方健貴　唐靜　熊韜

摘要：文章首先介紹了信號識別的意義和發(fā)展趨勢，闡述了傳統(tǒng)通信的信號識別方法；接著介紹了兩種信號識別方法的實際應(yīng)用案例，對信號識別效率、準確度進行仿真和分析；最后使用廣義特征提取技術(shù)、權(quán)重特征數(shù)據(jù)庫比對和決策方式，提出了一種針對特定信號識別的解決方案，該方法具有識別效率高、資源要求低、可擴展和易實現(xiàn)的特點。

關(guān)鍵詞：信號識別；調(diào)制識別；特征提??；特定信號

1 信號識別的意義及方法

1.1 信號識別概述

近些年，隨著無線通信技術(shù)、衛(wèi)星通信、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件無線電技術(shù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，無線電識別技術(shù)在電子監(jiān)視、電子防護、電子對抗、電子牽制、信號截取、雷達識別以及保障通信質(zhì)量和安全等軍事應(yīng)用方面發(fā)揮著越來越大的作用；在民用方面，同樣由于移動通信業(yè)務(wù)的急劇擴張，頻譜資源日益短缺，無線電管理機構(gòu)可通過信號識別技術(shù)為無線頻譜管理進行信號身份確認，對一些非法信號進行監(jiān)控、屏蔽、干擾、定位、查處，實現(xiàn)對不同用戶的區(qū)別管理。

從識別的對象上區(qū)分，以上闡述的多是對未知信號的識別和應(yīng)用，即在得到識別結(jié)果前對信號的特征信息是未知的，識別的結(jié)果也未必是用戶感興趣的信號，可認為是一種“盲識別”。在某些特定的無線電監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域，比如非法廣播監(jiān)視、重點區(qū)域反恐無線電偵測，需要對某些已知的無線電信號進行快速發(fā)現(xiàn)、跟蹤和監(jiān)測接收。這種信號在監(jiān)測前已經(jīng)掌握了其部分特征信息，可以認為是一種“特定識別”。專門針對此方面的研究和應(yīng)用較少。

此外，無線電信號在傳播過程中，環(huán)境復(fù)雜，外界噪聲干擾較多，造成信號接收的不確定性，信號的處理日益困難，所以，了解信號識別類型，可為凈化信號環(huán)境和抑制干擾等提供有力的支持。

1.2信號識別的方法

通信信號識別主要有兩種方法：決策一理論法和模式識別法。兩種識別方法都是基于假設(shè)檢驗和統(tǒng)計推斷這兩個基本數(shù)學(xué)方法上實現(xiàn)的。

1.2.1 決策論識別方法

決策論方法實際上是最大似然假設(shè)檢驗方法，基本思想是采用概率論和假設(shè)檢驗理論來解決信號的調(diào)制識別問題。通常根據(jù)信號的統(tǒng)計特性，通過理論分析與推導(dǎo)，得到統(tǒng)計檢驗量，然后與一個合適的門限進行比較，從而形成判決準則來實現(xiàn)調(diào)制信號自動識別。在決策論方法中，通常把信號分類看成一個多元假設(shè)檢驗問題，對應(yīng)m種調(diào)制方式有m種假設(shè)檢驗H_i（i=1，2，…，m）。

該方法的優(yōu)點在于完備的算法理論支撐下，在最小誤碼下，保證分類準則的最優(yōu)化；其缺點在于決策論算法需要更多的先驗數(shù)據(jù)庫，如載波頻率、載波相位、碼元速率、噪聲類型和信噪比等等。先驗知識缺少或不準確嚴重影響算法的性能，甚至導(dǎo)致算法失效。其次，未知參量的存在導(dǎo)致似然比識別算法的統(tǒng)計量表達式非常復(fù)雜，計算量大，難于實時處理。若簡化處理勢必降低性能。

1.2.2 模式識別方法

在模式識別方法中，其按照特征提取和分類識別兩個步驟完成如圖1所示。調(diào)制方式模式識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由信號接收、特征提取和判決輸出3部分構(gòu)成。

