CN107733516B - 一种突发通信信号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种突发通信信号检测方法，接收同步头为1010重复或者0101重复的经过差分编码调制的突发通信信号，获得2k倍采样数据，发送到缓存接收端，对缓存数据进行2n点FFT运算，得到FFT运算之后能量最大的三个值及对应位置信息，按照FFT运算点数2n将能量最大的三个值中位于后半区的值对应的位置信息映射到前半区，判断映射之后的三个位置信息之间的距离以及每个位置与上次是否一致，进而确定是否检测到突发通信信号。本发明相对于传统的基于能量判断的方法，突发信号检测时漏帧率大幅降低，判断的准确率更高。根据频谱的特定规律制定多级多次组合判决策略，实现干扰环境下突发信号的精确检测估计，实现结构简单、通用，具有一定扩展性。

Description

一种突发通信信号检测方法
技术领域
本发明公开了一种突发通信信号检测方法，尤其适用于UHF频段等存在较大瞬态干扰的复杂电磁环境下的突发信号检测，属于卫星通信突发信号检测技术领域。
背景技术
卫星通信具有覆盖地域广、通信距离远、通信容量大、传输质量好等特点，己成为现代通信的一种重要的通信手段。UHF等频段由于具有信号穿透力强、抗雨衰能力强、终端类型多样化，并具备全球覆盖能力等优点，成为窄带卫星通信的主用频段。但是由于UHF频段的大量使用，使得UHF频段电磁环境复杂，干扰较为严重。目前卫星通信星载UHF频段突发信号由于受到瞬时干扰较大，信号的检测成功率不高，造成大量信号的漏检。鉴于UHF频段对于卫星通信的重要性，为更好的使用UHF等存在大量干扰的频段，需要解决突发通信信号在存在大量瞬时干扰的复杂电磁环境下的高效检测问题。
以往卫星通信中对于突发信号多采用FFT能量估计、门限设置优化等方法，例如姚国义发表的“一种突发通信信号检测与频偏估计算法”一文。主要集中在实现比较简单的能量估计或者针对能量判决门限进行自适应等优化处理或者降低检测信噪比等方面，对于较大能量的干扰的的环境下，误识别率较高。如何提出一种适用于存在大量瞬态干扰的电磁环境的突发信号的准确检测方案，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种突发通信信号检测方法，依据FFT结果获得的多个最大值及对应位置，采用多级多次组合判决策略完成突发信号的高效检测，解决了存在大量瞬态干扰的电磁环境下突发信号的高效检测问题。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种突发通信信号检测方法，包括如下步骤：
(1)接收经过差分编码调制突发通信信号s(t)，信号s(t)同步头由1010或者0101序列组成；对突发通信信号接收信号s(t)进行位定时、内插处理后获得2k倍采样数据s′(t)，k为大于1的整数；
(2)缓存采样数据s′(t)，并按照每次内插后获得的2k个采样点数据存入缓存区的低地址的方式存储，每当存入M次共M*2k个采样点，进行一次2n点的FFT运算；存储器深度为2n，1≤M≤(N/2k+3)，n为大于等于6的整数；
(3)得到FFT运算之后所有数据点中能量最大的三个值及对应位置信息，依次为最大能量值M1，对应位置P1；第二大能量值M2，对应位置P2；第三大能量值M3，对应位置P3；
(4)按照FFT运算点数将后半区位置信息对应映射到前半区，P1、P2、P3对应映射后的位置分别为P1’、P2’、P3’；
(5)判断P1’、P2’、P3’之间的距离是否满足阈值要求以及每个位置与第一次满足阈值要求时的FFT计算得到的三个位置是否一致，如果最大的三个值对应的三个位置信息之间的距离满足阈值要求，且每个位置与第一次满足阈值要求时FFT计算的三个最大值对应位置信息一致则进入步骤(6)，否则输出没有检测到突发通信信号，重新从步骤(2)开始检测；
