CN102263601B - 一种宽带多信号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明应用于无线电电子学、电信技术领域，具体来说是一种应用于宽带多信号检测方法，一种宽带多信号检测方法，包括以下步骤：a.高速ADC采集信号；b.对采集的信号进行无盲区数字信道化；c.将经过无盲区数字信道化的信号进行宽带频谱拼接和计算，得到频谱；d.对拼接的频谱进行多信号检测。采用本发明的方法，实现了宽带通信信号的检测，针对1GHz带宽，12dB信噪比的多个通信信号的典型的宽带应用场景，检测时间仅为200ms，检测概率达到95%以上，虚警概率小于1%。

Description

一种宽带多信号检测方法
技术领域
本发明应用于无线电电子学、电信技术领域，具体来说是一种应用于宽带多信号检测方法。
背景技术
随着通信技术的发展，特别是近年来各种新型通信体制的兴起，信号检测技术在通信领域获得了广泛应用。现有信号检测方法主要通过FFT（Fast Fourier Transform即快速傅氏变换）实现，即完成数据采集后，首先将数据存储至本地缓存，再慢速从缓存中读出并完成FFT变换，实现信号检测存在与否，以及得到载波频率和带宽的估计值。该结构由于采用串行工作方式，难以兼顾处理速度和频谱分辨率指标，因为串行工作模式主要先存储后再进行FFT，因此受到存储深度限制和FFT点数限制频率分辨率难以提高，且受到存储器处理速度限制难以实现更高速率。且现有信号检测方法通常使用单一门限进行判定，容易出现检测虚警，由于频谱存在波动，在检测门限处受到噪声影响，会出现小的毛刺情况，因而出现虚警，无法满足现代通信***中对检测性能快速、准确的要求。
发明内容
本发明采用一种基于并行处理结构的宽带多信号检测方法，从而消除了上述方法中数据缓存处理中的速率瓶颈，且提高了的频谱分辨率，采用双门限检测方法实现了多信号的准确检测，消除了上述方法中的虚警问题。
本发明的技术方案如下：
一种宽带多信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 高速ADC采集信号。
b. 对采集的信号进行无盲区数字信道化。
c. 将经过无盲区数字信道化的信号进行宽带频谱拼接和计算，得到频谱。
d. 对拼接的频谱进行多信号检测。
a步骤中所述高速ADC采集信号具体为采用FPGA与高速ADC接口， FPGA中的串并转换模块ISERDES对输入数据进行降速处理，与后续信道化处理相匹配。
b步骤中所述无盲区数字信道化为：针对由ADC转换后的实信号傅立叶变换的零点共轭对称特性所提出的一种改进算法，提取正负频谱成分中的一部分，实现信号的无盲区截获。
c步骤中所述宽带频谱拼接和计算为：采用无盲区数字信道化结构将所采集的宽带信号变换为M路数字子信道信号                                                ，然后采用一种并行频谱计算结构实现FFT实现频谱计算，具体来说，采用M路并行K点FFT对M个信道同时进行FFT操作，然后完成频谱累加；去除每个FFT结果中重叠的数据，再按照信道顺序进行频谱拼接，得到频谱
Figure 300514DEST_PATH_IMAGE002
。
a步骤中所述多信号检测是利用得到的宽带频谱图实现多个目标的检测，得到目标信号个数以及载波、带宽、功率等基本信息，具体步骤如下：
1）噪底估计：输入信号频谱为
Figure 80251DEST_PATH_IMAGE003
，长度为
Figure 288510DEST_PATH_IMAGE004
，将输入信号频谱划分为
Figure 102882DEST_PATH_IMAGE005
段，每段包含
Figure 800711DEST_PATH_IMAGE006
点，即有
Figure 67744DEST_PATH_IMAGE007
。对
Figure 328961DEST_PATH_IMAGE005
段内
Figure 997840DEST_PATH_IMAGE006
点FFT谱累加求均值，取最小的段的平均值作为噪底估计值
Figure 804253DEST_PATH_IMAGE008
；L的取值通常>64，P的取值视所需要的频率分辨率而定。
2）基于恒虚警检测的检测门限设置：利用恒虚警检测条件，将检测门限设置为：
其中
Figure 357911DEST_PATH_IMAGE010
Figure 691416DEST_PATH_IMAGE011
为谱平均后噪声的信号频谱的概率分布函数。
Figure 121260DEST_PATH_IMAGE012
为的反函数。
Pfa为设定的虚警概率。
然后利用该门限对输入信号频谱进行检测，大于该门限置1，小于该门限置0，得到判决序列
Figure 513375DEST_PATH_IMAGE013
。
3）基于边沿检测的信号检测：对判决序列，利用边沿检测方法记录每个信号的上升沿频率
Figure 554330DEST_PATH_IMAGE015
和下降沿频率
Figure 283251DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 362066DEST_PATH_IMAGE017
