無線電信號識別與分析的設計解決方案

李長山，陳安軍

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

信號識別與分析是無線電監測過程中最重要的功能，在復雜環境下無線電信號進行監測時，發現異常信號后如何正確地提取信號的信號特征從而自動識別其調制方式，并以此為參考進行后續的信號分析與處理，是無線電監測的重要任務。完備的信號分析能力為用戶在專項監測時了解信號的復雜本質提供了有效工具。

1 基于IQ數據的無線電信號分析總體方案設計

信號分析是通過固定調諧接收，數字正交解調產生IQ數據，由主處理器對IQ數據進行處理進行的。整個信號分析分為三部分：調制識別、多域聯合分析、音頻信號解調。調制識別是對異常信號進行調制方式的判定，確定調制方式后，完成了整個信號的完整標識。多域聯合分析是對異常信號進行時域、頻域、調制域的聯合處理，由用戶根據結果顯示進行信號的定量分析，最終由用戶完成信號的標識。音頻信號解調是ITU規定的監測接收機必須具備的功能，用戶可以直接對解調得到音頻進行監聽和錄音。其構成框圖如圖1所示。下面針對這三部分進行詳細論述。

圖1 信號分析總體方案構成圖

1.1 調制識別

目前調制識別的方法主要有三類：判決理論識別方法、統計模式識別方法和人工神經網絡的方法。本設計中，綜合考慮了識別算法的效果以及實現難度，采用基于統計模式識別的特征參數提取算法和基于判決理論的最優化檢驗算法，實現對通信信號的高效識別。該識別算法利用信號的基本特征（包括：譜特征、瞬時幅度、瞬時頻率及其高階累積量等）提取一組計算簡單、物理意義清晰、抗噪性好的特征參數，在不需要先驗知識的情況下，對加性高斯白噪聲（AWGN）的恒參信道（即衛星與微波通信信道）中常用通信調制方式：AM、FM、ASK、FSK（2FSK、4FSK、8FSK、16FSK）、PSK（BPSK、QPSK、8PSK、16PSK、OQPSK、π/4QPSK）、QAM（16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM）信號在一定信號條件下自動識別其調制方式。

基于統計模式識別的特征參數提取技術，其關鍵是尋找一套能快速有效區分各類調制信號的特征集，同時基于這一套特征集提出一套識別率高、收斂快的綜合決策算法。基于這一思路，信號分析和判決如圖2所示：

圖2 信號特征提取和判決示意圖

調制方式識別的特征提取是基于傳輸信號（I/Q數據）的頻域特征參數分析（比如頻譜估計）和時域特征參數分析（比如瞬時包絡、瞬時頻率和瞬時相位）。特征參數包括基本特征參數和分類特征參數，其中基本特征參數包括信號瞬時幅度、信號瞬時頻率、信號功率譜、信號平方譜、信號四次方譜、信號八次方譜、信號十六次方譜。基本特征參數為提取分類特征參數提供理論依據。分類特征參數則包括如下四種：

特征參數Ra： 反映信號包絡的變化情況；

特征參數Muf：反映信號瞬時頻率的緊致性；

特征參數Mua：反映信號瞬時幅度的緊致性；

特征參數Cum：反映解析信號八階四次共軛累積量。

在調制識別系統中，綜合判決主要是依據滿足參數門限的基本特征參數（所表示的特征是否具備，Y表示有，N表示無，X表示不用考慮）和分類特征參數（與門限T的對比情況）對信號進行分類識別。特征參數門限的選取對識別的性能有很大影響。應該注意的是模擬信號空間，數字信號空間的特征門限值是不一樣的。在特征提取算法中，如何選取非弱信號段，判決門限的確定也成為問題的關鍵，選擇的太低，其作用就不大，而選擇的太高則會丟失有用的相位信息而導致錯誤判別。總之，在多級調制識別系統中，只有逐級選取合適的特征參數門限值加以細分，才能最終實現所有調制方式的分類識別。表3列出了調制識別各調制樣式和特征參數的判別關系。

通信信號在傳播過程中易受到信道噪聲的干擾，因此，在接收端信噪比（SNR）變化范圍較大（通常在幾dB 到幾十dB之間），這樣就相當于成倍地增加了分類類別，無形中增加了識別的難度。由于任何單一調制識別方法都不能很好地識別所有各種調制信號，所以本設計采用多級調制識別系統來克服上面所提到的識別難點，實現大SNR范圍內有較高的分類準確率，同時這種方法還具有較高的效率和靈活性。多級調制識別系統設計的主要思想是：先易后難，逐層裁減，直到所有類別被全部區分。在多級調制識別系統中，第一級通常是對調制信號進行粗的分類，第二級再作進一步的細分，最后完成整體的調制識別工作。圖3所示的是根據調制信號識別的五個特征參數對調制信號的調制樣式進行多級調制識別的流程圖。這種多級調制識別系統算法簡單，計算量小，易于編程，實時性好，比較適用于監測接收機中。

圖3 多級調制識別流程圖

表1 調制樣式和特征參數的判別關系

調制識別在軟件里作為一個獨立的模塊，主程序通過動態連接庫來使用該功能。調制識別軟件可以對實時數據啟動調制識別功能，也可以選定一個信號文件作為識別目標來啟動識別功能。調制識別時，信號長度需要大于65536個采樣點。當在數字調制方式下采樣率為調制速率的8—16倍，在模擬調制方式下采樣率為信號帶寬的8—16倍，軟件識別效果比較好。

1.2 多域聯合分析與音頻解調

各種新體制信號的應用以及信號識別算法本身的局限性，仍然會出現無法標識的信號，此時就需要用戶人工進行信號的標識。

空中截獲的異常信號是調制信號的一種，調制信號改變的無外乎是載波的幅度、相位、頻率這三個參數，從理論上來說對于幾乎所有的調制樣式都可以采用正交（I/Q）解調法進行分析。正交解調分析方法可以很容易的獲得信號的三個特征參數：瞬時幅度、瞬時相位、瞬時頻率。

瞬時幅度的計算公式為：

瞬時相位計算公式為：

瞬時頻率的計算公式為：

一個實信號的解析表示（正交分解）是信號處理的最重要的方法之一，是其它分析的基礎。

本設計中將獲取的IQ數據通過上述的軟件算法獲取瞬時幅度、相位、頻率。根據實際的信號分析需求，執行指定的多域關聯分析處理，并將分析結果采用多種時間上相關聯的視圖顯示給用戶。這些分析，都是基于同一套底層時域樣點數據，這突出表現出兩大結構優勢：在頻域、時域中，通過一次采集就可以進行全方位信號分析。多域相關顯示可以讓用戶了解頻域、時域中的特定事件怎樣在公共時間參考上相關。多域分析采用并行的方法進行三維頻譜圖的累積更新、帶寬內的頻譜分析、時域脈沖/功率分析、調頻/調幅/調相測量、統計特性測量。

音頻調制常用的是AM調制和FM調制，設計中完成了對AM和FM兩種調制的解調。對AM調制是得到瞬時幅度的過程，利用式（1）可以完成AM調制的解調。具體的算法流程如圖4所示，將解調得到的Output緩存通過聲卡將聲音播放出來。FM解調是得到瞬時頻率的過程，利用式（3）可以完成FM調制的解調。具體算法程序圖與AM解調算法程序圖類似，這里不做描述。

圖4 AM解調算法流程圖

2 總結

該設計方案已應用于某型監測接收機，該監測接收機是XXJD區域電磁環境監測系統核心設備，通過該項目工程實踐應用，充分驗證本文所述技術滿足監測系統相關監測信號的自動化監測需求。