首先原始數(shù)據(jù)中提取表征信號調(diào)制樣式的特征向量，提取調(diào)制識別分類特征可以在時域進行，也可以在頻域進行，常用的分類特征包括包絡(luò)特征、相位特征、頻率特征，頻譜特征，高階累積量等；然后根據(jù)一定的判決門限，在特征空間中用統(tǒng)計方法識別信號調(diào)制樣式，特征的提取直接影響后面類型識別部分的設(shè)計和性能。

2 兩個典型的信號識別設(shè)計方案

2.1 調(diào)試識別和符號速率提取技術(shù)

2.1.1 調(diào)制識別技術(shù)

利用決策樹理論實現(xiàn)對FM，AM，CW，ASK，F(xiàn)SK、QPSK，OQPSK，16QAM，32QAM等調(diào)制的分選。

2.1.2 符號速率提取技術(shù)

利用小波尺度變換技術(shù)對符號速率進行提取，可實現(xiàn)對ASK，F(xiàn)SK，QPSK，OQPSK，16QAM，32QAM等調(diào)制的符號速率提取。

實際應(yīng)用測試表明，以上幾種調(diào)制識別方法，在接收信號信噪比達到10dB以上時，其準確率可達90%以上，計算機資源要求較高。

2.2 電臺信號特征識別

2.2.1 電臺信號識別方法

在民用的無線電管理方面或軍用應(yīng)用領(lǐng)域，電臺信號識別的需求和應(yīng)用都比較廣泛。

識別過程主要依據(jù)電臺的特征參數(shù)，這些參數(shù)可以是常規(guī)特征參數(shù)、高階統(tǒng)計量特征參數(shù)，或者是特征參數(shù)與高階統(tǒng)計量特征參數(shù)結(jié)合等。

常規(guī)特征主要包括分形理論的LZC復(fù)雜度、盒維數(shù)、信.息維數(shù)等。

高階統(tǒng)計特征主要包括高階J特征、包絡(luò)峰度、矩形積分雙譜等。

2.2.2 電臺信號識別仿真結(jié)果

筆者曾對某無線電監(jiān)測站設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進行了識別仿真處理。在采樣頻率為38 2kHz時進行時長1s的數(shù)據(jù)采樣，所獲得的數(shù)據(jù)組成一個樣本，每個電臺采集的樣本個數(shù)為100個，提取的特征碼大小約為1kbit，識別時間一般在秒級，對其進行仿真，以預(yù)計其可達到的識別率。

以調(diào)幅話音廣播隨機采集4個電臺的數(shù)據(jù)進行仿真：取電臺一100組數(shù)據(jù)，30組作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，70組作為測試數(shù)據(jù)；取電臺90組數(shù)據(jù)，30組作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，60組作為測試數(shù)據(jù)；電臺三50組數(shù)據(jù)，30組作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，20組作為測試數(shù)據(jù)；電臺四49組數(shù)據(jù)，29組作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，20組作為測試數(shù)據(jù)。識別過程是一一匹配各電臺特征庫，匹配正確則判定為該電臺信號。識別結(jié)果如表1所示。

3 一種特定信號的識別方法

3.1 典型信號識別方法分析

針對特定的無線電信號，在已知調(diào)制識別的基礎(chǔ)上，采用調(diào)制識別的方法可以做到較高的識別概率，但隨著未知信號調(diào)制類型的增加，勢必會成倍增加識別的時間和硬件運算資源，甚至出現(xiàn)某些信號無法區(qū)分的情況（如USB，LSB等）。而采用信號特征庫比對的方式，上述從樣本庫（連續(xù)采樣數(shù)據(jù)）提取特征識別樣本庫信號，其識別率均未能達到90%，雖然隨著樣本庫數(shù)量的增加和選擇的匹配特征個數(shù)增加，可以提高其識別概率，但由于無線電信號在傳播過程中，環(huán)境復(fù)雜和外界噪聲干擾較多造成信號接收的不確定性特征較多。該方法在耗費運算資源的同時仍然不能達到理想的應(yīng)用效果。

