王曉波, 譚業(yè)雙, 孫慧賢, 袁　揚(yáng)

(軍械工程學(xué)院 信息工程系，石家莊　050003)

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某型指揮信息系統(tǒng)有線遠(yuǎn)傳接口自動(dòng)識(shí)別方法

王曉波, 譚業(yè)雙, 孫慧賢, 袁揚(yáng)

(軍械工程學(xué)院 信息工程系，石家莊050003)

為提高對(duì)指揮信息系統(tǒng)有線遠(yuǎn)距離傳輸接口測(cè)試的自動(dòng)化水平，提出一種基于信號(hào)特征提取的信號(hào)類型自動(dòng)識(shí)別方法；在對(duì)各類接口信號(hào)時(shí)域和頻域特性分析的基礎(chǔ)上，采用限幅濾波法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)峰峰值的準(zhǔn)確判斷，通過(guò)基于Burg算法AR模型的譜估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜準(zhǔn)確估計(jì)；依據(jù)提取到的信號(hào)峰峰值和頻帶寬度，采用雙閥值判決方法對(duì)接口類別進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于信號(hào)時(shí)頻域特征差異的自動(dòng)識(shí)別方法，能夠有效區(qū)分3種類型15個(gè)接口，識(shí)別準(zhǔn)確度達(dá)到87%以上。

接口信號(hào)識(shí)別；特征提取；限幅濾波法；譜估計(jì)

0　引言

某型指揮信息系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有繁多的外部接口，手工測(cè)試速度慢、準(zhǔn)確性差[1]。當(dāng)前，針對(duì)某型設(shè)備接口進(jìn)行測(cè)試，必須首先知道接口的類型，然后相應(yīng)的選取測(cè)試方案進(jìn)行測(cè)試。使用人員在不熟悉設(shè)備接口的情況下，可能會(huì)連接錯(cuò)誤接口或者存在大量通信線纜時(shí)，無(wú)法快速準(zhǔn)確識(shí)別線路傳輸何種信號(hào)連接何種接口。因此，迫切需要實(shí)現(xiàn)接口識(shí)別技術(shù)的自動(dòng)化。

接口自動(dòng)識(shí)別技術(shù)就是將采集到的接口信號(hào)作為樣本，通過(guò)提取樣本特征參數(shù)，并且借助相應(yīng)的信號(hào)處理手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)接口的自動(dòng)識(shí)別[2]，代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工對(duì)接口判斷，具有測(cè)試速度快、精確性高的特點(diǎn)。本文通過(guò)采用限幅濾波法和基于Burg算法AR模型的譜估計(jì)方法分別對(duì)信號(hào)峰峰值和頻帶寬度特征進(jìn)行提取，利用雙閥值判決方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)接口的自動(dòng)識(shí)別。最后通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了接口自動(dòng)識(shí)別方法的可靠性。

1　接口特征分析

指揮信息系統(tǒng)有線遠(yuǎn)距離傳輸接口包括單路有線用戶接口和遠(yuǎn)傳群路接口，多以二線平衡方式進(jìn)行全雙工傳輸，主要用于野戰(zhàn)地域網(wǎng)設(shè)備接入，數(shù)字終端接入交換設(shè)備，以及遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信。本文以有線遠(yuǎn)距離傳輸接口中的單路有線用戶中的數(shù)字接口(K接口)、遠(yuǎn)傳群路接口中的高速率數(shù)字用戶線路接口(HDSL技術(shù)體制)和單對(duì)線高速數(shù)字用戶線路接口(G.SHDSL技術(shù)體制)三類為例，具體接口特征參數(shù)如表1所示。通過(guò)對(duì)接口時(shí)頻域特性進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)三類接口時(shí)域峰峰值電壓和頻域頻帶寬度區(qū)別明顯，在正常通信情況下，可以作為進(jìn)行接口識(shí)別的特征參數(shù)。

