瞬時測頻技術在無線電監測中的應用

黃 坤

（甘肅省無線電監測站 甘肅 蘭州 730030）

1 引言

在無線電監測工作進行階段，頻率測量任務艱巨，通過頻率測量，監測工作者能夠掌握無線電臺的實際用頻情況，進而針對性進行調整優化，以保障無線電平穩運行?，F階段，我國常用的測頻方式普遍適用于平穩隨機信號，但該項測頻方式同時也存在抗干擾性弱和測量精度差特征。近年來，在我國經濟蓬勃發展背景下，數字信號處理技術漸趨成熟，瞬時測頻技術應運而生，且備受相關人員關注，通過應用瞬時測頻技術，監測人員可以在短時間內獲取對應的信號頻率指標，利用有效的數字信號處理算法后，測頻的精度會顯著提升，無線電運行安全性也會大幅提升。

2 瞬時測頻技術概念和原理

眾所周知，在電子測量技術應用階段，微波信號的瞬時頻率測量工作極為重要，由于被測信號為窄脈沖微波信號，且有一定的重復周期，故難以實現對信號的多次測量。瞬時測頻技術以相位比較法為基礎，無論是截獲概率還是覆蓋頻率范圍都較為理想，當前階段，瞬時測頻技術在電子戰領域的雷達告警和電子情報偵察中較為多見[1]。

早在1950年左右，瞬時測頻技術就已經開始發展，在最初階段，模擬式的瞬時測頻技術主要通過陰極射線顯示器和波導微波元件等實現，由于系統體積和結構較為龐大和復雜，故只適用于大的平臺和地面設備。1970年—1980年，以改進元件和數字化處理模式為特點的瞬時測頻技術正式問世。

在數字技術和電子元件工作效率與日俱增的背景下，不同類型新穎先進的瞬時測頻技術也開始頻頻誕生。本文即從無線電信號監測特點出發，從不同角度對三角變換法、時頻分析法和功率譜估計法進行細致研究，闡述3種技術的優勢和缺陷，以期為后續階段無線電監測工作提供更多的經驗參照和選擇。

3 三角變換法瞬時測量技術在無線電監測中的應用

所謂三角變換法，主要是利用三角變換方式和相關數據處理方法，對采樣信號進行處理，獲取信號對應的相位和頻率。三角變換法隸屬于時域范疇，常應用相位法、過零檢測法和數據擬合法等對信號進行測頻，在信噪比相同的背景下，相比于相位法和過零檢測法而言，數據擬合法測頻精度更具理想性，本環節即以數字擬合法為例，構建分析活動[2]。

從單截頻信號表達式來看，為：S（n）=Asin（ωnTs+），n=1，2，...，Ts代表采樣間隔，故S（n）+S（n+2）=Asin（ωnTs+）+Asin[ω（n+2）+θ]=2S（n+1）cos（ωTs），也就是：cos（ωTs）=，因此：∫==cos-1[=]，而在公式∫==cos-1[=]中，只要S（n+1）的值不為0，相關人員即可準確得出調制載波頻率值。由此可見，在應用數據擬合法進行頻率計算工作階段，計算結果和信號幅度A及初始相位兩項因素間并無關聯，不會衍生相位模糊問題。同時，利用計算機仿真方式和數據擬合法，在不同信噪比條件下，可獲取單頻信號測頻精度，且測頻精度和信號信噪比呈正相關關系。立足計算量角度層面可以知悉，在應用數據擬合法測信號瞬時頻率時，只涉及一次加法和三角運算與兩次乘法，比較簡單，且此種計算方式實用性良好[3]。

綜上，在信號信噪比大于10 dB的情況下，針對諸如AM和FM等常見的單載頻調制信號開展的頻率測量工作，可應用數據擬合法，信號頻率捕獲速度十分理想。當然，為有效提升測頻精度，相關單位也可視情況決定是否應用多點擬合方式。

4 時頻分析法瞬時測量技術在無線電監測中的應用

從時頻分析法該項測量技術的基本思想來看，致力于通過所構建的函數，同時利用時間和頻率信息，對信號能量密度加以全面和細致的描述。同時，通過所構建的函數，也可以對某一確定頻率和時間范圍內的能量實際分布情況進行計算。基于時頻分析法的特點，其主要適用于非平穩信號瞬時頻率的估計工作中，且近段時間以來，隨著我國技術的發展，越來越多的不同形式的時頻分析法應運而生，如維納分布、小波變換和短時傅立葉變換等[4]。本環節對短時傅立葉變換作為研究對象，對該項技術在當前我國無線電監測領域的具體應用。