(6)输出检测到突发通信信号。
提供另一种突发通信信号检测方法，包括如下步骤：
(1)接收经过差分编码调制突发通信信号s(t)，信号s(t)同步头由1010或者0101序列组成；对突发通信信号s(t)进行位定时、内插处理后获得2k倍采样数据s′(t)，k为大于1的整数；
(2)缓存采样数据s′(t)，并按照每次内插后获得的2k个采样点数据存入缓存区的低地址的方式存储，每当存入M次共M*2k个采样点，进行一次2n点的FFT运算；存储器深度为2n，1≤M≤(N/2k+3)，n为大于等于6的整数；
(3)得到FFT运算之后所有数据点中能量最大的三个值及对应位置信息，依次为最大能量值M1，对应位置P1；第二大能量值M2，对应位置P2；第三大能量值M3，对应位置P3；
(4)按照FFT运算点数将后半区位置信息对应映射到前半区，P1、P2、P3对应映射后的位置分别为P1’、P2’、P3’；
(5)|P1’-P2’|以及|P1’-P3’|满足第一阈值范围，且|P1’-P1”|、|P2’-P2”|和|P3’-P3”|满足第二阈值范围，则第一捕获计数器加1，否则第二捕获计数器1；P1”、P2”、P3”分别为第一次判断|P1’-P2’|以及|P1’-P3’|的满足第一阈值范围时的位置P1’、P2’、P3’；
(6)判断第一捕获计数值是否大于设定阈值，如果大于则判断检测到突发通信信号，清空第一和第二捕获计数器，返回步骤(1)继续开始新信号的检测；判断第二捕获计数器中的计数值是否为大于阈值，如果大于阈值则表明没有检测到突发通信信号，清空第一和第二捕获计数器，返回步骤(1)继续开始新信号的检测；如果不大于阈值则返回步骤(2)继续检测。
优选的，步骤(4)中对应映射到前半区采用如下方式进行：如果位置位于前半区位置，则为之不变，如果位置位于位置，则减去2n获得应映射后的位置。
优选的，三个值位置信息之间的距离是否满足阈值要求的判断方法为：|P1’-P2’|，|P1’-P3’|是否处于[(2n-1/2k)-d，(2n-1/2k)+d]范围内，则满足第一阈值范围，否则不满足第一阈值范围，d为误差许可范围，取整数。
优选的，|P1’-P1”|、|P2’-P2”|和|P3’-P3”|满足第二阈值范围的判断方法为：|P1’-P1”|、|P2’-P2”|和|P3’-P3”|是否小于d，如果均小于d则满足第二阈值范围，否则不满足第二阈值范围，其中d为噪声许可范围，取整数。
优选的，|P1’-P2’|以及|P1’-P3’|满足第一阈值范围，将此时的P1’、P2’、P3’作为三个初始位置信息P1”、P2”、P3”。
优选的，输出检测到突发通信信号则计算得出信号s(t)的频偏值，输出信号的检测成功标识，同时输出信号s(t)的频偏信息。
提供一种突发通信信号检测系统，包括信号处理模块、存储模块、运算模块，映射模块、判决模块、第一捕获计数器和第二捕获计数器；
所述信号处理模块接收差分编码调制后获得调制后同步头为1010或0101序列的突发通信信号s(t)，接收端进行位定时、内插后获得2k倍采样数据s′(t)，k为大于1的整数；
所述存储模块接收采样数据s′(t)，并按照每次内插后获得的2k个采样点数据存入缓存区的低地址的方式存储；所述存储模块存储深度为2n，n为大于5的整数；
所述运算模块每当所述存储模块每当存入M次共M*2k个采样点，进行一次2n点的FFT运算；存储器深度为2n，1≤M≤(N/2k+3)，n为大于等于6的整数；计算得到FFT运算之后所有数据点中能量最大值的三个值及对应位置信息，依次为最大能量值M1，对应位置P1；第二大能量值M2，对应位置P2；第三大能量值M3，对应位置P3；
所述映射模块按照FFT运算点数将后半区位置信息对应映射到前半区，P1、P2、P3对应映射后的位置分别为P1’、P2’、P3’；
