基于時域有限差分的通信干擾信號廣域監(jiān)測

章小寶，陳 巍

(南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江西 九江 332020)

1 引言

通信技術(shù)不斷發(fā)展，信號處理方式[1]逐漸滲入到各個領(lǐng)域中，并為各領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)支持，通信信號監(jiān)測也因此受到諸多專家的重視。通信監(jiān)測方式有很多，例如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、K均值聚類以及多普勒頻率等方法，其中K均值聚類方法最為常用。由于通信信號監(jiān)測能夠提升通信質(zhì)量、降低惡意攻擊，從而成為大家研究的關(guān)鍵性內(nèi)容，具有廣泛的發(fā)展空間與巨大的使用價值。在通信信號監(jiān)測流程中，如果電力線上面云層中發(fā)生雷電，產(chǎn)生大量外圍電壓，就會對通信信號監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生干擾，致使監(jiān)測結(jié)果正確率降低，難以滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枨蟆?/p>

文獻(xiàn)[2]提出船舶電氣設(shè)備電磁干擾信號補償方法，主要分為兩個過程：第一容錯通信信號的監(jiān)測，包含信號采集與容錯信號種類辨別；第二根據(jù)監(jiān)測得出結(jié)果對容錯信號做補償處理，包含補償因子運算與容錯補償實現(xiàn)。該方法可以有效提升通信信噪比數(shù)值，并且補償結(jié)果較好，但該方法計算繁瑣，浪費大量時間；文獻(xiàn)[3]提出北斗導(dǎo)航信號欺騙干擾建模與測試方法，根據(jù)北斗信號混淆干擾模型與終端影響研究較少等問題，首先構(gòu)建北斗導(dǎo)航通信信號混淆模型，并分析同步碼與異步碼的兩種相位引發(fā)混淆干擾模型，從而知道異步碼相位方法效果更高；再通過Matlab環(huán)境對北斗混淆干擾信號進(jìn)行模擬，并采用信號捕獲信號峰，證實功率相等時混淆干擾的干擾結(jié)果；使用搭建實驗平臺檢測混淆干擾對北斗接收設(shè)備的影響，最終證實該方法可以有效預(yù)防北斗接收設(shè)備混淆干擾，但該方法操作流程復(fù)雜；文獻(xiàn)[4]提出MISO竊聽系統(tǒng)中的惡意導(dǎo)頻干擾檢測方法，針對竊聽系統(tǒng)中，竊聽者在信道估計過程發(fā)送出破壞導(dǎo)頻信號，并對信道估計進(jìn)行干擾，嚴(yán)重危害合法信號安全，提出采用估計信道協(xié)方差與接收信干比方式對破壞導(dǎo)頻干擾監(jiān)測。根據(jù)估計信道協(xié)方差下破壞導(dǎo)頻干擾監(jiān)測方法基本原理，得出該方法的監(jiān)測與虛警概率的方程式；利用接收信干比下破壞導(dǎo)頻干擾監(jiān)測方法機制，得出監(jiān)測與虛警概率的方程式；經(jīng)過數(shù)值對比結(jié)果分析兩種方法性能，從而有效監(jiān)測出通信信道信號的干擾，但該方法信噪比數(shù)值較小。

針對以上文獻(xiàn)存在不足，本次研究采用時域有限差分與傅里葉變換結(jié)合方式，完成對通信信號的處理，再利用矢量方法監(jiān)測得出信號，實驗結(jié)果證明，研究方法不僅正確率高，用時最短，同時使用方法更加簡單。

2 基于時域有限差分的通信干擾信號廣域監(jiān)測

2.1 信號的采集與變換

時域有限差分方法是根據(jù)有限差分方式下麥克斯韋方程組[5]，模擬處理電磁場做計算機，并分析得出數(shù)值的一種方法，其工作原理是把電磁場空間網(wǎng)格化，再將各網(wǎng)格節(jié)點中電場、磁場的矢量交換到各離散地方，再通過離散方法，實現(xiàn)對麥克斯韋方程組的求解。

利用時域有限差分方法對通信干擾信號的電磁輻射做預(yù)測處理，并通過一系列空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得出麥克斯韋方程組計算過程如下

(1)

(2)

