無(wú)線電監(jiān)測(cè)中信號(hào)頻域數(shù)據(jù)處理優(yōu)化建議

吳瑩瑩

（安徽亳州新能源學(xué)校 安徽 亳州 236700）

0 引言

無(wú)線電信號(hào)的頻率作為自然界天然存在的一種自然資源，具有排他性、有限性、復(fù)用性、非耗竭性、固有傳播性、易污染性等特性。 隨著無(wú)線電通信技術(shù)的快速發(fā)展，各個(gè)國(guó)家對(duì)無(wú)線電頻譜資源重要性的認(rèn)識(shí)不斷提高，無(wú)線電頻譜資源在重大安全保障、信息化戰(zhàn)爭(zhēng)等領(lǐng)域起著不可替代的作用。 信號(hào)在頻帶上可以使用不同的調(diào)制參數(shù)，也可以采用各種調(diào)制形式。 基于頻譜的信號(hào)類(lèi)型分析識(shí)別技術(shù)突飛猛進(jìn)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注如何才能夠在信號(hào)分析以及參數(shù)測(cè)量的過(guò)程中應(yīng)用頻譜數(shù)據(jù)。 新形勢(shì)下如何有效地進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)測(cè)，對(duì)相關(guān)技術(shù)工作有著重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。 通過(guò)信號(hào)分析能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)確認(rèn)等無(wú)線電管理工作，同時(shí)，可以防止無(wú)線電頻譜的非法利用，確保通信的正常運(yùn)行。 無(wú)線電監(jiān)測(cè)的核心內(nèi)容是以傅里葉變換作為基礎(chǔ)的信號(hào)頻譜分析。 信號(hào)的頻率以及頻譜是信號(hào)采集和查找及分析各種類(lèi)型干擾的重要入手點(diǎn)［2］。 根據(jù)當(dāng)前實(shí)際情況來(lái)看，一直固定不變的頻譜分析參數(shù)配置以及單一的頻譜分析手段已經(jīng)很難滿(mǎn)足不同類(lèi)型信號(hào)精準(zhǔn)識(shí)別的要求［3］。

1 頻譜分析

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，電磁場(chǎng)產(chǎn)生的波在空間以不同的頻率進(jìn)行傳播（電磁場(chǎng)變化的速率稱(chēng)之為頻率），這些頻率的集合統(tǒng)稱(chēng)為電磁頻譜。 電磁頻譜中3 000 GHz 以下的頻率被稱(chēng)為無(wú)線電頻譜。 因此，無(wú)線電信號(hào)的頻譜是自然存在的與無(wú)線電信號(hào)頻率相關(guān)信息的集合。 無(wú)線電監(jiān)測(cè)行業(yè)當(dāng)中三大主流頻譜分析方法分別是頻譜圖、瀑布圖以及熒光光譜分析［4］。 它們的技術(shù)演進(jìn)路徑始終是向著更低的信號(hào)頻譜獲取成本以及更快的速度方向發(fā)展。

1.1 頻譜圖

頻譜是指頻率的分布曲線。 復(fù)雜振蕩可以分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩。 將振蕩的幅值按頻率進(jìn)行繪制的圖形叫做頻譜。 頻譜廣泛應(yīng)用于聲學(xué)、光學(xué)和無(wú)線電技術(shù)等方面。 根據(jù)頻譜信號(hào)的頻率分量（一般是針對(duì)幅頻譜和相頻譜進(jìn)行分析，常見(jiàn)的是幅頻譜分析），可獲得信號(hào)的多種參數(shù)和信號(hào)所通過(guò)的網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。 在日益復(fù)雜的無(wú)線通信環(huán)境中，通過(guò)頻譜圖對(duì)無(wú)線業(yè)務(wù)、頻譜管理、監(jiān)管作業(yè)等活動(dòng)進(jìn)行分析研究是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

