李 瑞

（山西省無線電監(jiān)測中心朔州監(jiān)測站，山西 朔州 036002）

0 引 言

電磁波是能量在空間中的一種表現(xiàn)形式，其幅度會不斷發(fā)生周期性變化。電磁波由電場和磁場共同構(gòu)成，一般是沿著電場與磁場相垂直的方向進行傳播[1]。電磁波在每秒鐘內(nèi)發(fā)生的周期變化次數(shù)稱為頻率，根據(jù)頻率的高低可以分為無線電波、紅外線、可見光、紫外線以及X射線等。無線電波技術(shù)可以有效進行信息無線傳輸，為了提高無線電監(jiān)測的應(yīng)用效果和監(jiān)測管理水平，需要對測量過程中收集到的數(shù)據(jù)進行科學(xué)管理和計算[2,3]。為此，本文提出一種基于希爾伯特-黃變換（Hibert-Huang Transform，HHT）的無線電信號監(jiān)測方法，以提升無線電監(jiān)測精確性。

1 基于HHT的無線電信號監(jiān)測步驟

1.1 獲取HHT無線電信號

通過HHT獲取無線電信號，然后進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）。依據(jù)EMD對信號進行分離，完全基于原信號的性質(zhì)，應(yīng)用Hilbert變換對分解后得到固有模態(tài)信號進行計算，最終得到信號頻率在時間域上的分布情況。

掌握信號頻率的分布情況后，通過直接對無線電信號進行Hilbert變換可以測量出信號的瞬時振幅、瞬時相頻以及瞬時頻率，得出各個本征模態(tài)分量。隨著EDM的不斷篩選，無線電信號從高頻范圍開始逐步過濾變?yōu)榈皖l范圍，通過不同的時頻分辨率來表達(dá)其能量特征。利用小波分解法實現(xiàn)信號分解，最終得到了波長較長、頻率較小的信號分量。

將這些信號分量傳達(dá)到目標(biāo)端口，對數(shù)字信號測量和預(yù)測后通過電磁暫態(tài)數(shù)值算法來保證頻譜資源的供給，以此測量出無線電發(fā)射的基礎(chǔ)數(shù)字和頻譜異常數(shù)字。同時對無線電監(jiān)測的線路進行人為設(shè)計，信號獲取原理如圖1所示。利用電磁頻譜技術(shù)采集信號源的信號分量，再利用輔助接收機將分量過濾，最終得到電磁頻譜的分量。

采用硬件和軟件來進行無線電分量處理，通過空間復(fù)用、時間復(fù)用、頻率復(fù)用等形式對分量進行重復(fù)使用，可以有效減少捕捉誤差[4]。在一定條件下對無線電資源進行復(fù)用，將無線電信號分量轉(zhuǎn)化成真實信號數(shù)據(jù)集，具體流程如圖2所示。

通過監(jiān)測站接收2種分量，包括信號源模擬發(fā)射信號分量和電磁環(huán)境信號分量，再經(jīng)由采集單元對分量進行自動處理，最終可以得到混合硬盤（Hybrid Hard Disk，HHD）無線信號的真實數(shù)據(jù)集。

1.2 計算監(jiān)測數(shù)據(jù)信號參數(shù)

根據(jù)實際采集到的無線電信號，在正確進行信號測算的情況下，計算出更有效的電磁頻率和范圍更廣的振幅寬度[5]。對于遠(yuǎn)距離的非合作信號，信號監(jiān)測系統(tǒng)在無線環(huán)境中無法通過單個測量點進行快速捕獲、識別和定位。載波頻率的數(shù)值越大，接收機越不容易監(jiān)測到網(wǎng)絡(luò)信號。基于此，需要先確定目標(biāo)發(fā)射機的尺寸，獲取監(jiān)測系統(tǒng)的消耗情況，對接收機的無線電信號進行降噪，有效提升監(jiān)測效果[6]。