表1　接口特征參數(shù)表

2　自動(dòng)識(shí)別方法

2.1總體方案設(shè)計(jì)

接口自動(dòng)識(shí)別包括接口信號(hào)采集與處理、接口信號(hào)特征提取和接口信號(hào)識(shí)別3個(gè)部分。接口自動(dòng)識(shí)別流程如圖1所示，接口信號(hào)采集與處理是對(duì)采集到的接口信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且進(jìn)行預(yù)處理，為后續(xù)特征分析提供合適的數(shù)據(jù)。接口信號(hào)特征提取是從數(shù)據(jù)中提取合適的特征參數(shù)。接口信號(hào)識(shí)別是根據(jù)判決規(guī)則，利用所得的特征參數(shù)將接口信號(hào)識(shí)別出來(lái)。

圖1　接口自動(dòng)識(shí)別流程

2.2接口信號(hào)采集與處理

上述3類二線接口信號(hào)的最高頻率為850 kHz，根據(jù)分析，數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率至少要大于8.5 MHz。通過(guò)對(duì)采樣速率、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度以及分辨率等需求的分析，選用阿爾泰科技公司的PXI-8514 數(shù)據(jù)采集卡。它具有四路模擬量同時(shí)輸入通道，每個(gè)通道輸入信號(hào)的電壓幅度范圍為-1～1 V，-5～5 V。在數(shù)模轉(zhuǎn)化方面，具有14位的連續(xù)A/D轉(zhuǎn)換器；最大采樣速率為40 Ms/s，能夠保證對(duì)上述3類有線遠(yuǎn)傳接口信號(hào)進(jìn)行無(wú)失真采集。

由于開關(guān)閉合等原因，在信號(hào)傳輸過(guò)程中，易于產(chǎn)生抖動(dòng)和毛刺。為了獲得更加準(zhǔn)確的信號(hào)特征參數(shù)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行去抖處理，從而減弱干擾的影響，提高測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。常用的方法有限幅濾波法、中位值濾波、遞推平均濾波、加權(quán)平均濾波和慣性濾波等，限幅濾波法(削波法)是當(dāng)中最簡(jiǎn)單實(shí)用的算法。限幅濾波算法的思想是[3]：在相同采樣時(shí)間間隔內(nèi)，認(rèn)為最大變化量增量的絕對(duì)值總是在一定范圍內(nèi)變化，增量的具體值需要根據(jù)實(shí)際情況確定。若實(shí)際相鄰兩次采樣值均超出此偏差值Δe，則表明發(fā)生了干擾，此時(shí)就應(yīng)該忽略掉本次采樣值，并用前一次采樣值作為本次采樣值；若小于此偏差值Δe，就認(rèn)為此次采樣值有效。

由于限幅濾波算法總是對(duì)單一相鄰點(diǎn)進(jìn)行比較，如果干擾連續(xù)出現(xiàn)，則此時(shí)只有干擾的初始點(diǎn)可以濾除，后續(xù)的干擾點(diǎn)則無(wú)法濾除。根據(jù)上述思想對(duì)限幅濾波法進(jìn)行改進(jìn)，即將采樣點(diǎn)與前后兩個(gè)相鄰點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行比較，如果偏差均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，則為干擾點(diǎn)；如果偏差均不超過(guò)，則為有效點(diǎn)；如果偏差只有一個(gè)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，則需要進(jìn)一步分析防止干擾連續(xù)出現(xiàn)，具體算法如下所示：

(1)首先根據(jù)具體實(shí)際情況，確定相鄰兩次采樣之間的偏差值Δe；

(2)依次比較所有數(shù)據(jù)，若有|x(i)-x(i-1)|>Δe且|x(i)-x(i+1)|>Δe，表明|x(i)|是無(wú)效點(diǎn)；若有|x(i)-x(i-1)|>Δe，|x(i)-x(i+1)|<Δe且|x(i)-x(i+2)|>Δe，表明|x(i)|和|x(i+1)|都產(chǎn)生干擾；