1.2 瀑布圖

在具體實(shí)踐的過(guò)程中，如果僅僅通過(guò)頻譜分析，人們很難獲取信號(hào)的時(shí)變特性，在此情況下，人們逐漸開(kāi)發(fā)出了時(shí)頻聯(lián)合分析的瀑布圖。 將信號(hào)的功率譜或幅值譜隨轉(zhuǎn)速變化而疊置而成的三維譜圖，其橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)變成了時(shí)間，而幅值等則用不同顏色表示，這點(diǎn)有別于前述的頻譜圖。 借助瀑布圖，相關(guān)的監(jiān)測(cè)人員能夠?qū)π盘?hào)的時(shí)變特性產(chǎn)生直觀而又準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。

1.3 熒光光譜

物體經(jīng)過(guò)較短波長(zhǎng)的光照，把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，然后緩慢放出較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，放出的光叫熒光。 將熒光的能量與波長(zhǎng)關(guān)系制成圖叫做熒光光譜。 熒光光譜要靠光譜檢測(cè)才能獲得。 在分析突發(fā)信號(hào)和脈沖信號(hào)的特征方面，熒光光譜具有重要作用［5］。

2 研究現(xiàn)狀

頻譜分析可以借助MATLAB 等現(xiàn)代化的軟件，也可使用頻譜分析儀等硬件來(lái)進(jìn)行。 頻譜分析儀是指用于測(cè)定信號(hào)的頻率和幅度的儀器，其能將信號(hào)分解成若干個(gè)分量，并且分析各部分的能量分布情況，從而獲得有關(guān)信號(hào)的譜特性的信息。 其原理主要是基于傅里葉變換和譜分析法。 前者包含快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）和傅里葉變換（Fourier transform，F(xiàn)T）。 其可以對(duì)控制環(huán)境中的電磁噪聲進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可以對(duì)復(fù)雜的電磁噪聲源進(jìn)行監(jiān)控，從而準(zhǔn)確分析控制環(huán)境中的電磁噪聲成分及其變化，提高控制環(huán)境的穩(wěn)定度。

2.1 計(jì)算靈活性

熒光光譜分析對(duì)不同信號(hào)的頻譜特征進(jìn)行觀測(cè)，此工作是瀑布圖以及頻譜無(wú)法做到的，但是該方法會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算量大幅增加，相應(yīng)硬件成本也會(huì)不斷提高［6］。 當(dāng)前，國(guó)內(nèi)廠商所使用的信號(hào)分析軟件的功能日趨完善，其不僅具有數(shù)字熒光光譜分析的功能，同時(shí)還具備數(shù)字顯示等功能，但是都通過(guò)離線計(jì)算的方式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。 該計(jì)算方式在實(shí)際應(yīng)用中有諸多限制，靈活性有待進(jìn)一步改善。

2.2 通信安全性

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)在軍事和民用領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用。 對(duì)軍事領(lǐng)域信號(hào)調(diào)制方式的識(shí)別是對(duì)敵方通信進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)的前提。 知道了調(diào)制類(lèi)型便可以估計(jì)調(diào)制參數(shù)，從而制定出有針對(duì)性的偵查策略［7］。 在民用通信方面，需要對(duì)無(wú)線電進(jìn)行管理，確保合法通信的正常運(yùn)行。近些年來(lái)，計(jì)算機(jī)數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展對(duì)通信的安全有了一定的保證，通信信號(hào)識(shí)別技術(shù)在非合作通信領(lǐng)域的重要地位不斷顯現(xiàn)。 當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)頻譜分析軟硬件能夠支持三大頻譜顯示的相關(guān)功能，但仍然有很多方面需要改進(jìn)。

