吳瑩瑩

（安徽亳州新能源學(xué)校 安徽 亳州 236700）

0 引言

無線電信號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。 隨著無線電通信技術(shù)的快速發(fā)展，各個國家對無線電頻譜資源重要性的認(rèn)識不斷提高，無線電頻譜資源在重大安全保障、信息化戰(zhàn)爭等領(lǐng)域起著不可替代的作用。 信號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。 基于頻譜的信號類型分析識別技術(shù)突飛猛進(jìn)，人們越來越關(guān)注如何才能夠在信號分析以及參數(shù)測量的過程中應(yīng)用頻譜數(shù)據(jù)。 新形勢下如何有效地進(jìn)行識別和監(jiān)測，對相關(guān)技術(shù)工作有著重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。 通過信號分析能夠?qū)崿F(xiàn)信號確認(rèn)等無線電管理工作，同時，可以防止無線電頻譜的非法利用，確保通信的正常運(yùn)行。 無線電監(jiān)測的核心內(nèi)容是以傅里葉變換作為基礎(chǔ)的信號頻譜分析。 信號的頻率以及頻譜是信號采集和查找及分析各種類型干擾的重要入手點(diǎn)［2］。 根據(jù)當(dāng)前實(shí)際情況來看，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)很難滿足不同類型信號精準(zhǔn)識別的要求［3］。

1 頻譜分析

根據(jù)電磁場理論，電磁場產(chǎn)生的波在空間以不同的頻率進(jìn)行傳播（電磁場變化的速率稱之為頻率），這些頻率的集合統(tǒng)稱為電磁頻譜。 電磁頻譜中3 000 GHz 以下的頻率被稱為無線電頻譜。 因此，無線電信號的頻譜是自然存在的與無線電信號頻率相關(guān)信息的集合。 無線電監(jiān)測行業(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)和無線電技術(shù)等方面。 根據(jù)頻譜信號的頻率分量（一般是針對幅頻譜和相頻譜進(jìn)行分析，常見的是幅頻譜分析），可獲得信號的多種參數(shù)和信號所通過的網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。 在日益復(fù)雜的無線通信環(huán)境中，通過頻譜圖對無線業(yè)務(wù)、頻譜管理、監(jiān)管作業(yè)等活動進(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)踐的過程中，如果僅僅通過頻譜分析，人們很難獲取信號的時變特性，在此情況下，人們逐漸開發(fā)出了時頻聯(lián)合分析的瀑布圖。 將信號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)測人員能夠?qū)π盘柕臅r變特性產(chǎn)生直觀而又準(zhǔn)確的認(rèn)識。

1.3 熒光光譜

物體經(jīng)過較短波長的光照，把能量儲存起來，然后緩慢放出較長波長的光，放出的光叫熒光。 將熒光的能量與波長關(guān)系制成圖叫做熒光光譜。 熒光光譜要靠光譜檢測才能獲得。 在分析突發(fā)信號和脈沖信號的特征方面，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進(jìn)行。 頻譜分析儀是指用于測定信號的頻率和幅度的儀器，其能將信號分解成若干個分量，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）。 其可以對控制環(huán)境中的電磁噪聲進(jìn)行監(jiān)測，并可以對復(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

熒光光譜分析對不同信號的頻譜特征進(jìn)行觀測，此工作是瀑布圖以及頻譜無法做到的，但是該方法會導(dǎo)致運(yùn)算量大幅增加，相應(yīng)硬件成本也會不斷提高［6］。 當(dāng)前，國內(nèi)廠商所使用的信號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，同時還具備數(shù)字顯示等功能，但是都通過離線計(jì)算的方式來進(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，信號在軍事和民用領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用。 對軍事領(lǐng)域信號調(diào)制方式的識別是對敵方通信進(jìn)行監(jiān)聽的前提。 知道了調(diào)制類型便可以估計(jì)調(diào)制參數(shù)，從而制定出有針對性的偵查策略［7］。 在民用通信方面，需要對無線電進(jìn)行管理，確保合法通信的正常運(yùn)行。近些年來，計(jì)算機(jī)數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展對通信的安全有了一定的保證，通信信號識別技術(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 無線電監(jiān)測中信號頻域數(shù)據(jù)處理優(yōu)化

無線電信號頻譜數(shù)據(jù)處理常使用快速傅里葉變換來實(shí)現(xiàn)，其可以將時域的無線電信號轉(zhuǎn)換為頻域的信號。 當(dāng)信號轉(zhuǎn)換為頻域信號之后便可分析出信號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進(jìn)行快速傅里葉逆變換，再次得到所需的時域信號。 在信號處理中可使用相應(yīng)的技術(shù)手段和算法，實(shí)現(xiàn)頻率動態(tài)調(diào)整采樣，從而減小同步誤差，減少頻譜泄露等問題，達(dá)到對無線電信號頻域數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化。 對無線電信號頻譜數(shù)據(jù)處理還可以從以下幾個方面來進(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，如果采樣的速率提升了一倍，那么掃描的速度也對應(yīng)提升一倍。 在實(shí)時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。

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

3.1.2 改進(jìn)局部空采

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，我國各個行業(yè)都應(yīng)用了現(xiàn)代高科技，市場需求量越來越大，對無線電信號自動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)揮著無可替代的作用。 如果出現(xiàn)信號局部采集是空的情況，會直接影響到數(shù)據(jù)的檢測工作。 在掃頻的過程中，出現(xiàn)局部信號采集缺失以及空采的情況較為常見。