表示检测信号的个数，每个上升沿和其后相邻的下降沿确定一个信号，并且将
Figure 673092DEST_PATH_IMAGE018
作为该信号带宽的估计值，将
Figure 444739DEST_PATH_IMAGE019
作为该信号载波频率的估计值。
4）局部信噪比计算：利用3）中的带宽估计值和1）得到的噪底的估计值，在每个信号带内对其信号频谱进行求和，再和噪底相除得到每个信号的局部信噪比估计值。
5）基于局部信噪比门限的虚警信号剔除：利用2）中设定的检测门限，对每个信号的局部信噪比进行判决，若大于该门限，则确认该信号存在，否则判定为虚警，确认该信号不存在，从而完成信号检测，若确认信号存在，则将2）中的信号载波频率和带宽估计值作为所检测到信号的载波频率和带宽估计值。
本发明的优点在于：
1、采用本发明的方法，实现了宽带通信信号的检测，针对1GHz带宽，12dB信噪比的多个通信信号的典型的宽带应用场景，检测时间仅为200ms，检测概率达到95%以上，虚警概率小于1%。
2、具体对应于步骤b和c，本发明中采用了无盲区数字信道化技术实现了信号并行处理，且后续FFT运算也为并行操作，因此大大缩短了检测时间。
3、具体对应于步骤d，本发明中采用基于恒虚警的双门限检测方法造成虚警概率的降低。
4、采用高速ADC和无盲区数字信道化方法实现了宽带信号的全概率截获和频谱计算。实现了全并行处理，提高了处理速度和缩短了检测时间。
5、采用二次门限检测方法实现了多信号的准确检测。
附图说明    
图1为基于无盲区数字信道化的并行频谱计算方法流程图。
图2为宽带多信号检测方法流程图。
具体实施方式
一种宽带多信号检测方法，包括以下步骤：
a. 高速ADC采集信号，高速ADC采集信号具体为采用FPGA与高速ADC接口， FPGA中的串并转换模块ISERDES对输入数据进行降速处理，与后续信道化处理相匹配。
b. 对采集的信号进行无盲区数字信道化，无盲区数字信道化为：针对由ADC转换后的实信号傅立叶变换的零点共轭对称特性所提出的一种改进算法，提取正负频谱成分中的一部分，实现信号的无盲区截获。
c. 将经过无盲区数字信道化的信号进行宽带频谱拼接和计算，得到频谱，采用无盲区数字信道化结构将所采集的宽带信号变换为M路数字子信道信号
Figure 457695DEST_PATH_IMAGE001
，然后采用一种并行频谱计算结构实现FFT实现频谱计算，具体来说，采用M路并行K点FFT对M个信道同时进行FFT操作，然后完成频谱累加；去除每个FFT结果中重叠的数据，再按照信道顺序进行频谱拼接，得到频谱
Figure 340200DEST_PATH_IMAGE002
。
d. 对拼接的频谱进行多信号检测，利用得到的宽带频谱图实现多个目标的检测，得到目标信号个数以及载波、带宽、功率等基本信息，具体步骤如下：
1）噪底估计：输入信号频谱为
Figure 505733DEST_PATH_IMAGE003
，长度为，将输入信号频谱划分为
Figure 948533DEST_PATH_IMAGE005
段，每段包含点，即有
Figure 651839DEST_PATH_IMAGE007
。对
Figure 765289DEST_PATH_IMAGE005
段内
Figure 752836DEST_PATH_IMAGE006
点FFT谱累加求均值，取最小的段的平均值作为噪底估计值
Figure 977144DEST_PATH_IMAGE008
；L的取值通常>64，P的取值视所需要的频率分辨率而定。
2）基于恒虚警检测的检测门限设置：利用恒虚警检测条件，将检测门限设置为：
Figure 851690DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 136041DEST_PATH_IMAGE010
为谱平均后噪声的信号频谱的概率分布函数。
Figure 638884DEST_PATH_IMAGE012
为
Figure 820466DEST_PATH_IMAGE011
的反函数。
Pfa为设定的虚警概率。
然后利用该门限对输入信号频谱进行检测，大于该门限置1，小于该门限置0，得到判决序列
Figure 823189DEST_PATH_IMAGE013
。
3）基于边沿检测的信号检测：对判决序列
Figure 723012DEST_PATH_IMAGE014
，利用边沿检测方法记录每个信号的上升沿频率
Figure 351439DEST_PATH_IMAGE015
和下降沿频率
Figure 653107DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 826731DEST_PATH_IMAGE017
表示检测信号的个数，每个上升沿和其后相邻的下降沿确定一个信号，并且将
Figure 213850DEST_PATH_IMAGE018
作为该信号带宽的估计值，将作为该信号载波频率的估计值。
4）局部信噪比计算：利用3）中的带宽估计值和1）得到的噪底的估计值，在每个信号带内对其信号频谱进行求和，再和噪底相除得到每个信号的局部信噪比估计值。
