CN116055271A - 一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，具体公开了一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，本方法按照特定的波形结构(前导序列字段、全0导频序列字段、信息承载字段三字段波形按顺序拼接而成)调制突发信号的发送波形，在收端对信号做滑动平均和差分解调的方式，增大信号幅度从而提高判决变量值，判决变量最大值点输出脉冲信号即为突发信号起始界，较大的判决变量值能够在低信噪比环境下有效提高检测分辨率、降低漏检率，解决无线信道恶劣环境下的高效检测问题；***预设阈值，能够进一步提高判决结果的有效性和灵敏度。

Description

一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法。
背景技术
突发信号检测技术广泛应用于作战指挥、敏感区域通信等特殊领域内。上述领域内存在背景噪声复杂多变等特点，导致接收到的信号信噪比通常较低，必须采取对应的方式检测到信号，满足实际需求。由于接收机接收到的信号为突发信号，即信号在通信过程中信道参数随时间呈现出相对剧烈的变化，但在短时间内信道参数恒定，因此接收端需对接收信号的起点进行检测，即突发信号检测。
实际无线通信***面对突发信号检测时首要解决的问题是：在无线信道恶劣环境下，接收端如何精确有效地检测到突发信号，并定位信号起始界。
现有突发信号检测方法常用能量检测方法[1]、匹配滤波器检测算法、循环平滑特性检测算法等，基于接收信号能量的突发信号检测一般采用滑动窗口法[2]，双滑动窗口法[3]能有效解决通信***内出现同频干扰的波动时，判决变量剧烈变化的问题；信号同步通常有信号自同步法和基于前导序列与接收信号互相关检测法[4]，利用前导码特征能大幅度增加判决变量幅度，提高信号检测精确度，但在低信噪比环境下，仅利用前导码特征提升判决变量幅度十分有限。
在合作通信过程中，信号波形一般采用相同调制方式，带来了接收端有效数据与其他数据生成波形间起始位置模糊问题。
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发明内容
本发明提供一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，解决的技术问题在于：如何在无线信道恶劣环境下提高突发信号检测分辨率与灵敏度，并克服接收端有效数据和其他数据生成波形间起始位置模糊问题，以及如何有效提升依靠判决变量输出检测脉冲的可靠性。
为解决以上技术问题，本发明提供一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，包括步骤：
S1、根据特定波形结构与预设过采样倍数值生成调制后数据信号；
特定波形结构由前导序列字段、全0导频序列字段、信息承载字段三字段波形按顺序拼接而成；前导序列字段由相关性强且长度已知的伪随机序列构成；信息承载字段由通信***有效数据构成；
S2、发送端基于调制后数据信号按照预设波形结构的顺序组帧生成发送数据信号，并经过发送端滤波器后向接收端发送发送数据信号；
S3、接收端接收发送数据信号，经过接收端滤波器后根据预设过采样倍数值定义滑动平均项数，对发送数据信号做滑动平均得到滑动均值后信号；
S4、利用差分解调方法对滑动均值后信号做解调，恢复发送数据信号；
S5、定义双滑动窗口总长度为2L，并均分为长度相同且为L的前滑动窗口和后滑动窗口；
S6、计算前滑动窗口和后滑动窗口内相关信号的能量值之和，分别记为An和Bn；
S7、计算比值Bn/An，得到判决变量值Pn＝Bn/An；
S8、设定阈值δ，并比较判决变量值Pn是否为最大值且该最大值大于等于阈值δ，若是则进入步骤S9，若否则返回至步骤S6重新计算和判决；
S9、突发信号检测脉冲输出，得到信号起始界，脉冲输出为检测到突发信号起始界位置时，***输出脉冲并输出该脉冲在步骤S3中滑动均值后信号中的位置。
进一步地，在步骤S1中，生成调制后数据信号具体为：
根据预设过采样倍数值对前导序列字段进行过采样得到前导序列过采样信号，并采用MSK调制方式对前导序列过采样信号进行调制得到MSK调制信号；
预设全0导频序列字段的序列长度并按预设过采样倍数值得到全0导频序列过采样信号，并采用BPSK调制方式对全0导频序列过采样信号进行调制得到BPSK调制信号；
根据预设过采样倍数值对信息承载字段进行过采样得到信息承载，采用QPSK调制方式对信号进行调制得到QPSK调制信号；
从而生成由MSK调制信号、BPSK调制信号和QPSK调制信号组成的调制后数据信号。
进一步地，在步骤S3中，对发送数据信号做滑动平均采用的公式为：
Figure BDA0004062202380000031
其中，
Figure BDA0004062202380000032