3 無(wú)線電監(jiān)測(cè)中信號(hào)頻域數(shù)據(jù)處理優(yōu)化

無(wú)線電信號(hào)頻譜數(shù)據(jù)處理常使用快速傅里葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)，其可以將時(shí)域的無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域的信號(hào)。 當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)之后便可分析出信號(hào)的頻率與其他量的關(guān)系。 在頻域中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析后，還要將處理完的頻域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉逆變換，再次得到所需的時(shí)域信號(hào)。 在信號(hào)處理中可使用相應(yīng)的技術(shù)手段和算法，實(shí)現(xiàn)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣，從而減小同步誤差，減少頻譜泄露等問(wèn)題，達(dá)到對(duì)無(wú)線電信號(hào)頻域數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化。 對(duì)無(wú)線電信號(hào)頻譜數(shù)據(jù)處理還可以從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。

3.1 改進(jìn)頻譜掃描的靈活性

改進(jìn)頻譜掃描的靈活性對(duì)數(shù)據(jù)后續(xù)的處理工作有一定的幫助。 在特定頻段的信號(hào)概覽當(dāng)中，全景掃描起到了重要的作用，其主要參數(shù)體現(xiàn)在采集速度和空采率等方面［8］。

3.1.1 提升采集速度

如果分析帶寬與速率相等，那么頻率合成器的切換時(shí)間可以忽略不計(jì)，掃描速度理論公式為式（1）所示。

式（1）中，F(xiàn)S代表采樣率，RBW 代表頻率分辨率。 可見(jiàn)，如果采樣的速率提升了一倍，那么掃描的速度也對(duì)應(yīng)提升一倍。 在實(shí)時(shí)分析帶寬保持不變的情況下，要想提升頻率分辨率，必須降低掃描速度。

頻譜掃描都是采用頻分復(fù)用的方式，通過(guò)快速改變頻率合成器的頻率從而獲得固定頻率。 在具體操作中可采用全景掃描的方式，掃描過(guò)程需要切換150 次。 在實(shí)際應(yīng)用中，可選擇使用400 MHz 帶寬的接收機(jī)，由于每40 MHz帶寬中需要采集一幀頻譜，因此運(yùn)行速度將大幅提高。

如果是短時(shí)間突發(fā)信號(hào)，上文所提到的采集策略在應(yīng)用的過(guò)程中很容易采集到空白的時(shí)段。 如果是一些占空間比較小的脈沖信號(hào)，則大概率采集不到信號(hào)。 由此可見(jiàn)，如果設(shè)置固定的頻譜分辨率以及每一個(gè)單位頻段的固定采集時(shí)長(zhǎng)都為40 μs 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)采集不到信號(hào)和采集到局部信號(hào)片段的情況，最終得出的頻譜數(shù)據(jù)不能展現(xiàn)信號(hào)完整頻段。 如果頻率分辨率設(shè)置為固定值，采集時(shí)間不會(huì)發(fā)生改變，要做好此項(xiàng)工作需要多個(gè)環(huán)節(jié)相互配合。 如果一共有10 個(gè)頻段，每一個(gè)頻段中都有一個(gè)周期的脈沖信號(hào)，在起始時(shí)間段能夠做到均勻分配。 如果想對(duì)10 個(gè)頻段完全監(jiān)測(cè)，需要對(duì)10 個(gè)頻段重復(fù)掃描10 遍。 反復(fù)操作能夠確保信號(hào)及時(shí)被捕捉。

3.1.2 改進(jìn)局部空采

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)各個(gè)行業(yè)都應(yīng)用了現(xiàn)代高科技，市場(chǎng)需求量越來(lái)越大，對(duì)無(wú)線電信號(hào)自動(dòng)化分析處理能力的要求也在不斷提高，以頻譜掃描作為基礎(chǔ)的頻譜數(shù)據(jù)，在實(shí)際工作中發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。 如果出現(xiàn)信號(hào)局部采集是空的情況，會(huì)直接影響到數(shù)據(jù)的檢測(cè)工作。 在掃頻的過(guò)程中，出現(xiàn)局部信號(hào)采集缺失以及空采的情況較為常見(jiàn)。