當(dāng)中，H表示磁場強度大小；E表示電場強度大小；ε表示介電數(shù)值，μ表示磁導(dǎo)率大小，σm表示等效導(dǎo)率數(shù)值。

將以上兩個公式變換成中心差分方程，并通過前一時刻的電磁場導(dǎo)出后一時刻的電磁場，反復(fù)迭代計算出全部空間電磁場；在該磁場中利用通信信號采集儀器獲得通信信號，該信號的種類不同，不能在同一個信號廣域監(jiān)測系統(tǒng)中使用。為此，就要把得出的通信信號做變換處理，為解決干擾信號廣域監(jiān)測提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。采集通信信號如式(3)所示

t(u)=Bfk(u-v0)φge

(3)

其中，B表示通信信號波譜寬度，φge(u)=2πg(shù)eu表示通信信號采集的二維空間坐標(biāo)參數(shù)，u表示通信信號傳遞因子，ge表示采集頻率大小，v0表示傳遞時延因子。

采用下式可以得出通信信號采集時間

f(t)=t(u)/2π+fd

(4)

采用下式可以得出該信號的q價導(dǎo)數(shù)

(5)

其中，fd表示通信信號傳輸距離，Lq(u，v)描述該信號轉(zhuǎn)換因子，可以使用下式進(jìn)行計算

Lq(u，v)=ε(u-v)β

(6)

其中，β表示平衡系數(shù)，(u，x)表示通信信號采集點坐標(biāo)，得出采集點空間位置如下式所示

(7)

如果通信信號采集時間間隔夠短，可以采用下式得出信號短時傅里葉變換

(8)

當(dāng)中，y(v)表示采集的原始通信信號，h(u-v)表示窗口函數(shù)。

在短時間傅里葉變換時[6]，窗口的選擇是一個非常關(guān)鍵的步驟。短時傅里葉變換的窗口大小可以精準(zhǔn)表述通信信號的結(jié)構(gòu)變化情況。在通信信號的時域空間里，根據(jù)下式求出該信號的時寬

(9)

在通信信號的頻域空間里，根據(jù)下式求出該信號的帶寬

(10)

在通信信號時域空間與頻域空間的轉(zhuǎn)換因子達(dá)到最小數(shù)值時，可以獲得該信號最優(yōu)狹義窗口。但在實際信號轉(zhuǎn)換中，很難獲得最優(yōu)窗口。為此，采用分?jǐn)?shù)階域方法設(shè)定廣義的最優(yōu)窗口，計算過程如下所示

H{y(u)}=minU{yβ(u)}

(11)

對廣義和狹義上的最優(yōu)窗口進(jìn)行比較，可以很好對通信信號做支撐。如果通信信號Yq，0(u)在Yφ，0(u)滿足|Yq，0(u，g)=S-φ{(diào)|Yq，0(u，g)|}|，就需要使用下式表述分?jǐn)?shù)階域傅里葉變換。采用下式，可以對采集通信信號做傅里葉變換

(12)

當(dāng)中，v的取值大小可以采用下式計算得出

v=(u2-g2)cosφ0+2ugsin2φ

(13)

通過以上方法研究，可以對采集的通信信號做傅里葉變換，能夠為下面通信干擾信號廣域監(jiān)測結(jié)果的正確提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 干擾信號廣域監(jiān)測

(14)

(15)

依據(jù)以上流程，獲得諧波小波核函數(shù)支持矢量機下的干擾信號監(jiān)測內(nèi)容為：首先選取符合干擾信號分解的尺碼數(shù)量，再計算求解有關(guān)因子，構(gòu)建支持矢量監(jiān)測模型，得出精準(zhǔn)的通信干擾信號識別種類，實現(xiàn)通信干擾信號的監(jiān)測[12]。

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗證基于時域有限差分的通信干擾信號廣域監(jiān)測方法的整體有效性，需要進(jìn)行對比實驗。實驗環(huán)境為:Windows 7(64位)操作系統(tǒng)，CPU頻率為1.90 GHz，內(nèi)存為16.0 GB，機械硬盤體積為1TB，在Matalb平臺上進(jìn)行仿真處理。仿真監(jiān)測通信信號的功率是-9dBm，使用窄帶干擾信號功率為-14dBm，頻段是140～145MHz，帶寬是8MHz。

