CN101854219A - 基于随机共振的能量检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种信号检测技术领域的基于随机共振的能量检测装置及其检测方法，装置包括：采样器、平方律器件、两个累加器、随机共振系统和门限比较器；方法包括以下步骤：对接收信号进行采样；将采样序列信号通过平方律器件，得到检测频带内信号功率的估计序列；将信号功率的估计序列划分成长度为M的序列块；得到接收信号的能量序列；将接收信号的能量序列输入到一个随机共振系统中，得到一个输出序列，并将该输出序列进行累加，得到新的能量统计量；当新的能量统计量大于门限时判定检测信号存在；否则，判定没有信号存在。本发明能将高频的通信信号转化为适用于随机共振系统工作的低频信号，检测准确率高，运算复杂度低，鲁棒性好，实用性和可行性强。

Description

基于随机共振的能量检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种信号检测技术领域的装置及其方法，具体是一种基于随机共振的能量检测装置及其检测方法。

背景技术

信号检测是无线通信系统与信号处理系统设计与应用的基础，例如雷达对目标的检测，数字通信中信号的解调以及认知无线电中的频谱感知等等都依赖于信号检测技术的检测性能。

能量检测法是信号检测技术中的重要方法之一，是由H.Urkowitz在文献“Energydetection of unknown deterministic signals(未知的决定性信号的能量检测)”(Proceedingsof the IEEE，vol.55，no.4，pp.523-531，April 1967)中提出。它的检测原理是根据带有零均值噪声被检测信号的能量大于只有零均值噪声的信号的能量，以一定频段上一定时间段内的信号能量作为判决依据来判断信号是否存在。现有的能量检测装置如图1所示，包括：采样器、平方律器件、累加器和门限比较器，相应的能量检测方法主要包含以下几个步骤：

a、对接收信号进行采样，获得所要检测信号的采样序列{x(1)，x(2)，…，x(N)}，其中N是采样序列的长度；

b、将采样序列信号通过平方律器件，得到检测频带内信号功率的估计{x²(1)，x²(2)，…，x²(N)}；

c、将x²(t)，(t＝1，2，…，N)进行累加，得到一定观测时间内检测频段内的信号能量 $T_x=\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(t\right);$

d、根据系统要求的恒虚警概率值P_FA，求得能量检测的判决门限，

其中：γ是能量检测的判决门限，

是噪声方差，Q^-1(·)是高斯分布的互补累积分布函数的逆函数；

e、将信号能量T_x与判决门限γ进行比较，若信号能量值高于门限则表示有信号存在，否则表示没有信号存在。

能量检测的计算复杂度较低、基本不需要主用户信号的先验知识和易于实现等优点使其成为信号检测技术中应用最广泛的方法。但是现有的能量检测方法存在噪声墙问题，即当信噪比低于特定值时，能量检测将无法有效检测。因此，低信噪比下检测性能的不足成为制约能量检测实用性的一个重要原因。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于随机共振的能量检测装置及其检测方法。本发明使用随机共振系统使输入信号的信噪比产生增益，能够在纽曼皮尔逊准则下有效提高检测概率，降低能量检测的噪声墙，而且具有与传统能量检测方法相当的计算复杂度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及的基于随机共振的能量检测装置，包括：采样器、平方律器件、两个累加器、随机共振系统和门限比较器，其中：采样器与平方律器件相连传输采样序列信息，平方律器件与第一累加器相连传输检测频带内信号功率的估计序列信息，第一累加器与随机共振系统相连传输接收信号的能量序列信息，随机共振系统与第二累加器相连传输共振后的信号序列信息，第二累加器与门限比较器相连传输新的能量统计量信息，门限比较器输出检测结果信息。

本发明涉及的上述基于随机共振系统的能量检测装置的检测方法，包括以下步骤：

第一步，对接收信号进行采样，获得所要检测信号的采样序列{x(1)，x(2)，…，x(N)}，其中：N是采样序列的长度。

第二步，将采样序列信号通过平方律器件，得到检测频带内信号功率的估计序列{x²(1)，x²(2)，…，x²(N)}

第三步，将信号功率的估计序列{x²(1)，x²(2)，…，x²(N)}划分成长度为M的序列块{x²(1)，x²(2)，…，x²(M)}，…，{x²(N-M+1)，x²(N-M+2)，…，x²(N)}，其中：N是M的整数倍数。

第四步，得到每个序列块的能量，从而得到接收信号的能量序列。

所述的序列块的能量，是：

$T_{\mathrm{xi}}=\underset{t=(i-1)M+1}{\overset{\mathrm{iM}}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(t\right),$

其中：i＝1，2，…，N/M，T_xi是第i个序列块的能量。

第五步，将接收信号的能量序列输入到一个随机共振系统中，得到一个输出序列{y(1)，y(2)，…，y(N/M)}，并将该输出序列进行累加，得到新的能量统计量T_y。