是滑动平均后得到的所述滑动均值后信号，nSam是所述预设过采样倍数值，rn-nSam,rn-nSam-m,rn分别是位于第n-nSam、n-nSam-m、n长度上的接收端接收信号，接收信号序列总长度为N-1，N是经过接收端滤波器后接收端接收到的前导序列字段长度。
进一步地，发送端滤波器均采用滚降系数为0.35的平方根升余弦滚降滤波器，滤波器参数随通信***实际需求做相应改变；接收端滤波器采用与发送端滤波器相匹配的成型滤波器。
进一步地，在步骤S6中，计算An、Bn的公式分别为：
Figure BDA0004062202380000041
其中，
Figure BDA0004062202380000042
表示接收端经过滑动平均后接收信号通过所述前滑动窗口的信号序列，
Figure BDA0004062202380000043
表示接收端经过滑动平均后接收信号通过所述后滑动窗口的信号序列，
Figure BDA0004062202380000044
是
Figure BDA0004062202380000045
的共轭表示，
Figure BDA0004062202380000046
是
Figure BDA0004062202380000047
的共轭表示。
进一步地，在步骤S1中，前导序列字段、全0导频序列字段、信息承载字段三字段波形在硬件中均被分为I、Q两路正交信号。
进一步地，全0导频序列字段的长度小于前导序列字段的长度。
进一步地，前导序列字段的长度为64bit，全0导频序列字段的长度为16bit，信息承载字段的长度为128bit。
进一步地，在所述步骤S3中，做滑动平均的信号序列长度取值范围为
Figure BDA0004062202380000048
进一步地，所述预设过采样倍数值为4。
本发明提供的一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，生成特定波形结构的方式，把前导码与有效数据利用不同调制方式生成的波形区分开，解决接收端有效数据和其他数据生成波形间起始位置模糊问题；充分利用前导码特征与滑动平均方法特点，增大判决变量在低信噪比环境下的值，提高通信***检测到信号输出脉冲的可靠性；同时利用双滑动窗口消除***未检测到突发信号时噪声能量不可知造成判决变量剧烈变化的危害，减少***虚警和漏警概率，提升通信***面对无线信道恶劣环境下检测突发信号的分辨率和灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的特定波形结构示意图；
图3是本发明实施例提供的双滑动窗口结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
为了在无线信道恶劣环境下提高突发信号检测分辨率与灵敏度，并克服接收端有效数据和其他数据生成波形间起始位置模糊问题，以及为了有效提升依靠判决变量输出检测脉冲的可靠性，本发明实施例提供一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，其流程图如图1所示，包括步骤：
S1、根据特定波形结构与预设过采样倍数值生成调制后数据信号；
如图2所示，特定波形结构由前导序列字段、全0导频序列字段、信息承载字段三字段波形按顺序拼接而成；前导序列字段由相关性强且长度已知的伪随机序列构成；信息承载字段由通信***有效数据构成。
生成调制后数据信号具体为：
根据预设过采样倍数值对前导序列字段进行过采样得到前导序列过采样信号，并采用MSK调制方式对前导序列过采样信号进行调制得到MSK调制信号；
预设全0导频序列字段的序列长度并按预设过采样倍数值得到全0导频序列过采样信号，并采用BPSK调制方式对全0导频序列过采样信号进行调制得到BPSK调制信号；
根据预设过采样倍数值对信息承载字段进行过采样得到信息承载，采用QPSK调制方式对信号进行调制得到QPSK调制信号；
从而生成由MSK调制信号、BPSK调制信号和QPSK调制信号组成的调制后数据信号。
本例优选前导序列字段的长度为64bit，全0导频序列字段的长度为16bit，信息承载字段的长度为128bit。
上述调制之后的三段波形由前到后依次组帧为MSK调制波形、BPSK调制波形、QPSK调制波形，由于在实际硬件中所有均为I、Q两路正交的信号，在仿真时采用I+jQ形式传输信号，其中j为虚数单位。
一般地，步骤S1中特定波形结构前后顺序不能改变，调制方式不可改变。
一般地，步骤S1中第二字段全0导频序列长度小于第一字段前导序列长度。
一般地，步骤S1中所规定三字段传输数据长度和过采样倍数应随通信环境或***要求做相应改变。
该步骤S1通过生成特定波形结构的方式，把前导码与有效数据利用不同调制方式生成的波形区分开，解决接收端有效数据和其他数据生成波形间起始位置模糊问题。
S2、发送端基于调制后数据信号按照预设波形结构的顺序组帧生成发送数据信号，并经过发送端滤波器后向接收端发送发送数据信号。
