CN107576848B - 一种基于频谱分析的模板设定与模板检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模板设定、模板检测的实现方法，它涉及了一种在频谱监测领域用于实现模板检测功能的方法。它由FPGA进行下变频转换和快速傅里叶变化生成频谱数据，对频谱数据进行平滑处理生成频谱模板基准值，判断频谱模板基准值的信号类型，根据不同信号类型采用不同方法生成上下频谱模板。对待识别信号进行预处理，将预处理后的待识别信号与上下频谱模板进行比较和匹配，超出上下频谱模板范围判定为异常信号，并给出告警信号，同时对告警时异常频谱进行存储。本发明具有能够实时分析、实时显示等特点，提取信号特征运算量小，实时处理快，检测精度高等优点。特别适合用于卫星通信领域对瞬时异常信号进行快速检测，便于查找和定位问题。

Description

一种基于频谱分析的模板设定与模板检测方法

技术领域

本发明属于频谱监测领域，具体涉及一种模板设定、模板检测的实现方法。

背景技术

频谱监测技术是用来监测和管理频段信息的主要手段。随着无线电的发展，频谱资源的利用也在不断增加，致使频谱资源的使用变得日益紧张。大量设备工作于相邻频段，易产生相互干扰，提升频谱资源的利用率，监测异常信号已经成为了面临的重大问题。

对异常信号的识别是频谱监测主要内容之一。常见的信号识别是对信号特征进行提取，利用模式识别的方式进行信号识别。现有的识别信号多为调制信号，没有考虑实际复杂的电磁环境对其信号的影响。且当前频谱监测中信号识别是对信号特征进行提取，提取其信号包络，根据信号特征与包络进行匹配，设置相关系数的计算，根据计算结果来对信号进行识别，识别过程繁琐，且计算量大，在嵌入式设备应用较难，降低了识别速度。

发明内容

针对以上不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于模板设定、频谱模板检测的功能实现方法。

本发明的目的是通过以下步骤来实现的：

步骤1：将模拟信号进行AD转换、下变频转换和快速傅立叶变换，形成频谱数据；

步骤2：将生成的频谱数据进行平均处理得到平均后的频谱数据，即为频谱数据的模板基准值为频谱数据的位置；

步骤3：对模板基准值进行极大值搜索，得到极大值所在位置j和极大值将极大值点周围(2m-4)个点的功率值与极大值进行比较并计算极大值周边(2m-4)个点的均值得到特征值；分别判断极大值与极大值点周围(2m-4)个点的功率值差值是否大于等于10且特征值是否大于设定阈值，若是则模板基准值为单载波信号，执行步骤4，否则模板基准值为宽带信号，执行步骤5；其中，m≥5且为整数；

步骤4：对极大值位置附近(j-m)点到(j+m)点位置的任一点k，选取(k-2)到(k+2)五个点的功率值进行极大值搜索，并将k点的功率值设为搜索到的极大值，生成新的上频谱模板基准值并对极大值位置附近(k-1)到(k+1)三个点的功率值进行极小值搜索，将k点的功率值设为搜索到的极小值，生成新的下频谱模板基准值设定上模板差值为a，下模板差值为b，则上频谱模板为下频谱模板为执行步骤6；其中，k为(j-m)点到(j+m)范围内任意一整数点；

步骤5：设定上模板差值为a，下模板差值为b，则上频谱模板为下频谱模板为

步骤6：根据预设带宽对待识别信号进行平滑处理，获得预处理的识别信号，对待识别信号和频谱模板的功率值逐点比对，如果待识别信号高于上频谱模板则给出功率超上限告警，如果待识别信号低于下频谱模板则给出功率超下限告警，并记录存储告警发生时的待识别信号。

其中，步骤3具体为：

对模板基准值进行极大值搜索，得到极大值的所在位置j和极大值将极大值点周围(j-m)、(j-(m-1))、…、(j-3)、(j+3)、…、(j+(m-1))、(j+m)即(2m-4)个点的功率值与极大值比较，并计算该(2m-4)个点均值并计算得到特征值；计算公式如下：

计算特征值θ

判断判断极大值与极大值点周围(2m-4)个点的功率值差值是否大于等于10，且特征值是否大于设定阈值，即

其中i∈[j-m,j-3]∪[j+3,j+m],i∈Z⁺，m≥5且为整数；

θ>θ₁ (2)

其中，θ₁为设定阈值；

当公式(1)(2)同时满足时，判定模板基准值为单载波信号，执行步骤4，否则为宽带信号，执行步骤5。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

1.本发明频谱模板设定方法较之常见方法，其提取信号特征运算量小，提取包络快，对其应用的硬件平台配置要求低，有利于低成本控制。

2.本发明对待测信号实时分析，实时识别速度快，能够快速识别异常偶发信号，识别率高，并且对异常信号能够及时存储，便于分析。

3.本发明制造的设备具有集成化程度高、结构简单、可靠性高、人机交互界面友好、使用方便等特点。

附图说明

图1是本发明的模板设定检测方法流程框图。

图2是单载波信号用本发明的方法产生的上下频谱模板。

图3是宽带信号用本发明的方法产生的上下频谱模板。

图4是待识别信号与模板信号匹配检测正常的原理图。

图5是待识别信号与模板信号匹配检测超上限告警的原理图。

图6是待识别信号与模板信号匹配检测超下限告警的原理图。

具体实施方式

本发明的实施步骤：如图1所示

步骤1；频谱数据生成

系统前端通过FPGA来实现AD数据采集、数字下变频器和快速傅立叶变换。频谱数据生成单元通过DMA模式读取FPGA的频谱数据。在存储区开辟两个数据区A和B，区域大小为615点数据，每个数据为16比特。采用乒乓结构方式将频谱数据接收存储。设当前存储新的数据到数据区A，同时对数据区B的数据进行存储和计算处理，数据区B处理完成后，等待数据区A接收完成，一旦接收完成，数据区A转为存储、计算处理流程，同时数据区B转为接收新的数据流程，如此数据区A、B轮流循环接收数据，处理数据。

