CN105049134A - 跳频通信单通道盲分离中接收信号频率碰撞检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跳频通信单通道盲分离中接收信号频率碰撞检测方法，该方法为：首先获取接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)，再根据接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)，求出时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c，最后根据时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c，判断接收信号x(t)在各个时间段内是否频率碰撞。在跳频通信单通道盲分离过程中，运用本发明很容易地将接收信号内各分量信号发生频率正交和碰撞的时间段分开，进而更容易地实现跳频通信单通道盲分离，而且本发明是基于时间段处理的，相比基于时刻处理，其计算量更小。

Description

跳频通信单通道盲分离中接收信号频率碰撞检测方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及单通道盲分离技术和跳频频率碰撞检测技术，特别涉及跳频通信单通道盲分离中接收信号频率碰撞检测方法。

背景技术

跳频信号是已经调制的信号在一个很宽的频率范围内随机的跳动，其频率跳动规律称为跳频图案。由于跳频信号在一个很宽的频率范围内，其传输过程中要保持各离散频率载波的相位相干比较困难，跳频信号一般采用FSK方式进行调制。

单通道盲分离是在一个单通道上接收信号，并在源信号无法精确获知的情况下，从接收信号中分离出各源信号的过程。单通道盲分离在数学上是一个病态问题，关于单通道盲信号分离方面的算法主要分为：变换域滤波、利用传统的ICA/BSS方法、基函数法、稀疏分解与表示、粒子滤波、逐幸存路径处理法等。其中，较好的方法是粒子滤波和逐幸存路径处理法，但其计算复杂度太高，难以实际运用，并且两种方法都是从编码和比特这一层次实现单通道盲分离。

因此，需要一种可使跳频通信单通道盲分离计算简单、便于实际运用的方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种跳频通信单通道盲分离中接收信号频率碰撞检测方法，来改善跳频通信单通道盲分离问题的不足，通过将接收信号中的时频域均混叠的时间段与时域混叠频域相对分离的时间段分别检测出来分开处理，不仅降低了跳频通信单通道盲分离问题中的计算复杂度，还大大地降低对接收信号盲分离的难度，从而更容易实现盲源分离。

首先本发明的适用条件为：单通道中的源信号为n个相互独立的跳频信号，其跳速分别为v₁,v₂,……,v_n；在检测过程中，接收信号x(t)内的分量信号数目不变并且各个分量信号之间发生频率碰撞的概率小于50％，其中，幅度最大的分量信号和幅度最小的分量信号幅度比小于10；

本发明的所述接收信号x(t)频率碰撞的检测方法包括：

S1：对所述接收信号x(t)选取汉明窗g(t)后，进行短时傅里叶变换并得到所述接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)，确定所述接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)的单位处理时间T_d；

S2：将所述接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)的时域分为若干时间段(i-1)T_d≤t_i<iT_d，并分别计算其中n₀个连续所述时间段的时频分布函数X(t,f)的时频域时间累积函数，相应地记录各个所述时间段的所述时频域时间累积函数波峰个数，并记录所述时频域时间累积函数波峰个数有效最大值为CR_c，其中i为正整数，n₀为正整数，CR_c为正偶数；

S3：根据所述时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c，判断所述接收信号x(t)在任一所述时间段内，发生频率碰撞或者未发生频率碰撞。

根据一种具体的实施方式，计算时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c的方法为：

S21：提取所述接收信号x(t)的第i个时间段的时频分布函数X(t_i,f)，其中i的初始值为1；

S22：对当前所述时间段的时频分布函数X(t_i,f)预处理；

S23：计算经预处理后的当前所述时间段的时频分布函数X(t_i,f)的时频域时间累积函数，并检测所述时频域时间累积函数曲线的波峰个数CR_i，保存CR_i至集合CR；

S24：比较i与n₀；i小于n₀，令i＝i+1后，执行S21；i大于或等于n₀，计算所述集合CR中的频数最大的偶数元素，并记为CR_c。

根据一种具体的实施方式，判断所述接收信号x(t)在任一所述时间段内，发生频率碰撞或者未发生频率碰撞的方法为：

S31：提取待检测时间段的时频分布函数X(t_j,f)，并对其进行预处理，其中j为正整数；

S32：计算所述待检测时间段的时频分布函数X(t_j,f)的时频域时间累积函数，并检测所述时频域时间累积函数曲线的波峰个数CR_j；

S33：比较CR_j和CR_c；CR_j小于CR_c，则在所述待检测时间段内发生频率碰撞，否则，在所述待检测时间段内未发生频率碰撞。

根据一种具体的实施方式，所述预处理的方法为：

S41：提取待预处理的时间段上任一频率点f_h，其对应的时频点集为{(t_i,f_h)|(i-1)T_d≤t_i<iT_d}，其中时频点(t,f_h)为所述时频点集的任意元素；

