基于HHT的無線電信號監測方法

李 瑞

（山西省無線電監測中心朔州監測站，山西 朔州 036002）

0 引 言

電磁波是能量在空間中的一種表現形式，其幅度會不斷發生周期性變化。電磁波由電場和磁場共同構成，一般是沿著電場與磁場相垂直的方向進行傳播[1]。電磁波在每秒鐘內發生的周期變化次數稱為頻率，根據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。無線電波技術可以有效進行信息無線傳輸，為了提高無線電監測的應用效果和監測管理水平，需要對測量過程中收集到的數據進行科學管理和計算[2,3]。為此，本文提出一種基于希爾伯特-黃變換（Hibert-Huang Transform，HHT）的無線電信號監測方法，以提升無線電監測精確性。

1 基于HHT的無線電信號監測步驟

1.1 獲取HHT無線電信號

通過HHT獲取無線電信號，然后進行經驗模態分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）。依據EMD對信號進行分離，完全基于原信號的性質，應用Hilbert變換對分解后得到固有模態信號進行計算，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為低頻范圍，通過不同的時頻分辨率來表達其能量特征。利用小波分解法實現信號分解，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到目標端口，對數字信號測量和預測后通過電磁暫態數值算法來保證頻譜資源的供給，以此測量出無線電發射的基礎數字和頻譜異常數字。同時對無線電監測的線路進行人為設計，信號獲取原理如圖1所示。利用電磁頻譜技術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，通過空間復用、時間復用、頻率復用等形式對分量進行重復使用，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用，將無線電信號分量轉化成真實信號數據集，具體流程如圖2所示。

通過監測站接收2種分量，包括信號源模擬發射信號分量和電磁環境信號分量，再經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）無線信號的真實數據集。

1.2 計算監測數據信號參數

根據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]。對于遠距離的非合作信號，信號監測系統在無線環境中無法通過單個測量點進行快速捕獲、識別和定位。載波頻率的數值越大，接收機越不容易監測到網絡信號。基于此，需要先確定目標發射機的尺寸，獲取監測系統的消耗情況，對接收機的無線電信號進行降噪，有效提升監測效果[6]。

1.3 實時監控無線電信號參量

使用幅度測向法，通過測定原始信號來推出固定信號的數值，不間斷地監控無線信號參量。參考比幅測向時可以獲取信號數值，在空間上通過數據序列接收的方向也能夠加以明確，實現無干擾條件下的信號參量監控[7]。基于HHT搭建的實時無線電信號參量監測系統框架如圖3所示。

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

在進行無線信號參量監控對比時，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雜，需要增設無線電臺站，加強無線電管理工作，便于對無線電信號參量進行計算。通過變基線技術實現復雜的無線電信號參量監測，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，FFT）技術提升無線電信號參量監測的準確度，幫助減少測量誤差。

2 實驗驗證

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

2.1 實驗環境

為了提升實際測試的準確性，采用蜂窩網絡式的網絡結構將監測節點放置在不同位置，通過搭建實驗系統進行精準定位。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據。

使用2臺裝有Windows 7操作系統的計算機，為了搭建更穩定的監測環境，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后逐段壓縮，展開被分析信號，以便達到小波變換對于信號局部特征的描述，實現更好的監測效果。利用小波變換得到原時間域上頻率監測的組成權重，繪制頻率振幅變換曲線，以此反映某一段時間內整個信號的頻率特征，并且在頻譜圖中確定頻率所對應的時間。通過時間域觀察到頻率突變的時間點，利用經驗模態拆解完成信號分離。基于原信號特征，應用HHT變換對分解后得到的固有模態信號進行計算，最終得到信號頻率在時間域上的分布情況。

2.2 實驗結果

將本文所提HHT監測無線電信號方法記為設計方法，將傳統傅里葉變換檢測方法記為傳統方法，不同監測節點下的定位精度誤差如圖5所示。

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

3 結 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測，可以用來實現信號的自動跟蹤檢測和告警，有著不可忽視的現實意義。