第六步，当新的能量统计量T_y大于或者等于门限γ_y时，判定检测信号存在；否则，判定没有信号存在。

所述的门限γ_y，是：

${\mathrm{\γ}}_y=\frac{\mathrm{N\γ}}{\sqrt{2M}}\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{SR}}}{{\mathrm{\σ}}_n^2}-\frac{N}{\sqrt{2M}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{SR}}+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{SR}},$

其中： $\mathrm{\γ}={\mathrm{\σ}}_n^2\·Q_{{\mathrm{\χ}}_M^2}^{-1}\left(P_{\mathrm{FA}}\right),$

为接收信号r(t)中包含的加性高斯白噪声的方差，P_FA为设定的恒虚警概率，μ_SR和σ_SR分别是随机共振系统输出的均值和标准差，

是自由度为M的卡方分布的互补累积分布函数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：运算复杂度低，本发明的运算复杂度与传统的能量检测方法相当，应用随机共振的检测技术提高频信号检测能，鲁棒性好，不易受环境影响，而且能够提高检测概率，具有较好的可行性和实用性。

附图说明

图1为现有技术能量检测装置的组成连接示意图；

图2是本发明能量检测装置的组成连接示意图；

图3是分别采用现有技术和实施例技术得到的检测性能曲线图；

图4是分别采用现有技术和实施例技术得到的R0C(观察者操作特性)性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例检测BPSK信号，载波频率为106Hz，时域信号采用余弦表示形式，信号相位

信道中的加性噪声为零均值的高斯白噪声。

如图2所示，本实施例涉及的基于随机共振的能量检测装置，包括：采样器、平方律器件、两个累加器、随机共振系统和门限比较器，其中：采样器与平方律器件相连传输采样序列信息，平方律器件与第一累加器相连传输检测频带内信号功率的估计序列信息，第一累加器与随机共振系统相连传输接收信号的能量序列信息，随机共振系统与第二累加器相连传输共振后的信号序列信息，第二累加器与门限比较器相连传输新的能量统计量信息，门限比较器输出检测结果信息。

本实施例中的随机共振系统是双稳态随机共振系统。

本实施例涉及的上述基于随机共振系统的能量检测装置的检测方法，包括以下步骤：

第一步，对接收信号r(t)进行采样，获得所要检测信号的采样序列{x(1)，x(2)，…，x(N)}。

其中，r(t)＝A·cosωt+n(t)，A为接收信号r(t)的振幅，ω为接收的BPSK信号的载波角频率，n(t)为均值为零，方差为

的加性噪声。

本实施例中A＝1，ω＝2π×10⁶rad/s。

第二步，将采样序列信号{x(1)，x(2)，…，x(N)}通过平方律器件，得到检测频带内信号功率的估计{x²(1)，x²(2)，…，x²(N)}。

第三步，将信号功率的估计序列分成长度为M 的序列块{x²(1)，x²(2)，…，x²(M)}{x²(M+1)，x²(M+2)，…，x²(2M)}    ，...，{x²((N/M-1)M+1)，x²((N/M-1)M+2)，…，x²(N)}

第四步，得到每一个序列块的能量

i＝1，2，…，N/M，从而得到接收信号的能量序列。

所述的序列块的能量，是：

$T_{\mathrm{xi}}=\underset{t=(i-1)M+1}{\overset{\mathrm{iM}}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(t\right),$

其中：i＝1，2，…，N/M，T_xi是第i个序列块的能量。

第五步，将接收信号的能量序列输入到一个随机共振系统中，得到一个输出序列{y(1)，y(2)，…，y(N/M)}，并将该输出序列进行累加，得到新的能量统计量T_y。

本实施例所采用的随机共振系统为双稳态随机共振系统，具体系统方程可描述为：

$\frac{x(t+\mathrm{\Δt})-x\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}=2x\left(t\right)-x^3\left(t\right)+0.3\·r\left(t\right)+n_{\mathrm{SR}}\left(t\right),$

其中，x(t)为系统的状态变量，Δt为系统的时间采样间隔，n_SR(t)是加入双稳态随机共振系统的共振噪声。

本实施例中Δt＝0.005秒。

所述的新的能量统计量T_y具体是：

$T_y=\underset{t=1}{\overset{N/M}{\mathrm{\Σ}}}y\left(t\right).$

第六步，当新的能量统计量T_y大于或者等于门限γ_y时，判定检测信号存在；否则，判定没有信号存在。

所述的门限γ_y，是：

${\mathrm{\γ}}_y=\frac{\mathrm{N\γ}}{\sqrt{2M}}\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{SR}}}{{\mathrm{\σ}}_n^2}-\frac{N}{\sqrt{2M}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{SR}}+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{SR}},$