S42：若所述时频点(t,f_h)满足：

X(t,f_h)≥αmax{X(t_i,f_h)|(i-1)T_d≤t_i<iT_d}

则令(t,f_h)∈Ο_h；

S43：若|Ο_h|<β|{(t_i,f_h)|(i-1)T_d≤t_i<iT_d}|，则令所述时频点集的时频分布函数{X(t_i,f_h)|(i-1)T_d≤t_i<iT_d}为零。其中，|·|表示求集合的元素个数，α,β为系数因子并且α,β∈[0,1]。

根据一种具体的实施方式，所述单位处理时间T_d的表达式为：

$T_d=(\frac{1}{v_1},\mathrm{......},\frac{1}{v_N})\&CenterDot;f_s$

其中(·)表示求最大公约数，f_s为采样频率。

根据一种具体的实施方式，基于所述时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c，估计单通道中的源信号的个数n为CR_c的二分之一。

根据一种具体的实施方式，所述时频域时间累积函数的表达式为：

$G\left(f\right)=\underset{t=1}{\overset{T_d}{\&Sigma;}}\left|X\left(\right(i-1)T_d+t,f)\right|$

其中，|X((i-1)T_d+t,f)|表示求所述时频分布函数的模值。

本发明有益效果在于：在解决跳频通信单通道接收信号内分量信号部分频率碰撞的盲分离问题过程中，运用本发明的方法可以检测接收信号在哪些时间段存在跳频频率碰撞，从而很容易地将频率正交和碰撞时间段分开，进而更容易地实现跳频通信单通道盲分离。

由于本发明是基于时间段处理的，相比基于时刻处理，其计算量更小。并且在得出时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c的同时，也间接估计出单通道接收信号中分量信号的个数(即源信号的个数)。

附图说明

图1是本发明频率碰撞检测方法的示意流程图；

图2是本发明估计时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c的流程图；

图3是本发明频率碰撞检测方法中判断频率碰撞或正交的流程图。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

首先本发明的适用条件为：在单通道中的源信号为n个相互独立的跳频信号，并且能够精确地预测其跳速，各个跳频信号分别为v₁,v₂,……,v_n。在检测过程中，接收信号x(t)内的分量信号数目不变并且各个分量信号之间发生频率碰撞的概率小于50％，其中，幅度最大的分量信号和幅度最小的分量信号幅度比小于10。

结合图1所示的本发明频率碰撞检测方法的示意流程图；本发明的接收信号x(t)频率碰撞的检测方法包括：

S1：对接收信号x(t)选取汉明窗g(t)后，进行短时傅里叶变换并得到接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)，确定接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)的单位处理时间T_d。

具体的，进行短时傅里叶变换得到接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)的表达式为：

$X(t,f)={\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{+\mathrm{\&infin;}}x\left(\mathrm{\&tau;}\right)g*(\mathrm{\&tau;}-t)e^{-j2\mathrm{\&pi;}f\mathrm{\&tau;}}d\mathrm{\&tau;}$

当获得了接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)后，需要确定其单位处理时间T_d。单位处理时间T_d的表达式为：

$T_d=(\frac{1}{v_1},\mathrm{......},\frac{1}{v_N})\&CenterDot;f_s$

其中，(·)表示求最大公约数，f_s为采样频率，由于T_d的设置关系到检测的准确性，因此本发明的适用条件要求能够精确地预测各个跳频信号的跳速。

S2：将接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)的时域分为若干时间段(i-1)T_d≤t_i<iT_d，并分别计算其中的n₀个连续的时间段的时频分布函数X(t,f)的时频域时间累积函数，相应地记录各个时间段的时频域时间累积函数波峰个数，并记录时频域时间累积函数波峰个数有效最大值为CR_c，其中i为正整数，n₀为正整数，CR_c为正偶数。

具体地，n₀可以根据实际运用而设置，n₀越大，对时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c的估计就越精确。但同时n₀随着增大，运算量也相应地增大。

S3：根据时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c，判断接收信号x(t)在任一时间段内，发生频率碰撞或者未发生频率碰撞。

结合图2所示的本发明估计时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c的流程图。

具体地，S21：提取接收信号x(t)的第i个时间段的时频分布函数X(t_i,f)，其中i的初始值为1；

S22：对当前时间段的时频分布函数X(t_i,f)预处理。

S23：计算经预处理后的当前时间段的时频分布函数X(t_i,f)的时频域时间累积函数，并检测时频域时间累积函数曲线的波峰个数CR_i，保存CR_i至集合CR。

具体的，时频域时间累积函数的表达式为：

$G\left(f\right)=\underset{t=1}{\overset{T_d}{\&Sigma;}}\left|X\left(\right(i-1)T_d+t,f)\right|$

