區域環境電磁監測與信號識別系統方案研究

李詩婧，馬 宇，王玉文，孟凡計

（電子科技大學空天科學技術研究院，四川 成都 611731）

0 引 言

隨著科學技術的進步和無線電業務的發展，各種信號在空間中的分布越來越密集，特別是移動通信信號、雷達信號、無線局域網信號以及工業、科學、醫學（ISM）等領域中儀器設備在使用時產生的電磁泄漏信號，使得區域電磁環境變得復雜、擁擠且具有不確定性[1]。給民用、國防等很多方面業務和工作帶來方便的同時，也對信號捕獲、抗干擾等技術提出新的挑戰，對間諜信號、泄漏信號、有害信號的監測與識別問題日趨突出，這些都對無線電管理提出更高的要求。

1 電磁環境監測分析

實現大范圍的環境監測，從成本上考慮是不現實的；所以，設計靈活機動的區域電磁環境監測與信號識別系統，只監測一定范圍內的電磁環境。依靠最新推出的混合域分析儀，實現對信號快速、準確地搜索和捕獲，再利用虛擬儀器技術和信號識別算法對被測信號進行分析處理，給出監測與識別結果，為進一步實現無線電管理工作奠定了基礎[2]。

系統不僅給無線電管理工作提供了明確的依據和參考，還可以作為電磁泄漏監測裝置，有效防止機密信息偵查和泄漏活動，而且可以作為研發電磁兼容產品的檢測設備，對產品的電磁輻射水平做出科學客觀的評估[3]。

系統頻段覆蓋范圍廣，測量范圍為0.4～6GHz，主要監測和識別全部的移動通信信號、從毫米波至米波的雷達信號、2.4GHz和5.8GHz的主流無線局域網信號以及無線電臺、衛星通信等信號。該系統架構方便、體積較小、移動性強，在越來越復雜的環境中，完全可以高效低耗機動地勝任監測工作。

2 系統硬件組成及功能模塊設計

系統依靠接收天線來采集區域電磁環境信息，監測過程中出現的異常信號將會被混合域分析儀捕獲分析，處理后的數據經過儀器的LAN口輸入主控計算機中，由計算機實現信號的識別。系統采用LabWindows/CVI軟件平臺結合虛擬儀器技術開發完成，使用標準的ANSI C語言[4]。

2.1 總線接口技術和儀器控制

系統采用新一代模塊化儀器總線標準LXI（LAN eXtension for instrumentation）總線實現儀器和計算機的連接[5]。LXI是以太網技術在測試自動化領域應用的拓展，其總線規范融合了GPIB儀器的高性能、VXI/PXI插卡式儀器的緊湊靈活和以太網的高速吞吐率，并考慮了定時、觸發、冷卻、電磁兼容等儀器的要求，同時采用LAN口作為連接，相對于其他結構復雜的總線，使系統結構得到簡化。虛擬儀器軟件結構VISA調用底層的驅動程序來實現儀器控制，作為測試軟件中的操作函數集，是一個高層應用程序接口API。

2.2 系統硬件組成

泰克（Tektronix）日前推出的世界上第一臺混合域分析儀MDO4000，它能夠捕獲時間相關的模擬信號、數字信號和RF信號，在系統級全面了解監測環境和器件的特點，可以一目了然地同時看到時域和頻域信號，觀察任一點上的頻譜，迅速高效地解決各種復雜的設計問題。系統采用該分析儀作為數據采集工具，結合天線實現無線電信號接收模塊的功能。

由于要兼顧系統監測頻率范圍非常大和移動便攜性好的特點，天線選用對數周期天線HF-4060，測量范圍0.4～6GHz。該型天線小巧輕便，長寬高尺寸590mm×360mm×30mm，質量 1000 g，屬于手持式無源定向天線，典型值增益5dBi，反射損耗優于-10dB，天線系數20～40dB/m，額定阻抗50Ω。

2.3 功能模塊設計

系統設計主要功能模塊如圖1所示。計算機軟件設計是系統設計的核心，必須具有可實現性和完整性。系統由主控模塊總體控制，實現包括系統校準、數據采集、信號混合域分析、信號識別和結果輸出等一整套完整的系統功能[6]。