所述判决模块判断|P1’-P2’|以及|P1’-P3’|的是否满足第一阈值范围，且|P1’-P1”|、|P2’-P2”|和|P3’-P3”|是否满足第二阈值范围，如果均满足，则第一捕获计数器加1，否则控制第二捕获计数器加1；P1”、P2”、P3”分别为第一次判断|P1’-P2’|以及|P1’-P3’|的满足第一阈值范围时的位置P1’、P2’、P3’；判断第一捕获计数器加的计数值是否大于设定阈值，如果大于则输出检测到突发通信信号，清空第一和第二捕获计数器；如果不大于设定阈值，则判断第二捕获计数器的计数值是否大于设定阈值，如果第二捕获计数器的计数值大于阈值，则表明没有检测到突发通信信号，清空第一和第二捕获计数器，如果第二捕获计数器的计数值不大于阈值，则第一和第二捕获计数器继续累计。
优选的，所述映射模块按照FFT运算点数将后半区位置信息对应映射到前半区的具体方法为，如果位置位于前半区位置，则为之不变，如果位置位于位置，则减去2n获得应映射后的位置。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明适合存在大量瞬时干扰环境下对突发通信信号进行精确检测，能够对抗瞬时较大干扰，在干扰环境下具有很好的检测性能。通过对突发传输帧同步头“1010”差分编码数据，在接收端进行位定时、内插处理的数据进行FFT后的频谱特性采用多级多次组合检测判决策略解决了干扰环境下突发信号检测概率不高的问题，检测效率大大提高。
(2)本发明能够根据卫星通信常规的2k倍最佳采样点数据FFT结果，根据频谱的特定规律制定多级多次组合判决策略，实现干扰环境下突发信号的精确检测估计，实现结构简单、通用，具有一定扩展性。
(3)本发明基于最大的三个能量值的位置进行判断，相对于传统的基于能量判断的方法漏帧率大幅降低，判断的准确率更高。
附图说明
图1本发明突发信号检测方法结构图；
图2本发明缓存分配图；
图3本发明FFT之后的频谱关系。
具体实施方式
本发明提供一种突发通信信号检测方法，通过读取缓存区内存储的最佳采样点数据，依据FFT结果获得的多个最大值及对应位置，采用多级多次组合判决策略，完成突发信号的高效检测，解决了存在大量瞬态干扰的电磁环境下突发信号的高效检测问题。具体包括如下步骤：
(1)接收通信信号，进行差分编码BPSK调制后获得调制后的信号s(t)，进行位定时、内插后获得2k倍后的采样数据s′(t)，k为大于1的整数，通常取2，3。
(2)由缓存接收端接收采样数据s′(t)并存储，按照每次内插后存入2k个采样点数据进入缓存区的低地址的方式存储，每当存入M次共M*2k个采样点，进行一次2n点的FFT运算；存储器深度为2n，1≤M≤(N/2k+3)，n为大于等于6的整数；通常取6，7，8。
(3)计算得到FFT运算之后所有数据点中能量最大值的三个值及对应位置信息。依次为最大能量值M1，对应位置P1；第二大能量值M2，对应位置P2；第三大能量值M3，对应位置P3。
(4)按照FFT运算点数将后半区位置信息对应映射到前半区，P1、P2、P3对应映射后的位置分别为P1’、P2’、P3’。映射可采用如下方式进行前半区位置不变，后半区的P位置减去2n获得应映射后的位置，(5)根据FFT后映射处理获得的最大值的三个值位置信息之间的特定距离规律，制定信号的检测判决策略，根据判决结果进行信号的检测判决，如果满足判定条件则进入步骤(6)，如果不满足判定条件，输出没有检测到突发通信信号的标志；
对于2n点的FFT运算，当突发通信信号存在时会有如下规律：
|P1’-P2’|＝2n-1/2k
|P1’-P3’|＝2n-1/2k
考虑到噪声干扰情况，可以设定|P1’-P2’|以及|P1’-P3’|的阈值范围，如果满足阈值范围则判定满足第一条件；
对于突发信号来说多次测量的图谱比较稳定，因此采用两次连续获得同一极值的位置进行判断，如果位置一致表明是有用信号，如果位置不一致判定为噪声。即判断|P1’-P1”|、|P2’-P2”|、|P3’-P3”|是否满足阈值范围，如果满足阈值范围则判定满足第二条件。