(3)若|x(i)|是無(wú)效點(diǎn)，則將|x(i)|和|x(i+1)|的平均值賦給|x(i)|；若有|x(i)|和|x(i+1)|都是無(wú)效點(diǎn)，將|x(i)|和|x(i+1)|的平均值分別賦給|x(i)|和|x(i+1)|。

以G.SHDSL接口信號(hào)為例，如圖2所示，上圖是未經(jīng)過(guò)處理的接口信號(hào)波形，下圖是經(jīng)過(guò)限幅濾波處理之后的接口信號(hào)波形。顯然經(jīng)過(guò)限幅濾波處理之后，能夠獲得更加準(zhǔn)確的信號(hào)電平值信息。

圖2　平滑前后G.SHDSL接口信號(hào)波形圖

2.3信號(hào)特征提取

信號(hào)特征提取的基本任務(wù)，就是從眾多特征之中找出最能夠有效反映信號(hào)本質(zhì)的最優(yōu)特征參量。最優(yōu)特征參量的提取，對(duì)于后續(xù)的分類識(shí)別具有重要作用，是自動(dòng)識(shí)別中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.3.1信號(hào)峰峰值提取

信號(hào)峰峰值指的是信號(hào)電平最大峰值和最小峰值的差值[4]。具體提取步驟如下：首先，選一幀波形內(nèi)任一點(diǎn)作為最大值電壓Vmax和 最小值電壓Vmin的初始值。其次，利用Vmax和Vmin與一幀波形內(nèi)其余采樣點(diǎn)Vi進(jìn)行依次比較。如果Vi大于Vmax時(shí)，將Vi值賦給Vmax；如果Vi小于Vmin時(shí)，將Vi值賦給Vmin，直至完成與整幀波形所有數(shù)據(jù)的比較。最后，將所得的Vmax與Vmin相減求出峰峰值。為提高信號(hào)峰峰值的準(zhǔn)確性，重復(fù)上述流程，進(jìn)行多組幀波形峰峰值提取，并且取結(jié)果的平均值，即為所得信號(hào)峰峰值。峰峰值提取方法流程圖如圖3所示。

圖3　峰峰值提取方法流程圖

2.3.2信號(hào)頻帶寬度提取

功率譜估計(jì)是從頻域分析隨機(jī)信號(hào)的一種方法，利于判斷信號(hào)占據(jù)的頻帶寬度[5]。其中，利用模型進(jìn)行譜估計(jì)是以隨機(jī)過(guò)程的參數(shù)模型為基礎(chǔ)，能夠基于有限數(shù)據(jù)從頻域內(nèi)提取出淹沒在噪聲中的有用信號(hào)。當(dāng)前比較常用的模型譜估計(jì)包括：AR模型、ARMA模型、MA模型等。Burg算法遞推過(guò)程建立在數(shù)據(jù)序列基礎(chǔ)上，避開了序列的自相關(guān)函數(shù)估計(jì)。所以，與自相關(guān)法相比具有較好的頻率分辨率。其基本思想是直接從觀測(cè)的數(shù)據(jù)利用線性預(yù)測(cè)器的前向和后向預(yù)測(cè)的總均方誤差之和為最小的準(zhǔn)則來(lái)，先估計(jì)反射系數(shù)，進(jìn)而通過(guò)Levinson遞推公式求出AR模型優(yōu)化參數(shù)，在譜分辨率方面有著良好的性能。假設(shè)觀察到的x(0)，x(1)，…，x(N-1)個(gè)數(shù)據(jù)，具體算法實(shí)現(xiàn)如下：

①取m=1，初始化：

②計(jì)算反射系數(shù)：

③計(jì)算濾波器系數(shù)以及預(yù)測(cè)誤差功率:

