CN101404546B - 基于信号矩特征的频谱占用度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信号矩特征的频谱占用度测量方法，利用信号的信道占用度p与两个信号矩特征信号相对均值μ_R、信号的相对方差

之间的关系进行。在测量周期内对指定频段的频谱信号进行连续扫描采样；按照时间序列迭代计算每一信道信号的均值μ和方差σ²；得到频谱中每一信道背景噪声的均值μN和方差；得到每一信道信号的频谱占用度p。本发明克服了现有技术需要凭经验设置门限，只能测量信号的信噪比大于15dB的信号，数据存贮大量，离线计算的不足，提供了一种受信号的信噪比、信号本身的大小、背景噪声的影响小，不需要手动设置门限值，实现了在线快速计算，存储量小，自动计算频谱占用度的方法，可广泛应用在无线电监测、共享频谱接入等领域上。

Description

基于信号矩特征的频谱占用度测量方法

技术领域

本发明涉及无线电频谱使用情况的测量方法，具体涉及无线电的频谱占用度测量方法

背景技术

无线电频谱资源是不可再生的重要资源，因此需要有效的利用频谱。频谱占用度是无线电频谱有效利用的体现，频谱占用度的测量结果不仅可以为无线电频谱管理人员提供有关频谱实际使用情况的信息，方便无线电频谱管理人员指配频率，同时还可以为频率主管部门提供频谱使用趋势的信息。目前无线电监测行业，对无线电信号频谱占用度的测量普遍采用国际电信联盟(ITU)推荐的占用度测量方法。它通过设置门限来测量信号的占用情况。

占用度是指在一段时间内有发射信号的时间比例。在国际电信联盟(ITU)的相关文件中，涉及占用度的建议有ITU-R建议SM.1536(信道占用度)和ITU-R建议SM.182-4(频谱占用度的自动监测)。根据ITU-R建议SM.1536的定义，连续测量某一个信道一段时间，把信道内信号的场强超过一定的门限定义为占用，最后把占用的时间百分比算出来称为占用度。占用度测量原理的数学表达式为：

P＝(T₁/T)×100％

其中，

P：信道占用度测试数值；

T1：监测信号超过门限电平值的时间。

T：总的监测时间。

实际监测过程中，采用抽样原理对占用度进行估计。设定门限，信号超过门限进行计算。由于信号和背景噪声叠加在一起，使用门限测量占用度时，占用度测量的准确性完全依赖于门限的选择。而合理的设置门限是一项非常困难的工作，门限设置过高容易“丢失”信号，门限设置太低则容易引入背景噪声从而带来测量误差。

另外这种占用度测量方法还只能测量信号的信噪比大于15dB的信号。这是由于背景噪声和信号的瞬时变化，信号的信噪比较小时，信号和噪声将产生重叠。信噪比越低，信号和噪声重叠程度越大，甚至信号完全淹没在背景噪声中。当信号的信噪比SNR小于15dB时，不能通过门限值来测量频谱占用度。

最后频谱占用度测量方法需要存贮大量的数据，再进行离线计算分析。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种不需要设置门限，实现频谱占用度的自动监测。

一种基于信号矩特征的频谱占用度测量方法，利用信号的信道占用度p与两个信号矩特征信号相对均值μ_R、信号的相对方差

之间的关系按照如下步骤进行：

${\mathrm{\μ}}_R=\frac{{\mathrm{\μ}-\mathrm{\μ}}_N}{S}$

${\mathrm{\σ}}_R^2=\frac{{\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}_N^2}{S^2}$

μ为信号的均值，σ²是信号的方差；

μ_N为背景噪声的均值，

为背景噪声方差；

S为信号相对于背景噪声之上的强度；

①在测量周期内对指定频段的频谱信号进行连续扫描采样，X为某一信道采样的信号电平值；

②在测量周期内按照时间序列迭代计算每一信道信号的均值μ和方差σ²，迭代公式：

${\mathrm{\μ}}_{n+1}=\frac{n}{n+1}{\mathrm{\μ}}_n+\frac{X}{n+1}$

${\mathrm{\σ}}_{n+1}^2=\frac{n}{n+1}({\mathrm{\μ}}_n^2+{\mathrm{\σ}}_n^2)-{\mathrm{\μ}}_{n+1}^2+\frac{X^2}{n+1};$