從短時傅立葉變換的數學表達式來看，為：STFTx（t，f）=[x（t′）W.（t′-t）]e-j2nft’dt，基于上述公式可知，短時傅立葉變換測量技術致力于通過時寬足夠窄的窗函數[W（t′-t）]截短所獲得的信號[x（t′）]，可以將獲取的信號看為平穩信號，并對其進行傅立葉變換，最終獲取局域化頻譜變化規律。需要加以注意的是，若讓窗函數沿著時間軸進行移動，則可對應掌握信號頻率和時間變化之間存在的規律。同時，相關工作人員也要對窗函數存在的截斷和柵欄效應加以關注。

同時，基于短時傅立葉變換的特征，可以將其看作信號加窗后的離散傅立葉變換，故相關人員在應用短時傅立葉變換技術進行測頻工作時，需要選擇合適的窗函數，以保障實時性，達到最佳測頻性能[5]。通常情況下，理想的窗函數應具備3項條件，即：衰減速度最大、旁瓣峰值最小和主瓣寬度最窄，但在現實條件下，這3項條件無法同時滿足。對當前經常應用的窗函數進行分析可知，矩形窗函數雖然主瓣寬度理想，但旁瓣峰值和旁瓣譜峰衰減速度卻并不符合條件，且邊界效應過于嚴重，在一定程度上，會衍生頻譜能量泄露問題[6]。漢寧窗函數和海明窗函數旁瓣峰值和旁瓣譜峰衰減速度較為理想，雖然主瓣寬度尚不符合標準，但其在實際應用階段，有助于積累頻點能量，即使在信號信噪比較低的情況下，測頻精度也較為理想。

一般而言，在信號信噪比相同的前提下，時頻分析法測頻精度要明顯優于三角變換法，且相比于三角變換法而言，時頻分析法測頻性能更加穩定，且不易受噪聲影響。立足實時性角度進行分析，在應用時頻分析法進行單頻點測頻工作階段，需進行N次乘法和（N-1）次加法，其中N代表的是窗口寬度。當然，為了提升測頻精度，可視情況選擇增加窗口寬度或應用漢寧窗。

實際上，無線電監測系統主要接收非平穩信號，故可考慮短時傅立葉變換技術的特征，科學選擇契合該項技術的窗函數，截短系統所獲取的非平穩信號，進而使其在短時間內被認為是平穩信號，最大程度地提升測頻精度。

5 功率譜估計法瞬時測量技術在無線電監測中的應用

所謂功率譜估計法測頻方式，是在對信號功率譜進行求解的前提下，對信號頻率予以確定。功率譜估計法在分辨多信號方面，具有較強的能力，且對信號信噪比的要求較低。從功率譜估計法的分類來看，主要分為經典譜和現代譜估計法兩種，前者又可劃分為BT法和周期圖法，主要以離散傅立葉變換為基礎，由于離散傅立葉變換需要對數據進行截短，故很容易衍生柵欄效應，因此，無論是經典譜估計法的測頻精度，還是經典譜估計法的頻率分辨率皆差強人意。后者主要是在將信號設定為契合某一模型后，應用采樣數據對模型參數加以估計，并以依據結果為參照，進行功率譜估計。相比于經典譜估計方法而言，現代譜估計方法更契合實際，更適用于有限長信號序列的估計工作中。

相比于三角變換法和時頻分析法而言，功率譜估計法的測頻精度更加理想，尤其是在信號信噪比較低的背景下，功率譜估計法的應用優勢將會體現的更加明顯。同時，相比于三角變換法和時頻分析法而言，功率譜估計法的運算量也更大。因此，在實際無線電監測工作進展階段，監測人員應根據實際情況，科學選擇監測方法。

6 結語

從無線電頻率測量工作特點來看，信噪比差異大、信號類型多樣化和信號分布頻段寬，基于此，監測單位難以確定一種有效的方法達成高精度測量目標，故在精度和速度契合實際要求的前提下，測量單位需要選擇一種最為簡單的測量方式進行測頻工作。通常情況下，針對信號信噪比較高背景下的單載波調制信號，可選擇三角變換法，該項技術算法較為簡單；針對非平穩信號，可應用時頻分析法，科學選擇窗口寬度和類型，實現高精度測量；針對多載頻復雜信號，可應用功率譜分析法，其對信噪比要求低，且對多信號具有較強的分辨力，但相比于三角變換法和時頻分析法而言，功率譜分析法運算過程較為復雜。因此，監測人員在工作階段，應秉持具體問題具體分析原則，選擇有效的監測技術，順利開展無線電工作，確保無線電運行安全。