④遞推高一階前、后向預(yù)測(cè)誤差：

以3個(gè)加入噪聲號(hào)的正弦信號(hào)為例(頻率分別為40 Hz、100 Hz、300 Hz)，求功率譜估計(jì)。如圖4所示，可以清晰的觀測(cè)到，利用Burg算法求解AR模型的功率譜估計(jì)過(guò)程是非常穩(wěn)定的，而且具有非常高的分辨率。

圖4　基于AR模型Burg算法的功率譜估計(jì)圖

2.4接口信號(hào)識(shí)別

信號(hào)識(shí)別是依據(jù)信號(hào)特征的觀測(cè)值將其分到不同類別中去。決策理論識(shí)別是在工程中應(yīng)用較多的信號(hào)識(shí)別方法，其基本思想是通過(guò)從原始數(shù)據(jù)中分析提取的特征參數(shù)，直觀或者是間接地統(tǒng)計(jì)選擇識(shí)別方法，產(chǎn)生判決門限來(lái)識(shí)別信號(hào)。其中，判決門限的選取對(duì)于識(shí)別率的影響很大，是決策理論識(shí)別方法的核心[6]。

根據(jù)分析得到信號(hào)時(shí)域特征峰峰值電壓和頻域特征頻帶寬度，分別設(shè)置判決門限，用于接口的信號(hào)識(shí)別。接口信號(hào)識(shí)別流程圖如圖5所示，其具體步驟為：首先，通過(guò)提取時(shí)域特征峰峰值電壓，與判決門限Vff進(jìn)行比較，將HDSL接口識(shí)別出來(lái)。K接口和G.SHDSL接口信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)電壓峰峰值分別為1 V、2 V，遠(yuǎn)小于HDSL接口信號(hào)電壓峰峰值7 V?？紤]各種干擾影響，在實(shí)際應(yīng)用中選取4.5 V作為電壓判決門限Vff。當(dāng)信號(hào)峰峰值大于判決門限Vff時(shí)，識(shí)別出HDSL接口，小于判決門限Vff時(shí)，進(jìn)入下一輪判決與門限F的比較。其次，通過(guò)提取頻域特征頻帶寬度，與判決門限F比較，區(qū)別K接口和G.SHDSL接口信號(hào)。K接口和G.SHDSL接口信號(hào)頻帶寬度分別為[80～160 kHz]，[0～850 kHz]。考慮各種干擾影響，在實(shí)際應(yīng)用中選取500 kHz作為頻域判決門限F。當(dāng)頻帶寬度大于頻域判決門限F時(shí)，判定為G.SHDSL接口。當(dāng)頻帶寬度小于頻域判決門限F時(shí)，判定為K接口。

圖5　接口信號(hào)識(shí)別流程圖

3　實(shí)驗(yàn)與分析

3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與條件

為了驗(yàn)證本文提出的接口自動(dòng)識(shí)別方法的正確性，首先，選取某型指揮信息系統(tǒng)設(shè)備的三類遠(yuǎn)傳接口，利用PXI-8514對(duì)接口進(jìn)行信號(hào)采集。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真在 Matlab7.1環(huán)境中進(jìn)行,依次進(jìn)行時(shí)域峰峰值和頻域頻帶寬度提取，并依據(jù)所得特征值進(jìn)行識(shí)別。

3.2結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)3類接口信號(hào)進(jìn)行采集，并分別進(jìn)行平滑濾波濾除干擾點(diǎn)，計(jì)算得到其峰峰值結(jié)果如表2所示。根據(jù)接口信號(hào)識(shí)別流程，通過(guò)提取峰峰值與判決門限Vff進(jìn)行比較，識(shí)別出接口2為HDSL接口。接口1和接口3進(jìn)入下一輪與判決門限F的比較。

表2　接口時(shí)域特征峰峰值

運(yùn)用基于AR模型的Burg算法，分別對(duì)接口1和接口3的信號(hào)進(jìn)行頻帶寬度判斷，其功率譜估計(jì)曲線如圖6所示。通過(guò)提取頻帶寬度與判決門限F進(jìn)行比較，很容易識(shí)別出信號(hào)1是K接口信號(hào)，信號(hào)3是G.SHDSL接口信號(hào)。