③根据信号的均值μ和方差σ²，利用平滑滤波阈值限定法来提取被测频段的背景噪声，以及利用提取的背景噪声使用平滑滤波方法得到频谱中每一信道背景噪声的均值μ_N和方差

④每一信道信号的频谱占用度p为：

$p=\frac{{(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_N)}^2}{{\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}_N^2+{(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_N)}^2}.$

更进一步的技术方案是平滑滤波阈值限定法来提取被测频段的背景噪声方法是：先判断平滑窗中每一信道的均值μ和方差σ²”是否在预定阈值之内，是则认为此纹理段均为背景噪声，否则标记为信号段；最后，采用平滑滤波方法计算出信号段的背景噪声纹理。

更进一步的技术方案是利用所述的每一信道信号的均值μ和方差σ²，背景噪声的均值μ_N和方差

可以得到每一信道对应相对信号强度S：

$S=\frac{{\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}_N^2+{(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_N)}^2}{\mathrm{\μ}{-\mathrm{\μ}}_N}.$

更进一步的技术方案是每一测量周期的采样次数≥60次。

更进一步的技术方案是每一测量周期的采样次数为100次。

更进一步的技术方案是每一测量周期的时间为3到15分钟。

更进一步的技术方案是每一测量周期的时间为5分钟。

与现有技术相比，本发明的有益效果受信号的信噪比、信号本身的大小、背景噪声的影响小，不需要手动设置门限值，实现了在线快速计算，存储量小，自动计算频谱占用度。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2试验得到的信号信道占用度与信号相对均值μ_R关系曲线图；

图3试验得到的信号信道占用度与信号对方差

关系曲线图；

图4为本发明实施例中72小时的频谱占用度测量图；

图5为本发明实施例中72小时的频谱信号电平图；

图6本发明实施例中91.4MHz 72小时分时段占用度图；

图7本发明实施例中91.4MHz 72小时电平分布图；

图8本发明仿真中信噪比为10dB时的频谱占用度误差曲线图；

图9本发明仿真中信噪比为0dB时的频谱占用度误差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在实验中发现，信号的信道占用度与信号的两个信号矩特征信号相对均值μ_R、信号的相对方差

其固有的关系与信号大小、背景噪声大小以及信噪比无关。针对不同大小、不同信噪比的信号进行实验得到信号信道占用度P与信号相对均值μ_R关系曲线图2，其中横坐标为信号占有度P的百分比，纵坐标为信号相对均值μ_R；得到信号信道占用度与信号方差

关系曲线如图3，其中横坐标为信号占有度P的百分比，纵坐标为相对方差

在这样的前提下：

A.假设背景噪声服从正态分布。

在工程中，实际系统中产生的主要噪声来源是热噪声，而热噪声是典型的高斯白噪声，服从正态分布。

B.信号和噪声满足叠加性原理。

C.在监测时间段内，如果出现信号，则信号强度基本是稳定的。

从理论上也可以

可以通过数学推导得到

${\mathrm{\μ}}_R=\frac{\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_N}{S}=p$

${\mathrm{\σ}}_R^2=\frac{{\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}_N^2}{S^2}=p-p^2$

其中：p为信道占用度，取值范围为0％到100％。

推断出信号相对均值μ_R、信号的相对方差

是信号矩特征。

实施例

利用R&S公司的ESMB监测接收机、接收天线和计算机等硬件设备。接收机参数设置：数字扫描模式(DSCAN)；扫描速度NORMAL；工作频率88-108MHz；扫描步长15kHz；监测时间为72个小时，采用分段统计的方法，采样间隔为5分钟。如附图1所示进行测量。