為了避免出現(xiàn)空采的情況，可以采取一些其他形式的掃頻策略。 仍然以上述場(chǎng)景為例，可以將掃描策略改為每個(gè)單元頻段持續(xù)采集的數(shù)量加大，在對(duì)頻譜信號(hào)連續(xù)操作之后，再切換到下一個(gè)單位的頻段進(jìn)行掃描，反復(fù)操作一遍之后，能夠得到相似的頻段。 同時(shí)，也可對(duì)于觸發(fā)采集的頻譜掃描策略進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)將其切換到某一個(gè)單位頻段之后，靜待一段時(shí)間，直到信號(hào)電平超過(guò)預(yù)設(shè)的門(mén)限之后，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜計(jì)算以及采集［9］。 在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，個(gè)別微弱信號(hào)不容易被檢測(cè)出來(lái)，會(huì)給監(jiān)測(cè)工作帶來(lái)一定的影響，需要相關(guān)技術(shù)人員不斷地改進(jìn)和優(yōu)化掃描策略。

3.2 頻譜數(shù)據(jù)處理的完整性

現(xiàn)階段，瀑布圖分析功能以及顯示功能是所有國(guó)產(chǎn)監(jiān)測(cè)接收機(jī)所具備的功能。 將一個(gè)典型信號(hào)的瀑布圖與不同廠家的瀑布圖作比較，其中的信號(hào)是脈沖形式的線性調(diào)頻信號(hào)，線性調(diào)頻信號(hào)和脈內(nèi)頻率變化趨勢(shì)不容易顯示出來(lái)，即使顯示出來(lái)也不連續(xù)，從而導(dǎo)致線性調(diào)頻信號(hào)頻率隨時(shí)間線性增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)不能完全反映出來(lái)。 究其原因是，如果瀑布圖中相鄰的頻譜和信號(hào)不連接，那么在時(shí)間上會(huì)有一定的間隔，同時(shí)相鄰頻譜對(duì)應(yīng)的間隔時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。 由此可見(jiàn)，需要將線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的瞬時(shí)頻率圖完整地顯示出來(lái)以發(fā)揮出真正的作用。

對(duì)于某類(lèi)型信號(hào)來(lái)說(shuō)，首先要重視的是時(shí)域頻譜采集連續(xù)性，才能呈現(xiàn)出最真實(shí)的信號(hào)時(shí)頻分析圖。 如果從這一角度出發(fā)進(jìn)行分析，脈內(nèi)采用線性調(diào)頻方式的脈沖信號(hào)，各個(gè)廠商在檢驗(yàn)信號(hào)、捕捉能力、信號(hào)采集能力時(shí)可以此為參照。 在具體應(yīng)用的過(guò)程中，通常不需要長(zhǎng)時(shí)間顯示連續(xù)FFT 計(jì)算和瀑布圖。 從一定程度上來(lái)說(shuō)，不管是常發(fā)信號(hào)還是突發(fā)信號(hào)，只需要計(jì)算FFT 頻率，并且將其瀑布圖呈現(xiàn)出來(lái)，就能夠滿(mǎn)足大多數(shù)信號(hào)的分析要求，減少硬件傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)。 因?yàn)槔L(zhǎng)采集的時(shí)間間隔，或者采用連續(xù)拉長(zhǎng)的方式，對(duì)于經(jīng)常發(fā)送的信號(hào)來(lái)說(shuō)可能會(huì)出現(xiàn)局部采集的情況，所以有必要采用時(shí)段電平的采集模式進(jìn)行采集。

4 無(wú)線電監(jiān)測(cè)中信號(hào)頻域數(shù)據(jù)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)