步骤2：对生成的频谱数据进行平滑处理。

对生成的频谱数据进行平滑处理，对其进行平均运算，设频谱数据为P_n(i)，则平均后的频谱数据，即为频谱数据的模板基准值

其中N为频谱数据的平均次数，i为频谱数据的位置。

步骤3：设定上下模板的差值，生成上下频谱模板。

首先判定模板基准值是否为单载波信号，对模板基准值进行极大值搜索，得到极大值的所在位置j和极大值判定极大值点周围(j-m)、(j-(m-1))、…、(j-3)、(j+3)、…、(j+(m-1))、(j+m)即(2m-4)个点的功率值与极大值比较，其中，m≥5且为整数；

满足以下条件：

其中i∈[j-m,j-3]∪[j+3,j+m],i∈Z⁺，10≥m≥5；

且计算极大值周边(2m-4)各点的均值

则选取特征值θ

设置一个阈值θ₁，判断

θ>θ₁ (2)

当公式(1)(2)同时满足时，判定模板基准值为单载波信号。如果不满足上述条件为宽带信号。

若为单载波信号，对极大值位置附近(j-m)点到(j+m)点位置的模板基准值进行处理，得到新的模板基准值。当处理其中某个点k时，对其(k-2)到(k+2)五个点的功率值进行极大值搜索，得到的极大值为k点的功率值，依次类推，当所有点处理完成后，生成新的上频谱模板基准值同理，当处理其中某个点k时，对其(k-1)到(k+1)三个点的功率值进行极小值搜索，得到的极小值为k点的功率值，当所有点处理完成后，生成新的下频谱模板基准值设定上模板差值为a，下模板差值为b，则上频谱模板为 下频谱模板为其中，k为(j-m)点到(j+m)范围内任意一整数点。单载波信号生成的上下频谱模板如图2所示。

若为宽带信号，则设定上模板差值为a，下模板差值为b，则上频谱模板为下频谱模板为宽带信号生成的上下频谱模板如图3所示。

频谱模板可以根据频谱的特征(如频率、SPAN)和类型形成模板库。在模板检测匹配过程中，可以直接调用模板库的模板进行匹配。

步骤4：模板检测匹配。

根据预设频率带宽对待识别信号进行平滑处理，获得预处理的识别信号，将预处理后的待识别信号与频谱模板进行比较，判断待识别信号是否正常。通过对待识别信号和模板信号的功率值逐点比对，如果高于上频谱模板则给出超上限告警，如果低于下频谱模板则给出超下限告警。并记录存储告警发生时的待识别信号。如图4所示，正常信号的频谱位于上频谱模板与下频谱模板之间。待识别信号功率过高时，如图5所示，频谱信号超过上频率模板，监测到后发出超上限告警。待识别信号功率低于下频谱模板时时，如图6所示，监测到后发出超下限告警。

Claims (2)

1.一种基于频谱分析的模板设定与模板检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将模拟信号进行AD转换、下变频转换和快速傅立叶变换，形成频谱数据；

步骤2：将生成的频谱数据进行平均处理得到平均后的频谱数据，即为频谱数据的模板基准值i为频谱数据的位置；

步骤3：对模板基准值进行极大值搜索，得到极大值所在位置j和极大值将极大值点周围2m-4个点的功率值与极大值进行比较并计算极大值周边2m-4个点的均值根据极大值和均值得到特征值；分别判断极大值与极大值点周围2m-4个点的功率值差值是否大于等于10且特征值是否大于设定阈值，若是则模板基准值为单载波信号，执行步骤4，否则模板基准值为宽带信号，执行步骤5；其中，m≥5且为整数；

步骤4：对极大值位置附近j-m点到j+m点位置的任一点k，选取k-2到k+2五个点的功率值进行极大值搜索，并将k点的功率值设为搜索到的极大值，生成新的上频谱模板基准值并对极大值位置附近k-1到k+1三个点的功率值进行极小值搜索，将k点的功率值设为搜索到的极小值，生成新的下频谱模板基准值设定上模板差值为a，下模板差值为b，则上频谱模板为下频谱模板为执行步骤6；其中，k为j-m点到j+m范围内任意一整数点；

步骤5：设定上模板差值为a，下模板差值为b，则上频谱模板为下频谱模板为

步骤6：根据预设带宽对待识别信号进行平滑处理，获得预处理的识别信号，对待识别信号和频谱模板的功率值逐点比对，如果待识别信号高于上频谱模板则给出功率超上限告警，如果待识别信号低于下频谱模板则给出功率超下限告警，并记录存储告警发生时的待识别信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于频谱分析的模板设定与模板检测方法，其特征在于，步骤3具体为：

对模板基准值进行极大值搜索，得到极大值的所在位置j和极大值将极大值点周围j-m、j-(m-1)、...、j-3、j+3、...、j+(m-1)、j+m即2m-4个点的功率值与极大值比较，并计算该2m-4个点均值并计算得到特征值；计算公式如下：

计算特征值θ

判断极大值与极大值点周围2m-4个点的功率值差值是否大于等于10，且特征值是否大于设定阈值，即

其中i∈[j-m，j-3]∪[j+3，j+m]，i∈Z⁺，m≥5且为整数；

θ＞θ₁ (2)

其中，θ₁为设定阈值；

当公式(1)(2)同时满足时，判定模板基准值为单载波信号，执行步骤4，否则为宽带信号，执行步骤5。