要。具體表現(xiàn)有如下方面：

（1）噪聲模型匹配度不夠：在寬頻段范圍內(nèi)，由于大小信號(hào)的存在且較為擁擠，導(dǎo)致噪底并不能簡單的建模為加性高斯白噪聲，但也可能不是有色或者沖激噪聲，產(chǎn)生模型上的失配，因此可能導(dǎo)致檢測性能顯著下降甚至失效。

（2）信道模型匹配度不夠：在實(shí)際信道中的信號(hào)畸變情況很難用常見的Rayleigh，Rice等典型模型準(zhǔn)確描述，即其對(duì)頻譜外特征表象和內(nèi)特征的提取都會(huì)產(chǎn)生刻畫上的誤差，將會(huì)影響信號(hào)提取的準(zhǔn)確率。

（3）多信號(hào)共存情況：在短波等應(yīng)用場景，往往存在信號(hào)相鄰較近的情況，此時(shí)簡單的能量檢測將會(huì)在信號(hào)區(qū)分和參數(shù)估計(jì)方面出現(xiàn)錯(cuò)誤，而大部分算法只針對(duì)單一信號(hào)，并未考慮這一情況，因此該種工況下的處理方法有待研究。

5 結(jié)束語

綜上所述，對(duì)于復(fù)雜電磁環(huán)境下，寬頻段范圍內(nèi)的信號(hào)難以做到自動(dòng)檢測提取，目前只有大功率的明顯特征信號(hào)（衛(wèi)星常規(guī)數(shù)字信號(hào)、短波廣播）可以基本實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、自動(dòng)的提取，大部分的工作環(huán)境下的信號(hào)提取工作仍然需要人工干預(yù)。

[1] 李軍.通信信號(hào)盲檢測與寬帶接收技術(shù)研究[D]，2009.

[2] 于麗霞，王福明.微弱信號(hào)檢測技術(shù)綜述.信息技術(shù)[J]，2001,2:115-116

[3] H.V.Poor,An Introduction to Signal Dection and Estimaion, Springer-Verlag,New York,2rd Edition.1994,28-36.

[4] 趙樹杰，趙建勛.信號(hào)檢測與估計(jì)理論（第一版）.北京：清華大學(xué)出版社，2004,9:1-250.

[5] ParshantP.Gandhi.Data quantization effects in CFAR signal detection.IEEE.1996,VOL:32.1277-1289.

[6] Finn HM, Johnson RS. Adaptive Dection Mode with Threshold control as a Function of spatially Sampled Clutter level Estimates. RCA Review.1968,Vol.29.414-464.

[7] 楊春玲，王淑娟，胡艷.微弱信號(hào)檢測的新方法.光學(xué)精密工程.2003,8,Vol11.169-173.