同时满足第一条件和第二条件即为满足判定条件
(6)若满足判决条件，计算得出信号s(t)的频偏值，输出信号的检测成功标识，同时输出信号s(t)的频偏信息。
为了避免误判断可以采用多次累计判断的方式，步骤(5)，(6)可以替换为如下形式。
(5’)|P1’-P2’|以及|P1’-P3’|的满足第一阈值范围，且|P1’-P1”|、|P2’-P2”|、|P3’-P3”|满足第二阈值范围，则捕获计数BH_count加1，否则如果任一数据不满足阈值范围则BL_count加1；P1”、P2”、P3”分别为第一次判断|P1’-P2’|以及|P1’-P3’|的满足第一阈值范围时的位置P1’、P2’、P3’；
(6’)判断BH_count是否大于设定阈值，如果大于则计算得出信号s(t)的频偏值，输出信号的检测成功标识，同时输出信号s(t)的频偏信息，返回步骤(1)；如果不大于设定阈值，则判断BL_count是否为2，如果为2，则表明没有检测到突发通信信号，返回步骤(1)；如果不为2则返回步骤(2)。BH_count的阈值可以根据要求的精度设定，通常大于5，例如为6或8。
完成步骤(6)或(6’)，为完成一个突发通信信号帧检测，清空计数器再次进入步骤(1)连续执行突发通信信号检测。
实施例
下面以突发帧传输帧中同步头连续80个“1010”序列，经过差分编码BPSK调制后，接收端进行的突发信号检测处理为例，对本发明进行进一步介绍。
假定存储器深度为128，BUFFER[128]。用来缓存接收端位定时、内插后的4倍最佳采样点数据。FFT进行128点运算。FFT运算后的最大三个值及对应位置[M1、P1]、[M2、P2]、[M3、P3]，位置信息P1、P2、P3按照FFT中间位置64映射到前半区后的映射位置为P1’、P2’、P3’。检测计数值为BH_count。若BH_count值计数到8时，认为信号检测成功。
采用本发明进行突发信号检测的具体步骤如下：
(1)接收通信信号，进行差分编码BPSK调制后获得调制后的信号s(t)，进行位定时、内插后获得4倍后的采样数据s′(t)。
(2)设计深度为128的缓存区BUFFER[128]，用来缓存4倍最佳采样点数据，每次内插后存入4个采样点数据进入缓存区的低地址；每存入4次最佳采样点数据，即共存入16个样点，进行一次128点FFT运算。
(3)计算得到FFT运算之后所有数据点中能量最大值的三个值及对应位置信息。依次为最大能量值M1，对应位置P1；第二大能量值M2，对应位置P2；第三大能量值M3，对应位置P3。如附图3所示。
从附图3仿真图中可见，FFT之后信号有4根明显谱线，在步骤二的基础上，最大值M1及位置P1，P1为117，第二大值M2及位置P2，P2为5、第三大值M3及位置P3，P3为101。
(4)对步骤(3)获得的最大值对应位置P1、P2、P3进行映射到[0～64]处理，将位置信息值小于64得保持不变，将大于64的位置值减去128，可得到映射处理后的新的位置数据P1’、P2’、P3’，P1’为-11、P2’为5、P3’为-27；
(5)当13≤|P1’-P2’|≤19且13≤|P1’-P3’|≤19时，并且，当前位置信息P1’、P2’、P3’与上次的位置信息P1”、P2”、P3”之间满足|P1’-P1”|<3且|P2’-P2”|<3且|P3’-P3”|<3；则捕获计数BH_count加1；否则BL_count加1；
(6)BH_count是否大于7时，如果大于7即8次满足检测判别准则时，认为信号捕获到，输出信号的检测成功标识，同时输出信号s(t)的频偏信息，清空两个计数器，返回步骤(1)继续开始新信号的检测；否则计数值保持，则判断BL_count是否为2，如果为2则表明没有检测到突发通信信号，返回步骤(1)进行并清空两个计数器；如果不为2，返回步骤(2)继续累加。