圖6　接口1與接口3的功率譜估計(jì)圖

為驗(yàn)證識(shí)別方法的通用性，對(duì)3種類型15個(gè)接口進(jìn)行150次測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3　三類接口測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，利用本文提出的自動(dòng)識(shí)別方法，基本上能夠有效識(shí)別K、HDSL和G.SHDSL三類接口。其中K口識(shí)別正確率達(dá)到100%，可靠性比較高。HDSL口識(shí)別正確率達(dá)到91%以上，誤識(shí)別為G.SHDSL接口主要是因?yàn)榻涌谧杩共黄ヅ湟约熬€路衰減導(dǎo)致電平峰峰值的下降。G.SHDSL口識(shí)別正確率達(dá)87%以上，誤識(shí)別為HDSL接口主要是因?yàn)闇y(cè)試過(guò)程中噪聲干擾比較嚴(yán)重，以及傳輸速率設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致頻帶寬度下降。HDSL口和G.SHDSL口信號(hào)分別是2B1Q編碼(四電平脈沖幅度調(diào)制碼)和16TC-PAM編碼(十六電平脈沖幅度調(diào)制碼)。為提高G.SHDSL口和HDSL口識(shí)別的準(zhǔn)確性，下步考慮使用參數(shù)均值歸一化包絡(luò)方差R[7]，利用信號(hào)包絡(luò)變化程度的不同來(lái)進(jìn)一步區(qū)分，確保識(shí)別的正確性。

4　結(jié)論

本文介紹了一種有線遠(yuǎn)傳接口自動(dòng)識(shí)別方法，通過(guò)對(duì)接口特征進(jìn)行深入分析，明確了采用限幅濾波法和基于Burg算法AR模型的譜估計(jì)方法，準(zhǔn)確提取信號(hào)時(shí)域峰峰值和頻域頻帶寬度的特征。通過(guò)采用雙閥值判決方法，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)有線遠(yuǎn)

傳接口的有效識(shí)別。此方法基本上能夠?qū)崿F(xiàn)三類遠(yuǎn)傳接口的識(shí)別，但是接口阻抗不匹配、線路衰減以及速率設(shè)置錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致識(shí)別率出現(xiàn)一定程度的下降，下一步還會(huì)有針對(duì)做進(jìn)一步深入研究。該方法可以同樣用于其它類型接口信號(hào)的特征提取與分類識(shí)別，為下步有線遠(yuǎn)傳接口的智能測(cè)試提供了基礎(chǔ)和前提，可以有效提高有線遠(yuǎn)距離傳輸接口的自動(dòng)化測(cè)試水平[8]，在推廣和應(yīng)用上具有一定的實(shí)際價(jià)值。

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Wired Remote Interface Automatic Identification Method for A Type Command Information System

Wang Xiaobo, Tan Yeshuang, Sun Huixian, Yuan Yang

(Department of Information Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang050003,China)

To improve the long-distance transmission of command information systems wired interface test automation level, proposed the signal automatic identification method based on the type of signal feature extraction. On the basis of various types of interface signals in time domain and frequency domain characteristics analysis, the use of limiting filtering method to achieve peak to peak signal accurate judgment, for signal spectrum by Burg spectral estimation method based on AR model algorithm for accurate estimates. Based on the extracted signal peak to peak and bandwidth, dual threshold decision method for automatic recognition interface categories. Experimental results show that the automatic recognition method characterized in the frequency domain based on the difference signal, can effectively distinguish three types of 15 interfaces, recognition accuracy reaches 87%.

interface signals recognition; feature extraction; limiting filtering; spectral estimation

2015-06-16；

2015-09-06。

總裝科研項(xiàng)目。

王曉波(1988-)，男，江蘇大豐人，碩士研究生，主要從事電子與通信裝備保障技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)01-0255-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.071

TP391

A