聽覺感知在短波信號監(jiān)測識別中的應(yīng)用研究

羅爭++杜軍++劉洋++龔堅

摘要：針對短波信息監(jiān)測識別難度大、方法單一等問題，本文在研究現(xiàn)有短波監(jiān)測識別方法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)之上，提出了基于聽覺感知技術(shù)的短波信號監(jiān)測識別新方法，分析了算法的監(jiān)測識別步驟，使并用實際采集的四類典型短波信號音頻數(shù)據(jù)測試了算法性能，實測結(jié)果證明了算法的可行性和科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：聽覺感知 短波信號 監(jiān)測識別

中圖分類號：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0122-02

短波信號監(jiān)測識別作為電磁頻譜監(jiān)測的重要組成部分之一，無論是對短波通信保障，還是對短波電磁環(huán)境監(jiān)測都具有重大現(xiàn)實意義。然而，現(xiàn)有的短波信號的實際監(jiān)測識別水平較低，僅僅是通過人工操作解調(diào)AM、FM、CW等傳統(tǒng)調(diào)制類型信號，依靠工作經(jīng)驗對信號中攜帶的語音信息進(jìn)行監(jiān)聽和分析，嚴(yán)重制約了短波監(jiān)測識別的水平和作用發(fā)揮。

對于短波信號自動識別問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究工作，歸納起來，傳統(tǒng)識別的方法主要有判決理論法和模式識別法兩種，但受通信信息技術(shù)的快速發(fā)展、信號保密性日益增強(qiáng)、調(diào)制類型的逐漸增多等因素所致，短波信號自動識別方法的類型確實有限，調(diào)制識別方法在低信噪比和真實信道下的應(yīng)用效果較差。

聽覺感知技術(shù)具有時頻分析、聽覺掩蔽、多源并行處理等獨特優(yōu)點，可快速對多種聲音信息做出處理，并獲取相關(guān)有價值的信急。將聽覺感知技術(shù)應(yīng)用于聲音的識別一直國內(nèi)外的研究熱點之一，已有許多模擬人耳聽覺系統(tǒng)功能的聽覺感知計算應(yīng)用模型，一些接近實用的聽覺計算模型已被廣泛應(yīng)用于語音信號處理、水下目標(biāo)識別等問題，并獲得良好效果。短波信號的音頻特征符合聽覺感知處理技術(shù)的特點，因此，本文在研究國內(nèi)外現(xiàn)有的信號識別方法的基礎(chǔ)之上，將聽覺感知技術(shù)引入短波信號識別問題，提出了基于聽覺感知技術(shù)的短波信號監(jiān)測識別新方法，給出了識別步驟，利用實際采集的典型短波信號音頻數(shù)據(jù)，驗證了方法的可行性和科學(xué)性。

1 基于聽覺感知的短波信號識別

1.1 聽覺感知及其特點

根據(jù)人的生理特征可知，人的聽覺系統(tǒng)是一個良好的頻譜分析儀和模式識別器，能高效率地分辨出各類聲音源，并能有選擇性的在多信號并發(fā)的環(huán)境中，對感興趣的信號源的聲音特征進(jìn)行分析提取。相比于視覺處理技術(shù)，聽覺感知技術(shù)擁有許多視覺處理不具備的優(yōu)點：

（1）從生理特征可知，聽覺能高效辨別周期和非周期事件、檢測連續(xù)信號中微小的頻率變化，對暫態(tài)特性和時變特性的感知能力較強(qiáng)，然而視覺對快速變化的或者暫態(tài)的數(shù)據(jù)會變得模糊不清或完全丟失，但卻很容易用聽覺處理技術(shù)呈現(xiàn)。

（2）聽覺感知具有全向特性，可以引導(dǎo)視覺及其他感知技術(shù)，可以說“聽覺是視覺的眼睛”，非常適合用于監(jiān)視和報警等問題，特別，當(dāng)無法預(yù)先知道威脅等級方向及多威脅并發(fā)的問題，或者全向感知問題。

（3）聽覺感知技術(shù)易于學(xué)習(xí)、應(yīng)用，可同時監(jiān)視、處理多數(shù)據(jù)源并行輸入問題，能快速檢測信號異常、辨別數(shù)據(jù)源的相互關(guān)系。

基于以上分析可知，相比于傳統(tǒng)的判決理論法、模式識別法的短波信號識別方法，將聽覺感知技術(shù)應(yīng)用于短波信號監(jiān)測識別問題，會產(chǎn)生較大的應(yīng)用價值，特別是對于低信噪比、多信號源并發(fā)、異常信號監(jiān)測等問題，新方法的應(yīng)用效果更好。

1.2 基于聽覺感知的短波信號識別過程

本文提出的基于聽覺感知技術(shù)的短波信號監(jiān)測識別新方法主要由信號預(yù)處理、信號特征提取和信號分類識別三個部分組成，新方法的信號識別的基本過程如圖1所示，各部分的基本功能如下所述：

（1）信號預(yù)處理。在短波通信中，由于信號分布相對密集，為了減少信號間的相互干擾，應(yīng)對輸入的待識別信號進(jìn)行預(yù)處理，主要是完成去直流，幅度均方值歸一化處理，為下一步的信號特征提取提供可處理的數(shù)據(jù)。

（2）聽覺特征提取。特征提取是信號分類成功與否的關(guān)鍵，從聽覺感知技術(shù)的原理出發(fā)，通過模擬人耳對聲音的感知過程，利用聽覺模型提取短波信號聲音的響度、音調(diào)、音色等特征。

（3）分類識別。分類識別的功能則是選擇和確定合適的判決規(guī)則和分類器結(jié)構(gòu)，從而得到可信度較高的識別結(jié)果。常用的分類器有線性分類器、模糊分類器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器和基于假設(shè)的Bayes分類器等，本文主要采用決策樹結(jié)構(gòu)的分類器。

1.3 算法實際信號測試

為了驗證本文提出的基于聽覺感知的短波信號監(jiān)測識別方法的可行性，我們利用短波監(jiān)測系統(tǒng)，實際采集了典型短波信號的大量音頻數(shù)據(jù)，主要包括莫爾斯、數(shù)據(jù)傳輸和短波廣播等信號，調(diào)制方式包括AM、FSK、QPSK等。如圖2所示。

圖2顯示的是利用基于聽覺感知的短波信號監(jiān)測識別新方法對QPSK、PSK、MFSK、MOOSE四類典型實際短波信號析處理的結(jié)果，圖中主要顯示了不同信號的時間-幅度圖，音頻信號頻率特性圖，從測試結(jié)果明顯可知：不同類型的短波信號，其音頻特征都各不相同，QPSK調(diào)制短波信號幅度特征規(guī)律明顯，PSK則無幅度變化，MFSK音高變化幅度較大。無論是時間-幅度特性，還是頻率-音高特性，都能明顯區(qū)識別出各類短波信號。

2 結(jié)語

針對短波信號識別方法單一、識別難度大的問題，本文在分析傳統(tǒng)短波信號分析處理方法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)之上，將聽覺感知技術(shù)應(yīng)用于短波信號的監(jiān)測識別問題中，提出了基于聽覺技術(shù)的短波信號識別方法，并用實測數(shù)據(jù)驗證了新方法的可行性，計算結(jié)果表明本方法具有較大的實際應(yīng)用價值。

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收稿日期：2016-09-18

作者簡介：羅爭（1986—），男，漢，江西南昌人，工程師，碩士，研究方向：電磁頻譜管理與信號處理研究。