目前業(yè)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（field?programmable gate array，F(xiàn)PGA）采集同向正交信號(hào)（in?phase quadrature，IQ）數(shù)據(jù)，包括多級(jí)濾波抽取以及中頻信號(hào)的數(shù)字化等，頻譜計(jì)算以及模擬解調(diào)往往都是依靠FPGA 實(shí)時(shí)完成［10］。 對(duì)于大多數(shù)FPGA，80 MHz 及以下寬帶信號(hào)的連續(xù)采集完全沒(méi)有問(wèn)題，對(duì)于100 MB 以上的大寬帶、大數(shù)據(jù)量的IQ 數(shù)據(jù)采集和緩存也能夠處理。 FPGA與上位機(jī)／服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，可通過(guò)千兆以太網(wǎng)鏈路完成。 按照這兩種類(lèi)型的鏈路傳輸速率，能夠?qū)崿F(xiàn)500kHz帶寬的IQ 信號(hào)本地傳輸。 如果上位機(jī)或者底層設(shè)備配備固態(tài)閃存存儲(chǔ)介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)200 MB／s 的IQ 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。 大寬帶以及大數(shù)據(jù)量的IQ 數(shù)據(jù)接受處理和存儲(chǔ)，因?yàn)槠渲饕南拗圃谟谏蠈由衔粰C(jī)的處理能力有限，所以對(duì)于大數(shù)據(jù)量的IQ 數(shù)據(jù)包可以以較低的速率上傳到上位機(jī)中。 采用當(dāng)前最為典型的商用PC／服務(wù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)500 kHz 采樣率的連續(xù)IQ 采集以及傳輸。

為更好地滿(mǎn)足上述要求，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù)處理，需要精心設(shè)計(jì)無(wú)線電監(jiān)測(cè)軟件和硬件。 實(shí)際信號(hào)采集工作面臨的場(chǎng)景較為復(fù)雜，如突發(fā)信號(hào)的采集、頻繁的監(jiān)測(cè)測(cè)向功能以及不同帶寬的信號(hào)采集等。 這給數(shù)據(jù)包解析、網(wǎng)絡(luò)傳輸以及數(shù)據(jù)運(yùn)輸?shù)裙ぷ鲙?lái)了困難。 若軟硬件系統(tǒng)不夠完善，很有可能出現(xiàn)某些采集任務(wù)響應(yīng)不及時(shí)或者數(shù)據(jù)丟包的情況。

使用頻譜分析技術(shù)來(lái)觀察信號(hào)的頻譜特征和頻率分布情況，可以發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)或頻率沖突問(wèn)題。 選擇合適的頻譜分析算法和參數(shù)設(shè)置，以確保能夠準(zhǔn)確獲取信號(hào)頻域信息。 在頻譜探測(cè)中，可能存在一些干擾信號(hào)或噪聲，這些信號(hào)可能會(huì)干擾正常的通信。 通過(guò)使用濾波器、陷波器等方法，可以削弱或消除干擾信號(hào)。 對(duì)信號(hào)的頻譜特征進(jìn)行提取，可以獲取信號(hào)的頻率、帶寬、譜形等信息［11－12］。這些信息可以用于信號(hào)分類(lèi)、識(shí)別和定位等應(yīng)用。 將已知信號(hào)的頻域特征與監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行匹配，以判斷信號(hào)是否存在異常或是否屬于特定類(lèi)型。 匹配方法可以包括相關(guān)性分析、相似性度量等。 在無(wú)線電監(jiān)測(cè)中，信號(hào)頻域數(shù)據(jù)處理也需要具備實(shí)時(shí)性。 選擇適當(dāng)?shù)奶幚硭惴ê蛢?yōu)化方法，以保證數(shù)據(jù)能夠被實(shí)時(shí)處理和分析。 另外，根據(jù)具體的監(jiān)測(cè)需求，在信號(hào)頻域數(shù)據(jù)處理中使用合適的技術(shù)和方法顯得尤為重要［13－14］。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要對(duì)無(wú)線電監(jiān)測(cè)的頻譜分析工作當(dāng)中的兩個(gè)典型問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，以期能夠?yàn)闊o(wú)線電監(jiān)測(cè)頻譜分析能力的提升提供更多的幫助，從而提升無(wú)線電監(jiān)測(cè)中信號(hào)頻域數(shù)據(jù)處理能力。