基于時域有限差分的通信干擾信號廣域監測

章小寶，陳 巍

(南昌大學科學技術學院，江西 九江 332020)

1 引言

通信技術不斷發展，信號處理方式[1]逐漸滲入到各個領域中，并為各領域提供數據支持，通信信號監測也因此受到諸多專家的重視。通信監測方式有很多，例如卷積神經網絡、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。由于通信信號監測能夠提升通信質量、降低惡意攻擊，從而成為大家研究的關鍵性內容，具有廣泛的發展空間與巨大的使用價值。在通信信號監測流程中，如果電力線上面云層中發生雷電，產生大量外圍電壓，就會對通信信號監測結果產生干擾，致使監測結果正確率降低，難以滿足人們日常生活的需求。

文獻[2]提出船舶電氣設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測，包含信號采集與容錯信號種類辨別；第二根據監測得出結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。該方法可以有效提升通信信噪比數值，并且補償結果較好，但該方法計算繁瑣，浪費大量時間；文獻[3]提出北斗導航信號欺騙干擾建模與測試方法，根據北斗信號混淆干擾模型與終端影響研究較少等問題，首先構建北斗導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環境對北斗混淆干擾信號進行模擬，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果；使用搭建實驗平臺檢測混淆干擾對北斗接收設備的影響，最終證實該方法可以有效預防北斗接收設備混淆干擾，但該方法操作流程復雜；文獻[4]提出MISO竊聽系統中的惡意導頻干擾檢測方法，針對竊聽系統中，竊聽者在信道估計過程發送出破壞導頻信號，并對信道估計進行干擾，嚴重危害合法信號安全，提出采用估計信道協方差與接收信干比方式對破壞導頻干擾監測。根據估計信道協方差下破壞導頻干擾監測方法基本原理，得出該方法的監測與虛警概率的方程式；利用接收信干比下破壞導頻干擾監測方法機制，得出監測與虛警概率的方程式；經過數值對比結果分析兩種方法性能，從而有效監測出通信信道信號的干擾，但該方法信噪比數值較小。

針對以上文獻存在不足，本次研究采用時域有限差分與傅里葉變換結合方式，完成對通信信號的處理，再利用矢量方法監測得出信號，實驗結果證明，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測

2.1 信號的采集與變換

時域有限差分方法是根據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，并分析得出數值的一種方法，其工作原理是把電磁場空間網格化，再將各網格節點中電場、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測處理，并通過一系列空間坐標轉換，得出麥克斯韋方程組計算過程如下

(1)

(2)

當中，H表示磁場強度大小；E表示電場強度大小；ε表示介電數值，μ表示磁導率大小，σm表示等效導率數值。

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出后一時刻的電磁場，反復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測系統中使用。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測提供精準的數據基礎。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)=2πgeu表示通信信號采集的二維空間坐標參數，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價導數

(5)

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

Lq(u，v)=ε(u-v)β

(6)

其中，β表示平衡系數，(u，x)表示通信信號采集點坐標，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)

當中，y(v)表示采集的原始通信信號，h(u-v)表示窗口函數。

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

(9)

在通信信號的頻域空間里，根據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換因子達到最小數值時，可以獲得該信號最優狹義窗口。但在實際信號轉換中，很難獲得最優窗口。為此，采用分數階域方法設定廣義的最優窗口，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窗口進行比較，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{|Yq，0(u，g)|}|，就需要使用下式表述分數階域傅里葉變換。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測結果的正確提供數據基礎。

2.2 干擾信號廣域監測

(14)

(15)

依據以上流程，獲得諧波小波核函數支持矢量機下的干擾信號監測內容為：首先選取符合干擾信號分解的尺碼數量，再計算求解有關因子，構建支持矢量監測模型，得出精準的通信干擾信號識別種類，實現通信干擾信號的監測[12]。

3 仿真結果與分析

為了驗證基于時域有限差分的通信干擾信號廣域監測方法的整體有效性，需要進行對比實驗。實驗環境為:Windows 7(64位)操作系統，CPU頻率為1.90 GHz，內存為16.0 GB，機械硬盤體積為1TB，在Matalb平臺上進行仿真處理。仿真監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 監測穩定性對比實驗

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

圖1 不同方法監測穩定性對比圖

根據上圖可知，不同方法變換處理信號后，信號的穩定性不同，其中文獻[2]方法和文獻[3]方法的干擾信號波動性較大，證明變換處理穩定性較差，而研究方法的信號強度穩定，沒有發生波動的情況，證明該方法的變換信號處理有效性更好，能夠實現對干擾信號的穩定監測。

3.2 去噪效果對比實驗

在實驗中把監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，實驗結果如下圖所示。

圖2 不同方法去噪效果對比圖

根據上圖可知，不同實驗次信號點數下，文獻[2]方法的去噪效果最差，文獻[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，通過以上數據可以證明本次研究方法，去噪性能最佳，能夠有效監測出干擾信號，避免干擾信號對整個通信信號所產生影響。

3.3 監測范圍對比實驗

為進一步驗證研究方法的有效性，對不同方法的信號監測范圍進行對比實驗，監測范圍越大表示方法的性能越好，實驗結果如下所示。

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

圖3 不同方法監測范圍對比圖

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

4 結論

在多元化廣域通信信號環境下，通信信號使用受到嚴重的威脅，為此有效監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數與傅里葉變換方法引入，并對廣域通信信號進行采集，再使用支持矢量機對通信干擾信號進行精準監測。實驗結果證實本文方法可以監測廣域通信中干擾信號，能夠提升監測干擾信號穩定性與去噪能力，并擴大監測范圍，從而證實時域有限差分方法在干擾信號監測領域具有極高可行性與實用性。本次研究促進了通信干擾信號廣域監測領域研究成果的深入挖掘，為相關專家與學者對該領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，但是未進行實踐驗證，下一步可以將該問題作為重點進行深入談論，同時還需要選取大量的實驗數據進行實驗測試，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，未來階段將對其進一步優化。