CN102611511B - 一种基于增强型频谱相关函数的无线信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于增强型频谱相关函数的无线麦克风信号检测方法，包括根据采集的数字信号的频谱相关函数以及本发明提出的共轭频谱相关函数获得所述数字信号的增强型频谱相关函数；计算检验统计量并与预定方法模拟或计算得到的判决门限进行比较来判别是否为无线麦克风信号。本发明基于提出的增强型频谱相关函数，解决了现有检测方法中无法将窄带干扰与无线麦克风信号进行区分的问题，使得当前空白电视频段检测中的重大困难得到了解决，同时本检测方法具有低算法复杂度，在实际***中易于实现。

Description

一种基于增强型频谱相关函数的无线信号检测方法

技术领域

本发明属于认知无线电技术领域，具体运用于空白数字电视频段感知中对低功耗无线麦克风信号的检测。

背景技术

美国联邦通信委员会规定电视空白频段感知设备要能检测出信号强度为-107dbm的无线麦克风信号。在如此低的信号强度下，由于杂散辐射、泄露、交调等引起的连续波窄带干扰与麦克风信号很相似，现有的检测方法没有将窄带干扰与无线麦克风信号进行区分而导致了极高的虚警率，这使得可用空白电视频段的数目急剧下降。

发明内容

本发明提供了一种基于增强型频谱相关函数的无线麦克风信号检测方法，用于解决现有的无线麦克风信号检测方法中存在的无法将窄带干扰与无线麦克风信号进行区分而导致了极高的虚警率以及可用空白电视频段的数目较少的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于增强型频谱相关函数的无线麦克风信号检测方法，包括两大步骤：

步骤1：获得待检测频点的数字信号

将天线模块接收到的信号送到低噪声放大器中，放大信号经过带通滤波器，其带宽可以根据实际需要进行调整，接着将滤波后的信号送入正交下变频器，以所选电视频段内的频点作为本振频率对信号进行下正交变频处理，进而得到IQ两路信号，然后让两路信号分别通过一定带宽的低通滤波和增益控制器，将出来的IQ两路信号送入到模数转换器中，最后将模数转换器出来的两路数字信号送入时域信号预处理模块中，在该模块中完成对信号的接收、下采样、下变频、IQ合并以及存储等处理，并扫描频域信号从而获得待检测的频点，进而获得了待检测频点的数字信号。

步骤2：利用增强型频谱相关函数完成对无线麦克风信号的检测

根据采集的数字信号x[n]的频谱相关函数以及共轭频谱相关函数获得所述数字信号x[n]的增强型频谱相关函数可采用如下的计算公式：

${\hat{S}}_x^{\mathrm{\α}}{\left(f\right)}_a={\mathrm{\κ}}_1{\hat{S}}_x^{\mathrm{\α}}{\left(f\right)|}_{\mathrm{\α}=0}+{\mathrm{\κ}}_2{\hat{S}}_x^{\mathrm{\α}}{\left(f\right)|}_{\mathrm{\α}\≠0}---\left(1\right)$

上述的M是一个正的奇数且M≤N，X(f)为x[·]的离散时间傅里叶变换且 $X\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left[n\right]e^{-j2\mathrm{\πfn}};$

采用适当的检验统计量进行判决，例如如下的检验统计量：

$T_a=1-\frac{\left|\mathrm{\Ψ}\right|{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\α}\∈\mathrm{\Ω}}{\hat{S}}_x^{\mathrm{\α}}{\left(f\right)}_a{|}_{f=0}}{\left|\mathrm{\Ω}\right|{\mathrm{\Σ}}_{f\∈\mathrm{\Ψ}}{\hat{S}}_x^{\mathrm{\α}}{\left(f\right)}_a{|}_{\mathrm{\α}=0}}---\left(4\right)$

其中，Ψ是中频率f的取值范围，Ω是中循环频率α的取值范围，通过预定方法模拟得到特定误警率下的判决门限γ，若T_a≤γ，则为窄带干扰，否则为无线麦克风信号。

本发明的有益效果：本发明提出共轭频谱相关函数，并结合频谱相关函数形成增强型频谱相关函数，从而建立基于增强型频谱相关函数的无线麦克风信号感知方法。所述方法能有效区分窄带干扰和无线麦克风信号，极大的降低了由于窄带干扰引起的虚警率，且具有低复杂度的优点。