3.1 監(jiān)測穩(wěn)定性對比實驗

通信干擾信號是任意分布的，變換處理后信號強度越平穩(wěn)，表示監(jiān)測穩(wěn)定性越高，實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方法監(jiān)測穩(wěn)定性對比圖

根據(jù)上圖可知，不同方法變換處理信號后，信號的穩(wěn)定性不同，其中文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法的干擾信號波動性較大，證明變換處理穩(wěn)定性較差，而研究方法的信號強度穩(wěn)定，沒有發(fā)生波動的情況，證明該方法的變換信號處理有效性更好，能夠?qū)崿F(xiàn)對干擾信號的穩(wěn)定監(jiān)測。

3.2 去噪效果對比實驗

在實驗中把監(jiān)測的干擾信號通過變頻生成正交基帶信號，并做低通濾波處理，獲得不同方法的信號去噪情況，信號曲線越清楚表示方法的去噪效果越好，實驗結(jié)果如下圖所示。

圖2 不同方法去噪效果對比圖

根據(jù)上圖可知，不同實驗次信號點數(shù)下，文獻(xiàn)[2]方法的去噪效果最差，文獻(xiàn)[3]方法的去噪效果得到提升，但仍然不理想，而研究方法的去噪效果最好，通過以上數(shù)據(jù)可以證明本次研究方法，去噪性能最佳，能夠有效監(jiān)測出干擾信號，避免干擾信號對整個通信信號所產(chǎn)生影響。

3.3 監(jiān)測范圍對比實驗

為進(jìn)一步驗證研究方法的有效性，對不同方法的信號監(jiān)測范圍進(jìn)行對比實驗，監(jiān)測范圍越大表示方法的性能越好，實驗結(jié)果如下所示。

通過圖3可知，不同樣本數(shù)量下，文獻(xiàn)[2]方法的監(jiān)測范圍在-1～11Hz之間，監(jiān)測范圍較小，文獻(xiàn)[3]方法的監(jiān)測范圍在-4～20Hz之間，監(jiān)測范圍仍然較小，而研究方法的監(jiān)測范圍在-18～32Hz之間，通過以上數(shù)據(jù)可以證明本次研究方法的監(jiān)測范圍更大，能夠更好地實現(xiàn)通信干擾信號的廣域監(jiān)測。

圖3 不同方法監(jiān)測范圍對比圖

綜合分析仿真數(shù)據(jù)結(jié)果可知，研究方法的監(jiān)測穩(wěn)定性更好、去噪效果更優(yōu)且監(jiān)測范圍更大，通信干擾信號監(jiān)測性能更高。這是因為本次研究采用時域有限差分方法，監(jiān)測信號頻域內(nèi)的能量譜，該方法不會受干擾信號的持續(xù)時間等其它因素影響，僅與通信信號的INR有關(guān)。為此，該方法更能滿足理想實驗的要求范圍，具有優(yōu)良的監(jiān)測效果。

4 結(jié)論

在多元化廣域通信信號環(huán)境下，通信信號使用受到嚴(yán)重的威脅，為此有效監(jiān)測出干擾信號已成為通信信號使用的最主要一步，這也是我國科技研究重點問題。首先利用時域有限差分將導(dǎo)數(shù)與傅里葉變換方法引入，并對廣域通信信號進(jìn)行采集，再使用支持矢量機對通信干擾信號進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測。實驗結(jié)果證實本文方法可以監(jiān)測廣域通信中干擾信號，能夠提升監(jiān)測干擾信號穩(wěn)定性與去噪能力，并擴(kuò)大監(jiān)測范圍，從而證實時域有限差分方法在干擾信號監(jiān)測領(lǐng)域具有極高可行性與實用性。本次研究促進(jìn)了通信干擾信號廣域監(jiān)測領(lǐng)域研究成果的深入挖掘，為相關(guān)專家與學(xué)者對該領(lǐng)域的研究提供參考性意見。雖然本次研究取得了較為理想的成果，但是未進(jìn)行實踐驗證，下一步可以將該問題作為重點進(jìn)行深入談?wù)摚瑫r還需要選取大量的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗測試，以充分驗證研究方法的綜合有效性。研究方法的綜合性能還有提升的空間，未來階段將對其進(jìn)一步優(yōu)化。