发送端滤波器采用滚降系数为0.35的平方根升余弦滚降滤波器，采用该滤波器是为第三字段采用QPSK调制方式生成的信号的成型滤波，消除码间干扰以及平滑波形。
一般地，对应不同通信环境可对滤波器参数做相应改变。
S3、接收端接收发送数据信号，经过接收端滤波器后根据预设过采样倍数值定义滑动平均项数，对发送数据信号做滑动平均得到滑动均值后信号。
接收端滤波器采用与发送端相匹配的成型滤波器，滤波后直接对接收的发送数据信号做滑动平均，滑动平均项数由***过采样倍数决定(本例优选项数为4)，利用滑动平均方法对发送数据信号做平均的公式为：
Figure BDA0004062202380000061
其中，其中，
Figure BDA0004062202380000062
是滑动平均后得到的滑动均值后信号，nSam是预设过采样倍数值(本例优选nSam为4)，rn-nSam,rn-nSam-m,rn分别是位于第n-nSam、n-nSam-m、n长度上的接收端接收信号，接收信号序列总长度为N-1，N是经过接收端滤波器后接收端接收到的前导序列字段长度。
一般地，步骤S3中，接收信号序列总长度为N，则前导序列长度小于N/2，则做滑动平均的信号序列长度取值范围为
Figure BDA0004062202380000071
(本例优选滑动平均信号序列长度为(64+16)*4＝320bit)。
S4、利用差分解调方法对滑动均值后信号做解调，恢复发送数据信号。
步骤S4中，对滑动平均后的信号做差分解调，MSK调制生成的波形信号拥有连续相位的特征，为提高数据有效性，解调时信号起始位为过采样倍数后的第一位(本例优选起始位置为5)，与信号自身做共轭，进行差分解调，得到解调信号，恢复发送数据信号。
一般地，步骤S4中解调起始数据为与预设过采样倍数值相关。
S5、定义双滑动窗口总长度为2L，并均分为长度相同且为L的前滑动窗口和后滑动窗口。
如图3所示，双滑动窗口总长度为2L(本例优选L为40bit，保证每次进入窗口的信号大于信号中间隔为0的长度)；前、后滑动窗口长度分别为L，前滑动窗口长度为1到L，后滑动窗口长度为L+1到2L。
一般地，步骤S5中，滑动窗口长度L随通信***传输速率做相应改变。
S6、计算前滑动窗口和后滑动窗口内相关信号的能量值之和，分别记为An和Bn。这里，An和Bn的计算公式为：
Figure BDA0004062202380000072
Figure BDA0004062202380000073
其中
Figure BDA0004062202380000074
是滑动平均后得到的所述滑动均值后信号，nSam是所述预设过采样倍数值，rn-nSam,rn-nSam-m,rn分别是位于第n-nSam、n-nSam-m、n长度上的接收端接收信号，接收信号序列总长度为N-1，N是经过接收端滤波器后接收端接收到的前导序列字段长度。
S7、计算比值Bn/An，得到判决变量值Pn＝Bn/An。
S8、设定阈值δ，并比较判决变量值Pn是否为最大值且该最大值大于等于阈值δ，若是则进入步骤S9，若否则返回至步骤S6重新计算和判决；具体判决关系为：
Figure BDA0004062202380000081
一般地，预设阈值δ根据通信***信道环境做相对应变化，若信道环境恶劣，则阈值δ做相应提高，若信道环境良好，为提高通信***检测灵敏度可适当减小阈值δ。
S9、突发信号检测脉冲输出得到信号起始界，脉冲输出为检测到突发信号起始界位置时，***输出脉冲并输出该脉冲在步骤S3中滑动均值后信号中的位置。
具体地，双滑动窗口计算判决变量值与最终是否输出检测脉冲信号流程如图3所示。
本发明通过上述步骤实现了利用滑动平均与双滑动窗口完成突发信号检测。
综上，本发明实施例提供的一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，按照特定的波形结构调制突发信号的发送波形，在接收端对信号做滑动平均和差分解调的方式，增大信号幅度从而提高判决变量值，判决变量最大值点输出脉冲信号即为突发信号起始界，较大的判决变量值能够在低信噪比环境下有效提高检测分辨率、降低漏检率，解决无线信道恶劣环境下的高效检测问题；其次设定阈值，能够进一步提高判决结果的有效性和灵敏度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，其特征在于，包括步骤：
S1、根据特定波形结构与预设过采样倍数值生成调制后数据信号；
所述特定波形结构由前导序列字段、全0导频序列字段、信息承载字段三字段波形按顺序拼接而成；所述前导序列字段由相关性强且长度已知的伪随机序列构成；所述信息承载字段由通信***有效数据构成；
S2、发送端基于所述调制后数据信号按照所述预设波形结构的顺序组帧生成发送数据信号，并经过发送端滤波器后向接收端发送所述发送数据信号；
S3、所述接收端接收所述发送数据信号，经过接收端滤波器后根据所述预设过采样倍数值定义滑动平均项数，对所述发送数据信号做滑动平均得到滑动均值后信号；