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。 仍然以上述場景為例，可以將掃描策略改為每個單元頻段持續(xù)采集的數(shù)量加大，在對頻譜信號連續(xù)操作之后，再切換到下一個單位的頻段進(jìn)行掃描，反復(fù)操作一遍之后，能夠得到相似的頻段。 同時，也可對于觸發(fā)采集的頻譜掃描策略進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)將其切換到某一個單位頻段之后，靜待一段時間，直到信號電平超過預(yù)設(shè)的門限之后，再對信號進(jìn)行頻譜計(jì)算以及采集［9］。 在實(shí)際檢測過程中，個別微弱信號不容易被檢測出來，會給監(jiān)測工作帶來一定的影響，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產(chǎn)監(jiān)測接收機(jī)所具備的功能。 將一個典型信號的瀑布圖與不同廠家的瀑布圖作比較，其中的信號是脈沖形式的線性調(diào)頻信號，線性調(diào)頻信號和脈內(nèi)頻率變化趨勢不容易顯示出來，即使顯示出來也不連續(xù)，從而導(dǎo)致線性調(diào)頻信號頻率隨時間線性增長的變化趨勢不能完全反映出來。 究其原因是，如果瀑布圖中相鄰的頻譜和信號不連接，那么在時間上會有一定的間隔，同時相鄰頻譜對應(yīng)的間隔時間會更長。 由此可見，需要將線性調(diào)頻脈沖信號的瞬時頻率圖完整地顯示出來以發(fā)揮出真正的作用。

對于某類型信號來說，首先要重視的是時域頻譜采集連續(xù)性，才能呈現(xiàn)出最真實(shí)的信號時頻分析圖。 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，各個廠商在檢驗(yàn)信號、捕捉能力、信號采集能力時可以此為參照。 在具體應(yīng)用的過程中，通常不需要長時間顯示連續(xù)FFT 計(jì)算和瀑布圖。 從一定程度上來說，不管是常發(fā)信號還是突發(fā)信號，只需要計(jì)算FFT 頻率，并且將其瀑布圖呈現(xiàn)出來，就能夠滿足大多數(shù)信號的分析要求，減少硬件傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)。 因?yàn)槔L采集的時間間隔，或者采用連續(xù)拉長的方式，對于經(jīng)常發(fā)送的信號來說可能會出現(xiàn)局部采集的情況，所以有必要采用時段電平的采集模式進(jìn)行采集。

4 無線電監(jiān)測中信號頻域數(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)場可編程門陣列（field?programmable gate array，F(xiàn)PGA）采集同向正交信號（in?phase quadrature，IQ）數(shù)據(jù)，包括多級濾波抽取以及中頻信號的數(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)時完成［10］。 對于大多數(shù)FPGA，80 MHz 及以下寬帶信號的連續(xù)采集完全沒有問題，對于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，可通過千兆以太網(wǎng)鏈路完成。 按照這兩種類型的鏈路傳輸速率，能夠?qū)崿F(xiàn)500kHz帶寬的IQ 信號本地傳輸。 如果上位機(jī)或者底層設(shè)備配備固態(tài)閃存存儲介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)200 MB／s 的IQ 數(shù)據(jù)實(shí)時存儲。 大寬帶以及大數(shù)據(jù)量的IQ 數(shù)據(jù)接受處理和存儲，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。

為更好地滿足上述要求，實(shí)現(xiàn)無線電監(jiān)測信號的頻譜數(shù)據(jù)處理，需要精心設(shè)計(jì)無線電監(jiān)測軟件和硬件。 實(shí)際信號采集工作面臨的場景較為復(fù)雜，如突發(fā)信號的采集、頻繁的監(jiān)測測向功能以及不同帶寬的信號采集等。 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砹死щy。 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)不及時或者數(shù)據(jù)丟包的情況。

使用頻譜分析技術(shù)來觀察信號的頻譜特征和頻率分布情況，可以發(fā)現(xiàn)異常信號或頻率沖突問題。 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)確獲取信號頻域信息。 在頻譜探測中，可能存在一些干擾信號或噪聲，這些信號可能會干擾正常的通信。 通過使用濾波器、陷波器等方法，可以削弱或消除干擾信號。 對信號的頻譜特征進(jìn)行提取，可以獲取信號的頻率、帶寬、譜形等信息［11－12］。這些信息可以用于信號分類、識別和定位等應(yīng)用。 將已知信號的頻域特征與監(jiān)測信號進(jìn)行匹配，以判斷信號是否存在異?；蚴欠駥儆谔囟愋汀?匹配方法可以包括相關(guān)性分析、相似性度量等。 在無線電監(jiān)測中，信號頻域數(shù)據(jù)處理也需要具備實(shí)時性。 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)時處理和分析。 另外，根據(jù)具體的監(jiān)測需求，在信號頻域數(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

綜上所述，本文主要對無線電監(jiān)測的頻譜分析工作當(dāng)中的兩個典型問題進(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線電監(jiān)測頻譜分析能力的提升提供更多的幫助，從而提升無線電監(jiān)測中信號頻域數(shù)據(jù)處理能力。