下面给出该突发信号检测方法与基于FFT信号能量直接检测方法之间的仿真对比，来说明本方案相对于利用FFT能量估计方法的好处。
信号源为随机噪声+干扰信号+真实信号(含多音干扰)；采用本捕获方法捕获数据：测试50000帧数据，漏8帧，漏帧率：1.6*10-4，采用基于传统FFT能量捕获方法：测试50000帧，漏帧97帧，漏帧率1.9*10-3。经对比可以看出，本发明的检测方法相对于能量捕获的方法漏帧率大幅降低，判断的准确率更高。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种突发通信信号检测方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)接收经过差分编码调制突发通信信号s(t)，信号s(t)同步头由1010或者0101序列组成；对突发通信信号接收信号s(t)进行位定时、内插处理后获得2k倍采样数据s′(t)，k为大于1的整数；
(2)缓存采样数据s′(t)，并按照每次内插后获得的2k个采样点数据存入缓存区的低地址的方式存储，每当存入M次共M*2k个采样点，进行一次2n点的FFT运算；存储器深度为2n，1≤M≤(N/2k+3)，n为大于等于6的整数；
(3)得到FFT运算之后所有数据点中能量最大的三个值及对应位置信息，依次为最大能量值M1，对应位置P1；第二大能量值M2，对应位置P2；第三大能量值M3，对应位置P3；
(4)按照FFT运算点数将后半区位置信息对应映射到前半区，P1、P2、P3对应映射后的位置分别为P1’、P2’、P3’；
(5)判断P1’、P2’、P3’之间的距离是否满足阈值要求以及每个位置与第一次满足阈值要求时的FFT计算得到的三个位置是否一致，如果最大的三个值对应的三个位置信息之间的距离满足阈值要求，且每个位置与第一次满足阈值要求时FFT计算的三个最大值对应位置信息一致则进入步骤(6)，否则输出没有检测到突发通信信号，重新从步骤(2)开始检测；
(6)输出检测到突发通信信号。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(4)中对应映射到前半区采用如下方式进行：如果位置位于前半区位置，则为之不变，如果位置位于后半区位置，则减去2n获得应映射后的位置。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，输出检测到突发通信信号则计算得出信号s(t)的频偏值，输出信号的检测成功标识，同时输出信号s(t)的频偏信息。
4.一种突发通信信号检测方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)接收经过差分编码调制突发通信信号s(t)，信号s(t)同步头由1010或者0101序列组成；对突发通信信号s(t)进行位定时、内插处理后获得2k倍采样数据s′(t)，k为大于1的整数；
(2)缓存采样数据s′(t)，并按照每次内插后获得的2k个采样点数据存入缓存区的低地址的方式存储，每当存入M次共M*2k个采样点，进行一次2n点的FFT运算；存储器深度为2n，1≤M≤(N/2k+3)，n为大于等于6的整数；
(3)得到FFT运算之后所有数据点中能量最大的三个值及对应位置信息，依次为最大能量值M1，对应位置P1；第二大能量值M2，对应位置P2；第三大能量值M3，对应位置P3；
(4)按照FFT运算点数将后半区位置信息对应映射到前半区，P1、P2、P3对应映射后的位置分别为P1’、P2’、P3’；
(5)|P1’-P2’|以及|P1’-P3’|满足第一阈值范围，且|P1’-P1”|、|P2’-P2”|和|P3’-P3”|满足第二阈值范围，则第一捕获计数器加1，否则第二捕获计数器加1；P1”、P2”、P3”分别为第一次判断|P1’-P2’|以及|P1’-P3’|的满足第一阈值范围时的位置P1’、P2’、P3’；