S4、利用差分解调方法对所述滑动均值后信号做解调，恢复所述发送数据信号；
S5、定义双滑动窗口总长度为2L，并均分为长度相同且为L的前滑动窗口和后滑动窗口；
S6、计算所述前滑动窗口和所述后滑动窗口内相关信号的能量值之和，分别记为An和Bn；
S7、计算比值Bn/An，得到判决变量值Pn＝Bn/An；
S8、设定阈值δ，并比较判决变量值Pn是否为最大值且该最大值大于等于阈值δ，若是则进入步骤S9，若否则返回至步骤S6重新计算和判决；
S9、突发信号检测脉冲输出，得到信号起始界，所述脉冲输出为检测到突发信号起始界位置时，***输出脉冲并输出该脉冲在所述步骤S3中所述滑动均值后信号中的位置。
2.根据权利要求1所述的一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，生成调制后数据信号具体为：
根据所述预设过采样倍数值对所述前导序列字段进行过采样得到前导序列过采样信号，并采用MSK调制方式对所述前导序列过采样信号进行调制得到MSK调制信号；
预设所述全0导频序列字段的序列长度并按所述预设过采样倍数值得到全0导频序列过采样信号，并采用BPSK调制方式对所述全0导频序列过采样信号进行调制得到BPSK调制信号；
根据所述预设过采样倍数值对所述信息承载字段进行过采样得到信息承载，采用QPSK调制方式对信号进行调制得到QPSK调制信号；
从而生成由所述MSK调制信号、所述BPSK调制信号和所述QPSK调制信号组成的所述调制后数据信号。
3.根据权利要求2所述的一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对所述发送数据信号做滑动平均采用的公式为：
Figure FDA0004062202370000021
其中，
Figure FDA0004062202370000022
是滑动平均后得到的所述滑动均值后信号，nSam是所述预设过采样倍数值，rn-nSam,rn-nSam-m,rn分别是位于第n-nSam、n-nSam-m、n长度上的接收端接收信号，接收信号序列总长度为N-1，N是经过接收端滤波器后接收端接收到的前导序列字段长度。
4.根据权利要求3所述的一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，其特征在于：所述发送端滤波器均采用滚降系数为0.35的平方根升余弦滚降滤波器，滤波器参数随通信***实际需求做相应改变；所述接收端滤波器采用与所述发送端滤波器相匹配的成型滤波器。
5.根据权利要求3所述的一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，其特征在于，在所述步骤S6中，计算An、Bn的公式分别为：
Figure FDA0004062202370000031
Figure FDA0004062202370000032
其中，
Figure FDA0004062202370000033
表示接收端经过滑动平均后接收信号通过所述前滑动窗口的信号序列，
Figure FDA0004062202370000034
表示接收端经过滑动平均后接收信号通过所述后滑动窗口的信号序列，
Figure FDA0004062202370000035
是
Figure FDA0004062202370000036
的共轭表示，
Figure FDA0004062202370000037
是
Figure FDA0004062202370000038
的共轭表示。
6.根据权利要求1所述的一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述前导序列字段、所述全0导频序列字段、所述信息承载字段三字段波形在硬件中均被分为I、Q两路正交信号。
7.根据权利要求3所述的一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，其特征在于：所述全0导频序列字段的长度小于所述前导序列字段的长度。
8.根据权利要求7所述的一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，其特征在于：所述前导序列字段的长度为64bit，所述全0导频序列字段的长度为16bit，所述信息承载字段的长度为128bit。
9.根据权利要求8所述的一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，其特征在于：在所述步骤S3中，做滑动平均的信号序列长度取值范围为
Figure FDA0004062202370000039
10.根据权利要求1所述的一种特定波形结构下双滑动窗口的突发信号检测方法，其特征在于：所述预设过采样倍数值为4。
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