附图说明

图1为本发明的具体实施方式提供的基于增强型频谱相关函数的无线麦克风信号检测方法的流程示意图；

图2为本发明的实施例1中MATLAB模拟产生的无线麦克风信号的增强型频谱相关函数模的三维图，其中β＝5，SNR＝-17，κ₁＝0.1，κ₂＝1；

图3为本发明的实施例1中MATLAB模拟产生连续波窄带干扰的增强型频谱相关函数模的三维图，其中SNR＝-17，κ₁＝0.1，κ₂＝1；

图4为本发明的实施例1中当β＝2时不同SNR下，基于增强型频谱相关函数感知方法的ROC性能曲线图；

图5为本发明的实施例1中当SNR＝-23时不同β下，基于增强型频谱相关函数感知方法的ROC性能曲线图；

图6为本发明的实施例2中采用***构架1的无线麦克风信号感知流程框图；

图7为本发明的实施例2中采用***构架2的无线麦克风信号感知流程框图；

图8为本发明的实施例2中根据图6中描述的实验流程获取的无线麦克风信号，并由公式(6)计算得到的增强型频谱相关函数模的三维图；

图9为本发明的实施例2中根据图6中描述的实验流程获取的窄带干扰，并由公式(6)计算得到的增强型频谱相关函数模的三维图。

具体实施方式

本具体实施方式提供了一种基于增强型频谱相关函数的无线麦克风信号检测方法，如图1所示，包括：

步骤1，通过天线模块接收空中信号；

步骤2，对接收到的信号进行低噪声放大；

步骤3，对放大后的信号进行带通滤波；

步骤4，根据需要可以将滤波出来的信号进行正交下变频到中频或基带；

步骤5，对正交下变频器出来的IQ两路信号进行低通滤波；

步骤6，将低通滤波器出来的信号送入到增益控制器中进行增益调整；

步骤7，将增益调整后的信号送入到模数转换器中进行模数转化；

步骤8，将模数转换出来的数字信号送入时域信号处理模块，在该模块中完成对信号的接收、下采样、下变频、IQ合并以及存储等处理，进而得到检测所需的M段不重叠或部分重叠的时域数字信号；

步骤9，扫描所述时域数字信号，获得待检测频点。

步骤10，根据式(2)计算待检测频点数字信号频谱相关函数；

步骤11，根据式(3)计算待检测频点数字信号的共轭频谱相关函数；

步骤12，根据式(1)获得待检测频点数字信号的增强型频谱相关函数；

步骤13，利用判决理论，例如根据式(4)计算获得判决统计量T_p；

步骤14，通过预定方法模拟或计算获得门限值γ；

步骤15，根据T_p与γ的比较结果给出判决，即如果T_p≤γ，则为窄带干扰，否则为无线麦克风信号。

具体的，本具体实施方式提出共轭频谱相关函数，并结合频谱相关函数形成增强型频谱相关函数，从而建立了一种基于增强型频谱相关函数的无线麦克风信号感知方法，利用增强型频谱相关函数的特征来正确区分正弦连续波(模拟窄带干扰)和无线麦克风信号，从而准确判决当前信道有无无线麦克风信号，为电视空白频段的有效和充分利用奠定基础。

首先将天线模块101接收到的信号送到低噪声放大器(LNA)102，放大信号经过带通滤波器(BPF)103，其带宽可以根据实际需要进行调整，接着将滤波后的信号送入正交下变频器105，以所选电视频段内的频点作为本振104频率对信号进行下正交变频处理，进而得到IQ两路信号，然后让两路信号分别通过一定带宽的低通滤波(LPF)106和中频放大器(IF Amp)107并将中放出来的IQ两路信号送入到模数转换器(ADC)109中，最后将ADC109出来的两路数字信号送入FPGA110中，在FPGA110中完成对信号的接收、下采样、下变频、IQ合并以及存储等处理，进而我们获得了检测所需的时域数字信号。用正弦连续波信号模拟窄带干扰，可以建立二元假设模型：

H₁(无线麦克风信号)：

H₂(正弦连续波信号)：

其中，ω[·]表示带限复高斯噪声，其方差为σ²，易得信噪比为SNR＝A²/(4σ²)。

对于给定数字信号x[n]，n＝1，2，...，N-1，频谱相关函数(SCF)的计算公式为：

其中，M是一个正的奇数且M≤N。X(f)为x[·]的离散时间傅里叶变换(DTFT)。

$X\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left[n\right]e^{-j2\mathrm{\πfn}},---\left(4\right)$