首先，对接收机采集到的信道数据进行在线迭代计算信号均值μ和方差σ²：

${\mathrm{\μ}}_{n+1}=\frac{n}{n+1}{\mathrm{\μ}}_n+\frac{X}{n+1}$

${\mathrm{\σ}}_{n+1}^2=\frac{n}{n+1}({\mathrm{\μ}}_n^2+{\mathrm{\σ}}_n^2)-{\mathrm{\μ}}_{n+1}^2+\frac{X^2}{n+1}$

然后实时提取背景噪声，计算噪声的均值μ_N和方差

最后，计算占用度p和信号强度S

$p=\frac{{(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_N)}^2}{{\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}_N^2+{(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_N)}^2}$

$S=\frac{{\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}_N^2+{(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_N)}^2}{\mathrm{\μ}{-\mathrm{\μ}}_N}$

得到72小时的频谱占用度测量结果如图4所示，其中横坐标为频率；纵坐标为占用度。

得到72小时的频谱信号电平值测量结果如图5所示，其中横坐标为频率；纵坐标为信号电平值。

得到91.4MHz上72小时的信道占用度测量结果如图6所示，其中横坐标为时间；纵坐标为占用度。

得到信号电平值测量结果如图7所示，其中横坐标为时间；纵坐标为信号电平值。

对本发明的方法行了大量的仿真和实验。统计得到信噪比为10dB时的频谱占用度误差曲线图如图8所示，其中频谱占用度的绝对误差值在1％(占用度以百分比表示)以内。随着信号的信噪比减小，频谱占用度的绝对误差会增加。

统计得到信噪比为0dB时的频谱占用度误差曲线图如图9所示，其中频谱占用度的绝对误差值在5％(占用度以百分比表示)以内。

注：本发明中所涉及到的信噪比，都是采用公式：SNR≈20×1g(S/σ_N)来近似估算的，即信号的强度与噪声的方差之比。

Claims (6)

1.一种基于信号矩特征的频谱占用度测量方法，按照如下步骤进行：

①在测量周期内对指定频段的频谱信号进行连续扫描采样，X为某一信道采样的信号电平值；

②在测量周期内按照时间序列迭代计算每一信道信号的均值μ和方差σ²，迭代公式：

${\mathrm{\μ}}_{n+1}=\frac{n}{n+1}{\mathrm{\μ}}_n+\frac{X}{n+1}$

${\mathrm{\σ}}_{n+1}^2=\frac{n}{n+1}({\mathrm{\μ}}_n^2+{\mathrm{\σ}}_n^2)-{\mathrm{\μ}}_{n+1}^2+\frac{X^2}{n+1};$

③根据信号的均值μ和方差σ²，利用平滑滤波阈值限定法来提取被测频段的背景噪声，以及利用提取的背景噪声使用平滑滤波方法得到频谱中每一信道背景噪声的均值μ_N和方差平滑滤波阈值限定法来提取被测频段的背景噪声方法是：先判断平滑窗中每一信道信号的均值μ和方差σ²是否在预定阈值之内，是则认为均为背景噪声，否则标记为信号段；

④每一信道信号的频谱占用度p为：

$p=\frac{{(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_N)}^2}{{\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}_N^2+{(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_N)}^2}.$

2.根据权利要求1所述的基于信号矩特征的频谱占用度测量方法，其特征在于利用所述的每一信道信号的均值μ和方差σ²，背景噪声的均值μ_N和方差

可以得到每一信道对应相对信号强度S：

$S=\frac{{\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}_N^2+{(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_N)}^2}{\mathrm{\μ}{-\mathrm{\μ}}_N}$

3.根据权利要求1至权利要求2任一权利要求所述的基于信号矩特征的频谱占用度测量方法，其特征在于所述的每一测量周期的采样次数≥60次。

4.根据权利要求3所述的基于信号矩特征的频谱占用度测量方法，其特征在于所述的每一测量周期的采样次数为100次。

5.根据权利要求1至权利要求3任一权利要求所述的基于信号矩特征的频谱占用度测量方法，其特征在于所述的每一测量周期的时间为3到15分钟。

6.根据权利要求5所述的基于信号矩特征的频谱占用度测量方法，其特征在于所述的每一测量周期的时间为5分钟。

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