其中： $\mathrm{\γ}={\mathrm{\σ}}_n^2\·Q_{{\mathrm{\χ}}_M^2}^{-1}\left(P_{\mathrm{FA}}\right),$

为接收信号r(t)中包含的加性高斯白噪声的方差，P_FA为设定的恒虚警概率，μ_SR和σ_SR分别是随机共振系统输出的均值和标准差，

是自由度为M的卡方分布的互补累积分布函数。

在恒虚警概率为P_FA＝0.01的条件下，分别采用传统的能量检测技术和本实施例技术得到的检测性能曲线图如图3所示，由该图可见：在相同的恒虚警概率下本实施例能够获得比传统能量检测方法更高的检测概率。

在信噪比为-20dB条件下，分别采用传统的能量检测技术和本实施例技术得到的ROC性能曲线图如图4所示，由该图可见：在相同的信噪比条件下本实施例拥有比传统能量检测法更好的ROC性能曲线。

同时，由于本实施例技术的计算复杂度和传统能量检测技术的计算复杂度在同一个数量级范围内，因此，本实施例技术对低信噪比下的高频信号具有很好的检测性能，能够有效地解决无线通信系统和信号处理系统中的相关问题。

Claims (6)

1.一种基于随机共振的能量检测装置，包括：采样器、平方律器件、第一累加器和门限比较器，其特征在于，还包括：第二累加器和随机共振系统，其中：采样器与平方律器件相连传输采样序列信息，平方律器件与第一累加器相连传输检测频带内信号功率的估计序列信息，第一累加器与随机共振系统相连传输接收信号的能量序列信息，随机共振系统与第二累加器相连传输共振后的信号序列信息，第二累加器与门限比较器相连传输新的能量统计量信息，门限比较器输出检测结果信息。

2.根据权利要求1所述的基于随机共振的能量检测装置，其特征是，所述的随机共振系统是双稳态随机共振系统。

3.一种根据权利要求1所述的基于随机共振的能量检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，对接收信号进行采样，获得所要检测信号的采样序列{x(1)，x(2)，…，x(N)}，其中：N是采样序列的长度；

第二步，将采样序列信号通过平方律器件，得到检测频带内信号功率的估计序列{x²(1)，x²(2)，…，x²(N)}；

第三步，将信号功率的估计序列{x²(1)，x²(2)，…，x²(N)}划分成长度为M的序列块{x²(1)，x²(2)，…，x²(M)}，…，{x²(N-M+1)，x²(N-M+2)，…，x²(N)}，其中：N是M的整数倍数；

第四步，得到每个序列块的能量，从而得到接收信号的能量序列；

第五步，将接收信号的能量序列输入到一个随机共振系统中，得到一个输出序列{y(1)，y(2)，…，y(N/M)}，并将该输出序列进行累加，得到新的能量统计量T_y；

第六步，当新的能量统计量T_y大于或者等于门限γ_y时，判定检测信号存在；否则，判定没有信号存在。

4.根据权利要求3所述的基于随机共振的能量检测方法，其特征是，第四步中所述的序列块的能量，是：

$T_{\mathrm{xi}}=\underset{t=(i-1)M+1}{\overset{\mathrm{iM}}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(t\right),$

其中：i＝1，2，…，N/M，T_xi是第i个序列块的能量。

5.根据权利要求3所述的基于随机共振的能量检测方法，其特征是，第六步中所述的门限γ_y，是：

${\mathrm{\γ}}_y=\frac{\mathrm{N\γ}}{\sqrt{2M}}\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{SR}}}{{\mathrm{\σ}}_n^2}-\frac{N}{\sqrt{2M}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{SR}}+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{SR}},$

其中： $\mathrm{\γ}={\mathrm{\σ}}_n^2\·Q_{{\mathrm{\χ}}_M^2}^{-1}\left(P_{\mathrm{FA}}\right),$

为接收信号r(t)中包含的加性高斯白噪声的方差，P_FA为设定的恒虚警概率，μ_SR和σ_SR分别是随机共振系统输出的均值和标准差，

是自由度为M的卡方分布的互补累积分布函数。

6.根据权利要求3所述的基于随机共振的能量检测方法，其特征是，第五步中所述的随机共振系统为双稳态随机共振系统，系统方程为：

$\frac{x(t+\mathrm{\Δt})-x\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}=2x\left(t\right)-x^3\left(t\right)+0.3\·r\left(t\right)+n_{\mathrm{SR}}\left(t\right),$

其中：x(t)为系统的状态变量，Δt为系统的时间采样间隔，n_SR(t)是加入双稳态随机共振系统的共振噪声，r(t)是接收信号。

Images