当公式(3)中的f±α/2是1/N的整数倍时，可通过快速傅里叶变换(FFT)计算X(f)。此方法计算得到的频谱相关函数不能有效的展示无线麦克风信号的独特特征，因此本具体实施方式提出共轭频谱相关函数并在此基础上结合原频谱相关函数构造增强型频谱相关函数 的定义如下：

由此得到的增强型频谱相关函数定义为：

${\hat{S}}_x^{\mathrm{\α}}{\left(f\right)}_a={\mathrm{\κ}}_1{\hat{S}}_x^{\mathrm{\α}}{\left(f\right)|}_{\mathrm{\α}=0}+{\mathrm{\κ}}_2{\hat{S}}_x^{\mathrm{\α}}{\left(f\right)|}_{\mathrm{\α}\≠0}---\left(6\right)$

无线麦克风信号和正弦连续波信号的增强型频谱相关函数具有不同的特征，为了从数值上体现其差异，可以采用如下检验统计量：

$T_p=1-\frac{\left|\mathrm{\Ψ}\right|{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\α}\∈\mathrm{\Ω}}{\hat{S}}_x^{\mathrm{\α}}{\left(f\right)}_a{|}_{f=0}}{\left|\mathrm{\Ω}\right|{\mathrm{\Σ}}_{f\∈\mathrm{\Ψ}}{\hat{S}}_x^{\mathrm{\α}}{\left(f\right)}_a{|}_{\mathrm{\α}=0}}---\left(7\right)$

其中，Ψ是中频率f的取值范围，而Ω是中循环频率α的取值范围。本方法不用计算出整个(α，f)平面上的SCF值，而是通过一组有限频率集上的增强型频谱相关函数值来计算统计量，从而降低计算复杂度。

对于正弦连续波信号，T_p相对较小；而对于无线麦克风信号，T_p相对较大。通过蒙特卡洛方法模拟得到特定虚警率下的判决门限γ。对于设定的门限γ判决准则如下：

如果T_p≤γ，则为窄带干扰信号，否则为无线麦克风信号    (8)

下面结合说明书附图对本具体实施方式提供的制备方法的原理及功能进行介绍。

实施例1

本实施例阐述了基于增强型频谱相关函数的无线麦克风检测方法的***仿真。仿真是基于MATLAB环境下进行的，具体仿真步骤如下：

1.根据式(1)产生无线麦克风信号x[n]，n＝1，2，...，N-1。并对该信号作快速傅里叶变换(FFT)得到频域序列X[K]，K＝1，2，...，N-1。

2.选择合适的频率和循环频率取值范围Ψ和Ω，根据式(6)计算选定范围内的增强型频谱相关函数。

3.根据式(7)计算检验统计量，并与设定的门限值比较，根据式(8)的判决准则做出判决。

其中的门限值计算方法为：由蒙特卡洛方法仿真得到不同信噪比下正弦连续波信号的检验统计量的统计分布特性，然后在给定的虚警率下求取门限值。

附错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。分别描述了无线麦克风信号和正弦连续波信号的增强型频谱相关函数的三维图。可以从视觉上看到两者的区别，无线麦克风信号的增强型频谱相关函数在α＝0，频率范围Ψ内的值大于在f＝0，循环频率范围Ω内的值；而正弦连续波信号则恰好相反。

附错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。展示了由不同参数下应用增强型频谱相关函数检测无线麦克风信号的性能。可以看到，信噪比高于-23dB时，对于β大于2的无线麦克风信号，误警率极低。

实施例2

本实施例阐述了基于周期图无线麦克风检测方法的实际***实现。实际***架构1如附图6所示：将天线模块101接收到的信号送到低噪声放大器(LNA)102，放大信号经过带通滤波器(BPF)103，其带宽可以根据实际需要进行调整，接着将滤波后的信号送入正交下变频器105，以所选电视频段内的频点作为本振104频率对信号进行正交下变频处理，进而得到IQ两路信号，然后让两路信号分别通过一定带宽的低通滤波(LPF)106和中频放大器(IF Amp)107并将中放出来的IQ两路信号送入到模数转换器(ADC)109中，最后将ADC109出来的两路数字信号送入FPGA110中，在FPGA110中完成对信号的接收、下采样、下变频、IQ合并以及存储等处理，进而我们获得了检测所需的时域数字信号，通过USB等接口将数据送入PC111中，在PC111中运行频域麦克风检测算法，最后根据判决结果对当前电视频段状况做出判断。对于不同的下变频频率和采样率可以通过FPGA到本振和ADC的反馈回路进行控制。同时也可采用如附图7所示的***构架2，该架构将架构1中的PC111模块换成了以DSP113为核心的模块，该模块将FPGA110来的数据通过相应的接口如EMIF口送入到数据存储器114中，DSP113实时地从存储器114中读取数据完成频域麦克风检测算法并给出判决结果，对于判决结果可以送到与DSP相连的外设112中，也可以通过一些接口如USB口115、网口116等传输到其他设备中。