其中，|X((i-1)T_d+t_,f)|表示求所述时频分布函数的模值。

S24：比较i与n₀；如果i小于n₀，则在令i＝i+1后，执行S21；如果i大于或等于n₀，计算集合CR中频数最大的偶数元素，并记为CR_c。

结合图3所示的本发明频率碰撞检测方法中判断频率碰撞或正交的流程图。

判断接收信号x(t)在任一时间段内，发生频率碰撞或者未发生频率碰撞的方法为：

S31：提取待检测时间段的时频分布函数X(t_j,f)，并对其进行预处理，其中j为正整数；

S32：计算待检测时间段的时频分布函数X(t_j,f)的时频域时间累积函数，并检测时频域时间累积函数曲线的波峰个数CR_j；

S33：比较CR_j和CR_c；如果CR_j小于CR_c，则在待检测时间段内发生频率碰撞，否则，在待检测时间段内未发生频率碰撞。

本发明中，由于利用短时傅里叶变换，求取时频分布，在跳频图案中频率跳变边界上会出现频率交叉。频率交叉部分在累积函数中会形成干扰波峰，因此涉及在S22和S31中需要对时间段的时频分布函数X(t,f)进行预处理，旨在抑制这个干扰波峰的产生。具体预处理的方法为：

S41：提取待预处理的时间段上任一频率点f_h，其对应的时频点集为

{(t_i,f_h)|(i-1)T_d≤t_i<iT_d}，其中时频点(t,f_h)为时频点集的任意元素；

S42：若时频点(t,f_h)满足：

X(t,f_h)≥αmax{X(t_i,f_h)|(i-1)T_d≤t_i<iT_d}

则令(t,f_h)∈Ο_h；

S43：若|Ο_h|<β|{(t_i,f_h)|(i-1)T_d≤t_i<iT_d}|，则令时频点集的时频分布函数{X(t_i,f_h)|(i-1)T_d≤t_i<iT_d}为零。其中，|·|表示求集合的元素个数，α,β为系数因子并且α,β∈[0,1]。

下面结合一个实施例，对本发明进行说明。

在单通道中有3路源跳频信号，其跳速分别为250hops/s、500hops/s、1000hops/s，跳频频率序列分别为[3MHz,5.5MHz,7MHz,8MHz,4.5MHz]、[3MHz,9MHz,5MHz,7MHz,4MHz]、[3MHz,5MHz,6MHz,8MHz,4MHz]，3路源信号线性混合，得到一路长为1s的接收信号。

现仅仅通过接收信号实现检测接收信号内哪些时间段发生频率碰撞。对接收信号以20MHz频率采样，选择4×10⁴长的汉明窗，进行短时傅里叶变换，得到时频域分布。确定单位处理时间段长度为1ms，计算100ms接收信号长度的100个时间段累积函数，计算其波峰数目，得到CR集合为

$\left[\begin{array}{ccccccccccccccc}2& 4& 6& 6& 6& 6& 6& 6& 6& 4& 4& 6& 6& 4& 6\\ 6& 6& 6& 6& 4& 2& 4& 6& 6& 6& 6& 6& 6& 6& 4\\ 4& 6& 6& 4& 6& 6& 6& 6& 6& 4& 2& 4& 6& 6& 6\\ 6& 6& 6& 6& 4& 4& 6& 6& 4& 6& 6& 6& 6& 6& 4\\ 2& 4& 6& 6& 6& 6& 6& 6& 6& 4& 4& 6& 6& 4& 6\\ 6& 6& 6& 6& 4& 2& 4& 6& 6& 6& 6& 6& 6& 6& 4\\ 4& 6& 6& 4& 6& 6& 6& 6& 6& 4& & & & & \end{array}\right]$

其中，6的频数为70,4的频数为25,2的频数为5。时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c为6。对1s长的接收信号进行检测，计算每个时间段的时间累积函数波峰数目，并分别和CR_c值比较大小，从而检测出发生频率碰撞的时间段为：

0ms～2ms,9ms～11ms,13ms～14ms,19ms～22ms,29ms～31ms,33ms～34ms,

39ms～42ms,49ms～51ms,53ms～54ms,59ms～62ms,69ms～71ms,73ms～74ms,

…，973ms～974ms,979ms～982ms,989ms～991ms,993ms～994ms,999ms～1000ms

同时，本发明还可以基于时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c，估计单通道中的源信号的个数n为CR_c的二分之一，即本实施例中，CR_c值为6，源信号为3路。

在解决跳频通信单通道接收信号内分量信号部分频率碰撞的盲分离问题过程中，运用本发明的方法可以检测接收信号在哪些时间段存在跳频频率碰撞，从而很容易地将频率正交和碰撞时间段分开，进而更容易地实现跳频通信单通道盲分离。