5）基于局部信噪比门限的虚警信号剔除：利用2）中设定的检测门限，对每个信号的局部信噪比进行判决，若大于该门限，则确认该信号存在，否则判定为虚警，确认该信号不存在，从而完成信号检测，若确认信号存在，则将2）中的信号载波频率和带宽估计值作为所检测到信号的载波频率和带宽估计值。
检测实例仿真条件为：采样率160MSPS，信号带宽10MHz，信号个数10个。
不同信噪比下检测性能仿真结果：
信噪比 9dB 10dB 11dB 12dB 13dB 14dB
虚警率 1e-6 1e-7 1e-7 1e-7 1e-7 1e-7
检测概率 0.8150 0.9600 0.9950 0.9950 0.9900 1
表1为检测性能仿真结果。
上述文件中
Figure 536564DEST_PATH_IMAGE011
标识里F下标为Pest。

Claims (1)

1.一种宽带多信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 高速ADC采集信号；
b. 对采集的信号进行无盲区数字信道化；
c. 将经过无盲区数字信道化的信号进行宽带频谱拼接和计算，得到频谱；
d. 对拼接的频谱进行多信号检测；
a步骤中所述高速ADC采集信号具体为采用FPGA与高速ADC接口， FPGA中的串并转换模块ISERDES对输入数据进行降速处理，与后续信道化处理相匹配；
b步骤中所述无盲区数字信道化为：针对由ADC转换后的实信号傅立叶变换的零点共轭对称特性所提出的一种改进算法，提取正负频谱成分中的一部分，实现信号的无盲区截获；
c步骤中所述宽带频谱拼接和计算为：采用无盲区数字信道化结构将所采集的宽带信号变换为M路数字子信道信号                                               ，然后采用一种并行频谱计算结构实现FFT实现频谱计算；
具体来说，采用M路并行K点FFT对M个信道同时进行FFT操作，然后完成频谱累加；去除每个FFT结果中重叠的数据，再按照信道顺序进行频谱拼接，得到频谱；
d步骤中所述多信号检测是利用得到的宽带频谱图实现多个目标的检测，得到目标信号个数以及载波、带宽、功率等基本信息，具体步骤如下：
1）噪底估计：输入信号频谱为
Figure 2011101539716100001DEST_PATH_IMAGE006
，长度为，将输入信号频谱划分为
Figure 2011101539716100001DEST_PATH_IMAGE010
段，每段包含
Figure DEST_PATH_IMAGE012
点，即有
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，对
Figure 548077DEST_PATH_IMAGE010
段内
Figure 261955DEST_PATH_IMAGE012
点FFT谱累加求均值，取最小的段的平均值作为噪底估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；L的取值通常>64，P的取值视所需要的频率分辨率而定；
2）基于恒虚警检测的检测门限设置：利用恒虚警检测条件，将检测门限设置为：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE020
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为谱平均后噪声的信号频谱的概率分布函数，
为
Figure 497152DEST_PATH_IMAGE022
的反函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为设定的虚警概率，
然后利用该门限对输入信号频谱进行检测，大于该门限置1，小于该门限置0，得到判决序列
Figure DEST_PATH_IMAGE028
；
3）基于边沿检测的信号检测：对判决序列
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，利用边沿检测方法记录每个信号的上升沿频率
Figure DEST_PATH_IMAGE032
和下降沿频率
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，表示检测信号的个数，每个上升沿和其后相邻的下降沿确定一个信号，并且将
Figure DEST_PATH_IMAGE038
作为该信号带宽的估计值，将
Figure DEST_PATH_IMAGE040
作为该信号载波频率的估计值；
4）局部信噪比计算：利用3）中的带宽估计值和1）得到的噪底的估计值，在每个信号带内对其信号频谱进行求和，再和噪底相除得到每个信号的局部信噪比估计值；
5）基于局部信噪比门限的虚警信号剔除：利用2）中设定的检测门限，对每个信号的局部信噪比进行判决，若大于该门限，则确认该信号存在，否则判定为虚警，确认该信号不存在，从而完成信号检测，若确认信号存在，则将2）中的信号载波频率和带宽估计值作为所检测到信号的载波频率和带宽估计值。
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