基于架构1的实际算法测试步骤如下：

1)选择某个电视频段，分别用无线麦克风信号发生器和信号发生器在不同的频点产生麦克风信号和正弦连续波信号。

2)运用如图6架构的***对信号进行采集，连续采集M段时域数字信号，每段的持续时间为t ms。

3)在PC中用频域麦克风检测算法对得到的数据进行处理。

基于架构2的实际算法测试步骤如下：

1)选择某个电视频段，分别用无线麦克风信号发生器和信号发生器在不同的频点产生麦克风信号和正弦连续波信号。

2)运用如图7架构的***对信号进行采集，连续采集M段时域数字信号，每段的持续时间为t ms。

3)在DSP芯片中用频域麦克风检测算法对得到的数据进行处理。

图8和图9分别展示了上述过程中实测无线麦克风信号和窄带干扰的增强型频谱相关函数三维图，实验结果与***仿真结果基本一致。

本具体实施方式提供的技术方案基于增强型频谱相关函数的无线麦克风信号感知方法，能有效区分窄带干扰和无线麦克风信号，从而解决了无法将窄带干扰与无线麦克风信号进行区分的问题，使得当前空白电视频段检测中的重大难题得到了解决，同时本检测方法具有低算法复杂度，在实际***中易于实现。

本具体实施方式还提供了一种基于增强型频谱相关函数的无线信号检测装置，包括天线模块、低噪声放大器、带通滤波器、下变频至中频或基带、低通滤波器、模数转换器和时域信号预处理模块，天线模块的信号输出端与低噪音放大器的信号输入端连接，低噪音放大器的信号输出端与带通滤波器的信号输入端连接，带通滤波器的信号输出端与下变频至中频或基带的信号输入端连接，下变频至中频或基带的信号输出端与低通滤波器的信号输入短连接，低通滤波器的信号输出端与模数控制器的信号输入端连接，模数控制器的信号输出端时域信号预处理模块的信号输入端连接。

可选的，所述天线模块为甚高频和特高频频段接收天线，所述下变频至中频或基带包括根据要检测的电视频段设置本振的频率，通过正交下变频器将信号下变频至中频或基带。

可选的，所述低通滤波器的带宽需大于或等于一个电视频段带宽的一半，所述增益控制器包括根据模数转换器所需的电压或电流能手动或自动调整输出电压值或电流值，所述时域信号预处理模块用于通过可编程芯片实现两大功能：一是对IQ两路信号的接收、下采样、下变频、合并以及存储等处理；二是为其他模块如本振、模数转换器、USB芯片等提供所需的控制信号。

上述基于增强型频谱相关函数的无线信号检测装置中涉及的各器件实现的功能已经在之前的方法实施方式中详细描述，故在此不再敷述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于增强型频谱相关函数的无线信号检测方法，其特征在于，包括： 

获得预处理的时域数字信号x[n]，并计算获得所述时域数字信号x[n]的频谱相关函数 以及计算获得所述时域数字信号的共轭频谱相关函数并获得所述时域数字信号的增强型频谱相关函数

计算获得所述时域数字信号的检验统计量T_p，通过蒙特卡罗法模拟获得门限值γ，根据所述检验统计量T_p与门限值γ的比较结果，如果T_p≤γ，则所述时域数字信号x[n]为窄带干扰，否则为无线麦克风信号； 

所述的检验统计量T_p通过以下公式计算获得： 

其中，Ψ是中频率f的取值范围，而Ω是中循环频率α的取值范围； 

所述频谱相关函数的计算公式为： 

其中，M是一个正的奇数且M≤N。X(f)为x[·]的离散时间傅里叶变换； 

所述共轭频谱相关函数的表达式为： 

所述增强型频谱相关函数的表达式为：