3.2 特定信號識別方法的方案設(shè)計

眾所周知，典型的信號識別方法均為某種意義上的“盲識別”，為了數(shù)理運算的有效性和硬件資源的可實現(xiàn)性，其選取的特征參量均為通用的、個數(shù)固定的。而針對特定的信號，雖然信號的種類繁多，但其很多特征參量是已知的。除了以上提到的常規(guī)參數(shù)、高階參數(shù)、調(diào)制類型等特征之外，還有諸如中心頻率、頻偏、電平、穩(wěn)定性、帶寬、持續(xù)時間、信噪比、平均電平、活動時間、語音/數(shù)據(jù)、瀑布圖、語圖等等。但凡可以用來識別某類特定信號的一切特征都可以統(tǒng)計進來，人們可以稱之為“廣義特征”，而某個特定信號則采取狹義特征進行描述。具體的實現(xiàn)過程包括狹義特征庫提取和特定信號搜索識別，如圖2-3所示。

電臺①狹義特征庫提取：

首先對已知的某特定信號進行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)不僅僅限于無線電信號本身，包括一切可以描述此類信號的所有信息，如出現(xiàn)時間、時長，甚至與此同時出現(xiàn)的具有某種關(guān)聯(lián)意義的特殊事件等，該過程可在人工協(xié)助下半自動完成。

根據(jù)各個廣義特征對信號進行分析運算，提取特征；各個不同的特征其描述方式、提取辦法各型各異。特征數(shù)量越多，描述越細致，其提取的過程就越復(fù)雜。

狹義特征庫獲?。喊凑找欢ǖ呐袥Q規(guī)則，從廣義特征庫中篩選可以表征（判別）某特定信號的特征集，組成該電臺的狹義特征庫。

特定電臺①識別：

先對信號進行信道篩選，從可能的頻段中對寬帶的信號進行篩選，生成可能存在某感興趣的電臺的信道列表s。

分別對各個信道（S₁，…，S_N）進行狹義特征提取，這里僅限于狹義特征，其數(shù)量和運算的復(fù)雜度相對簡單得多。

對當(dāng)前提取的S₁信道的狹義特征集與信號①的狹義特征數(shù)據(jù)庫進行比對，根據(jù)判決規(guī)則進行判決，得出信道s，是否為電臺①的識別結(jié)果。以此類推識別其他信道。

3.3 特定信號識別方法的特點分析

該方法針對某些已知的特定信號搜索、識別及跟蹤，具有以下特點：（1）充分利用已知信號的信息，可以根據(jù)硬件資源的運作能力和信號的重要度，靈活調(diào)整信號特征數(shù)量，同時可以根據(jù)新信號類進行增補，擴展能力強；（2）該方法在特征數(shù)的選取上采用開放型的廣義特征的概念，既可充分吸收已有的各種信號特征識別技術(shù)，又不局限于某種特征描述方式，可大大增加信號特征的范圍和深度，從而提高信號識別的準確度；（3）由于實際信號識別應(yīng)用中采取的不同信號比對不同的狹義特征庫的方式，在保證信號識別準確率的基礎(chǔ)上，大大減少了特征識別的個數(shù)，提高了識別效率。

4 結(jié)語

在傳統(tǒng)通信信號調(diào)制識別和特征識別的基礎(chǔ)上，通過實際應(yīng)用和仿真結(jié)果分析，提出了一種特定信號識別的新方法。采用開放的、可擴充的廣義特征庫和有針對性的狹義特征提取、識別方法，其優(yōu)點在于針對特定信號，具有更高的識別效率（速度、實時性）、更高的準確度（識別概率）；硬件運算資源要求低、可實現(xiàn)性好；用戶可根據(jù)實際的監(jiān)測對象進行個性化的設(shè)定。對某些特定的無線電信號監(jiān)測、跟蹤、自動接收的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。