(6)判断第一捕获计数值是否大于设定阈值，如果大于则判断检测到突发通信信号，清空第一和第二捕获计数器，返回步骤(1)继续开始新信号的检测；否则进入步骤(7)；
(7)判断第二捕获计数器中的计数值是否为等于阈值，如果等于阈值则表明没有检测到突发通信信号，清空第一和第二捕获计数器，返回步骤(1)继续开始新信号的检测；否则返回步骤(2)继续检测。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，步骤(4)中对应映射到前半区采用如下方式进行：如果位置位于前半区位置，则为之不变，如果位置位于后半区位置，则减去2n获得应映射后的位置。
6.根据权利要求4所述方法，其特征在于，三个值位置信息之间的距离是否满足阈值要求的判断方法为：|P1’-P2’|，|P1’-P3’|是否处于[(2n-1/2k)-d，(2n-1/2k)+d]范围内，则满足第一阈值范围，否则不满足第一阈值范围，d为误差许可范围，取整数。
7.根据权利要求4所述方法，其特征在于，|P1’-P1”|、|P2’-P2”|和|P3’-P3”|满足第二阈值范围的判断方法为：|P1’-P1”|、|P2’-P2”|和|P3’-P3”|是否小于d，如果均小于d则满足第二阈值范围，否则不满足第二阈值范围，其中d为噪声许可范围，取整数。
8.根据权利要求4所述方法，其特征在于，输出检测到突发通信信号则计算得出信号s(t)的频偏值，输出信号的检测成功标识，同时输出信号s(t)的频偏信息。
9.一种突发通信信号检测系统，其特征在于，包括信号处理模块、存储模块、运算模块，映射模块、判决模块、第一捕获计数器和第二捕获计数器；
所述信号处理模块接收差分编码调制后获得调制后同步头为1010或0101序列的突发通信信号s(t)，接收端进行位定时、内插后获得2k倍采样数据s′(t)，k为大于1的整数；
所述存储模块接收采样数据s′(t)，并按照每次内插后获得的2k个采样点数据存入缓存区的低地址的方式存储；所述存储模块存储深度为2n，n为大于5的整数；
所述运算模块每当所述存储模块每当存入M次共M*2k个采样点，进行一次2n点的FFT运算；存储器深度为2n，1≤M≤(N/2k+3)，n为大于等于6的整数；计算得到FFT运算之后所有数据点中能量最大值的三个值及对应位置信息，依次为最大能量值M1，对应位置P1；第二大能量值M2，对应位置P2；第三大能量值M3，对应位置P3；
所述映射模块按照FFT运算点数将后半区位置信息对应映射到前半区，P1、P2、P3对应映射后的位置分别为P1’、P2’、P3’；
所述判决模块判断|P1’-P2’|以及|P1’-P3’|的是否满足第一阈值范围，且|P1’-P1”|、|P2’-P2”|和|P3’-P3”|是否满足第二阈值范围，如果均满足，则第一捕获计数器加1，否则控制第二捕获计数器加1；P1”、P2”、P3”分别为第一次判断|P1’-P2’|以及|P1’-P3’|的满足第一阈值范围时的位置P1’、P2’、P3’；判断第一捕获计数器加的计数值是否大于设定阈值，如果大于则输出检测到突发通信信号，清空第一和第二捕获计数器；如果不大于设定阈值，则判断第二捕获计数器的计数值是否等于设定阈值，如果第二捕获计数器的计数值等于阈值，则表明没有检测到突发通信信号，清空第一和第二捕获计数器，如果第二捕获计数器的计数值不等于阈值，则第一和第二捕获计数器继续累计。
10.根据权利要求9所述的突发通信信号检测系统，其特征在于，所述映射模块按照FFT运算点数将后半区位置信息对应映射到前半区的具体方法为，如果位置位于前半区位置，则为之不变，如果位置位于后半区位置，则减去2n获得应映射后的位置。
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