由于本发明是基于时间段处理的，相比基于时刻处理，其计算量更小。并且在得出时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c的同时，也间接估计出单通道接收信号中分量信号的个数(即源信号的个数)。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种跳频通信单通道盲分离中接收信号频率碰撞检测方法，其特征在于，在单通道中的源信号为n个相互独立的跳频信号，其跳速分别为v₁，v₂，······v_n；在检测过程中，接收信号x(t)内的分量信号数目不变并且各个分量信号之间发生频率碰撞的概率小于50％，其中，幅度最大的分量信号和幅度最小的分量信号幅度比小于10；

所述接收信号x(t)频率碰撞的检测方法包括：

S1：对所述接收信号x(t)选取汉明窗g(t)后，进行短时傅里叶变换并得到所述接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)，确定所述接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)的单位处理时间T_d；

S2：将所述接收信号x(t)的时频分布函数X(t,f)的时域分为若干时间段(i-1)T_d≤t_i<iT_d，并分别计算其中n₀个连续所述时间段的时频分布函数X(t,f)的时频域时间累积函数，相应地记录各个所述时间段的所述时频域时间累积函数波峰个数，并记录所述时频域时间累积函数波峰个数有效最大值为CR_c，其中i为正整数，n₀为正整数，CR_c为正偶数；

S3：根据所述时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c，判断所述接收信号x(t)在任一所述时间段内，发生频率碰撞或者未发生频率碰撞。

2.根据权利要求1所述的跳频通信单通道盲分离中接收信号频率碰撞检测方法，其特征在于，计算时频域时间累积函数波峰个数有效最大值CR_c的方法为：

S21：提取所述接收信号x(t)的第i个时间段的时频分布函数X(t_i,f)，其中i的初始值为1；

S22：对当前所述时间段的时频分布函数X(t_i,f)预处理；

S23：计算经预处理后的当前所述时间段的时频分布函数X(t_i,f)的时频域时间累积函数，并检测所述时频域时间累积函数曲线的波峰个数CR_i，保存CR_i至集合CR；

S24：比较i与n₀；i小于n₀，令i＝i+1后，执行S21；i大于或等于n₀，计算所述集合CR中的频数最大的偶数元素，并记为CR_c。

3.根据权利要求1所述的跳频通信单通道盲分离中接收信号频率碰撞检测方法，其特征在于，判断所述接收信号x(t)在任一所述时间段内，发生频率碰撞或者未发生频率碰撞的方法为：

S31：提取待检测时间段的时频分布函数X(t_j,f)，并对其进行预处理，其中j为正整数；

S32：计算所述待检测时间段的时频分布函数X(t_j,f)的时频域时间累积函数，并检测所述时频域时间累积函数曲线的波峰个数CR_j；

S33：比较CR_j和CR_c；CR_j小于CR_c，则在所述待检测时间段内发生频率碰撞，否则，在所述待检测时间段内未发生频率碰撞。

4.根据权利要求2或3所述的跳频通信单通道盲分离中接收信号频率碰撞检测方法，其特征在于，所述预处理的方法为：

S41：提取待预处理的时间段上任一频率点f_h，其对应的时频点集为{(t_i,f_h)|(i-1)T_d≤t_i<iT_d}，其中时频点(t,f_h)为所述时频点集的任意元素；

S42：若所述时频点(t,f_h)满足：

X(t,f_h)≥αmax{X(t_i,f_h)|(i-1)T_d≤t_i<iT_d}

则令(t,f_h)∈Ο_h；

S43：若|Ο_h|<β|{(t_i,f_h)|(i-1)T_d≤t_i<iT_d}|，则令所述时频点集的时频分布函数{X(t_i,f_h)|(i-1)T_d≤t_i<iT_d}为零。其中，|·|表示求集合的元素个数，α,β为系数因子并且α,β∈[0,1]。

5.根据权利要求1所述的跳频通信单通道盲分离中接收信号频率碰撞检测方法，其特征在于，所述单位处理时间T_d的表达式为：

$T_d=(\frac{1}{v_1},\mathrm{......},\frac{1}{v_N})\&CenterDot;f_s$

其中(·)表示求最大公约数，f_s为采样频率。

6.根据权利要求1所述的跳频通信单通道盲分离中接收信号频率碰撞检测方法，其特征在于，基于所述时频域时间累积函数波峰个数最大值CR_c，估计单通道中的源信号的个数n为CR_c的二分之一。

7.根据权利要求1～3之一所述的跳频通信单通道盲分离中接收信号频率碰撞检测方法，其特征在于，所述时频域时间累积函数的表达式为：

$G\left(f\right)=\underset{t=1}{\overset{T_d}{\&Sigma;}}\left|X\left(\right(i-1)T_d+t,f)\right|$

其中，|X((i-1)T_d+t,f)|表示求所述时频分布函数的模值。