3 信號識別方案設計

信號識別方案涉及整個系統的處理流程[7]，以流程圖為綱對信號識別方案進行詳細闡述。

3.1 信號來源

信號識別算法設計依賴信號的來源，如前所述，系統既能實現實際信號的監測，又能進行仿真信號的研究，兩方面相輔相成。首先，需要模擬實際信號的特征，建立仿真信號；然后利用各種仿真信號來測試完善信號識別算法；再使用開發出的算法來識別實際監測信號；最后完成信號識別算法設計。

系統一方面可以通過硬件設備，實現實際區域的監測，完成普通監測工作；另一方面，在非實際監測時，也可以模擬不同電磁環境下各種設備的電磁波，方便進行各種科學研究和開發工作。

3.2 監測準備

系統開始工作前，還需完成一些準備工作。首先完成主控計算機、混合域分析儀、天線和LAN口網線的連接；然后在主控計算機中裝載儀器驅動程序，實現儀器控制；再對儀器和天線進行校準；最后還要進行初次環境監測，完成系統校準。

圖1 系統功能模塊設計

3.3 相似計算

相似計算模塊是對電磁環境改變情況的判別，首先要知道當前或者原來應該存在的電磁環境，所以在此過程中，可以讀取已經存在的環境記錄，或者重新掃描生成一個環境比對信號記錄；然后比對環境信號與當前監測獲取到的信號，如果出現環境改變情況，則是由于出現新的信號，該模塊的計算步驟如下：

（1）設系統中標準比對信號為x（i）；

（2）監測當前環境下的信號改變情況，設監測到的信號為 y（i），且 y（i）和 x（i）長度相同，都為 k；

（3）利用相似性計算公式

計算它們的相似性系數ρxy；

（4）當ρxy≤0.9時，判斷電磁環境發生改變。

3.4 分析識別

分析識別模塊是系統的核心，混合域分析儀提供信號以時間相關的時域頻域混合域信息，通過分析波形圖，根據不同信號的幅度頻率特征，實現已知信號識別。例如，根據信號的頻率不同識別不同的移動通信信號，系統識別后給出的結果信息包括信號的幅度、頻率、通信體制、所屬服務運營商和上下行等信息。

系統根據不同監測環境和監測任務要求，可以設置單點測量和頻段掃描功能，當需要得到某一個信號的參數時，使用單點測量功能；當需要監測整個頻段的情況時，使用頻段掃描功能。

4 實驗結果與分析

使用區域電磁環境監測與識別系統進行一次綜合監測實例。輸入信號采用中國移動GSM900上行信號，信號功率-37.2dBm，頻率0.9GHz，系統環境模擬高斯噪聲環境，噪聲比率20%。點擊開始校對按鈕，完成校對后，校對指示燈變黃。設置窗函數為Hanning窗，設置頻譜顯示方式為均方值，衡量范圍為dB。在全頻段內進行掃描，點擊按鈕，主要模塊設計和監測與識別結果如圖2所示。

圖2 系統監測結果演示顯示面板

實驗結果證明，系統架構方便合理，信號識別準確、快速，滿足設計要求。

5 結束語

系統實現對一定區域內的電磁環境監測，主要針對已知信號，進行發現和捕獲，并識別出信號類別，為屏蔽信號和下一步的定位工作提供依據，有效地解決信息安全問題。開發過程中所提出的技術和方法可以在類似產品的開發中推廣應用。

[1]EBERLE H.A radio network for monitoring and diagnosing computer Systems[J].Micro，IEEE，2003，23（1）：60-65.

[2]唐鼎甲，武暢.無線電監測系統的組成與應用[J].電子信息對抗技術，2011，26（5）：37-40.

[3]徐子娟，龍傳富.基于虛擬儀器技術的三維微振動測試系統[J].中國測試，2011，37（5）：83-85.

[4]范惠林，徐洪吉，陳丹強.基于LabWindows/CVI的機載武器測試系統程序設計[J].計算機測量與控制，2009，17（6）：1221-1224.

[5]Dewey M.Making the transition from GPIB to LXI[J].Device Configuration，2006（10）：1-7.

[6]史君成，張淑偉，律淑珍.LabWindows/CVI虛擬儀器設計[M].北京：國防工業出版社，2007：61-88.

[7]涂田佳，王見，秦樹人.跨平臺的虛擬儀器開發研究與實現[J].中國測試，2010，36（5）：55-65.