1.3 實時監(jiān)控?zé)o線電信號參量

使用幅度測向法，通過測定原始信號來推出固定信號的數(shù)值，不間斷地監(jiān)控?zé)o線信號參量。參考比幅測向時可以獲取信號數(shù)值，在空間上通過數(shù)據(jù)序列接收的方向也能夠加以明確，實現(xiàn)無干擾條件下的信號參量監(jiān)控[7]?；贖HT搭建的實時無線電信號參量監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖3所示。

監(jiān)測模塊包括可變解調(diào)模塊和HHT實時識別模塊，通過HHT技術(shù)對無線電信號進行實時識別，同時可變解調(diào)模塊可以進行信號解調(diào)方式的更改，完成對信號參量的實時監(jiān)控。利用信號發(fā)射裝置或接收機的數(shù)量確定信號波頻差值，按照波阻抗原理確定來波方向，根據(jù)比幅法求得信號相對幅度，并且不斷優(yōu)化測向靈敏度[8-10]。

在進行無線信號參量監(jiān)控對比時，采用比較各方向上接收幅度的大小來判斷無線電波的信號測向。按照電磁波不同來波方向進行無線電管理，同時把控接收信號的幅度，保持無線電多信道之間幅度的一致性。隨著空中電波秩序越來越復(fù)雜，需要增設(shè)無線電臺站，加強無線電管理工作，便于對無線電信號參量進行計算。通過變基線技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜的無線電信號參量監(jiān)測，有效降低無線電信號控制難度。采用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）技術(shù)提升無線電信號參量監(jiān)測的準(zhǔn)確度，幫助減少測量誤差。

2 實驗驗證

為了驗證本文所提HHT監(jiān)測無線電信號方法在定位精度上與傳統(tǒng)傅里葉變換檢測方法的差異，在理論設(shè)計部分完成后進行對比實驗。

2.1 實驗環(huán)境

為了提升實際測試的準(zhǔn)確性，采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將監(jiān)測節(jié)點放置在不同位置，通過搭建實驗系統(tǒng)進行精準(zhǔn)定位。獲取信號的實驗儀器連接如圖4所示。

通過計算機與HHT波形發(fā)生器進行信息傳遞，將矢量信號源傳送到S波天線，再由角發(fā)射器進行過濾，最終將過濾的信號傳送到高性能定位器上，得到信號定位精度的具體數(shù)據(jù)。

使用2臺裝有Windows 7操作系統(tǒng)的計算機，為了搭建更穩(wěn)定的監(jiān)測環(huán)境，將瞬時頻率為零的波形進行分解。在確定一個變形的小波函數(shù)后逐段壓縮，展開被分析信號，以便達(dá)到小波變換對于信號局部特征的描述，實現(xiàn)更好的監(jiān)測效果。利用小波變換得到原時間域上頻率監(jiān)測的組成權(quán)重，繪制頻率振幅變換曲線，以此反映某一段時間內(nèi)整個信號的頻率特征，并且在頻譜圖中確定頻率所對應(yīng)的時間。通過時間域觀察到頻率突變的時間點，利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)拆解完成信號分離?；谠盘柼卣?，應(yīng)用HHT變換對分解后得到的固有模態(tài)信號進行計算，最終得到信號頻率在時間域上的分布情況。

2.2 實驗結(jié)果

將本文所提HHT監(jiān)測無線電信號方法記為設(shè)計方法，將傳統(tǒng)傅里葉變換檢測方法記為傳統(tǒng)方法，不同監(jiān)測節(jié)點下的定位精度誤差如圖5所示。

隨著監(jiān)測節(jié)點覆蓋范圍的增加，2種方法的定位精度誤差值均不斷增大。綜合來看，在不同的監(jiān)測節(jié)點覆蓋范圍內(nèi)，HHT無線電信號監(jiān)測方法的定位精度誤差值均低于傳統(tǒng)方法，即實際定位精度較高，可用于無線電信號監(jiān)測。

3 結(jié) 論

綜上所述，基于HHT算法確定電臺信號的電磁頻譜特征，通過頻率幅度的去均值化和歸一化、頻點的偏移和搜索、采樣率變換方法完成無線電信號監(jiān)測，可以用來實現(xiàn)信號的自動跟蹤檢測和告警，有著不可忽視的現(xiàn)實意義。