CN108120875B - 一种基于快速频谱模板匹配的目标信号宽带检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于快速频谱模板匹配的目标信号宽带检测方法。它涉及无线电频谱监测和管理领域中特定协议信号的宽带自动检测技术。本发明的功能是在输入的宽带采样数据中检测具有特定频谱形状的信号，首先构造待检测信号的标准频谱模板，并计算输入数据的频谱，通过标准频谱模板与输入数据频谱进行快速逐点滑动模板匹配检测输入数据中是否存在待检测信号，如果存在输出信号所在频点和幅度；本发明设计了一种基于递推计算和快速傅里叶变换的滑动相关系数的计算方法，可实现目标信号的快速相关匹配检测。本发明特别适合应用于无线电频谱监测领域的在宽带接收数据内检测具有特定频谱形状的信号的应用场景。

Description

一种基于快速频谱模板匹配的目标信号宽带检测方法

技术领域

本发明涉及了一种基于快速频谱模板匹配的目标信号宽带检测方法。它涉及无线电频谱监测和管理领域中特定协议信号的宽带自动检测技术。特别适合应用于无线电频谱监测领域的在宽带接收数据内检测具有特定频谱形状的信号的应用场景。

背景技术

特定信号宽带检测技术是无线电频谱监测和管理领域中的关键技术之一，对于目标信号的宽带自动控守具有至关重要的作用。基于频谱模板匹配的算法是一种特定信号宽带检测的有效方法，可以通过逐点计算输入数据的宽带频谱与标准模板的相关系数判断输入宽带数据中的特定信号是否存在，如果存在，可以计算出频率位置。但现有的基于模板匹配的特定信号宽带检测算法需要逐点滑动计算相关系数，具有较大的运算量，无法应用于实时性要求高的应用场合。因此，基于模板匹配的特定信号快速宽带检测方法是无线电频谱监测和管理领域迫切需要的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处，而提供一种特定信号的快速宽带检测方法。其预先构造待检测特定目标信号的标准频谱模板；当需要检测输入宽带采样数据是否存在该目标信号时，首先基于快速傅里叶变换计算输入宽带采样数据的幅度谱；其次计算目标信号幅度谱模板与宽带采样数据的幅度谱的相关匹配；最后通过设定检测门限，搜索大于门限T的相关向量的值来确定输入宽带采样数据中是否存在目标信号，如果存在输出其所在频率值和幅度值。本发明制造的设备具有实时性强，信号检测准确度高，易于实现等优点。

本发明的目的是这样实现的：

基于快速频谱模板匹配的特定信号宽带检测方法，其特征在于包括步骤：

1.基于快速频谱模板匹配的目标信号宽带检测方法，其特征在于包括步骤：

①监控计算机根据输入的目标信号类型控制信号自动检测服务器中的信号频谱模板库构建模块读取目标信号的已知标准样本，对该标准样本进行离散傅里叶变换得到标准样本的频谱，频率分辨率为W，对标准样本的频谱进行求模运算得到标准样本的幅度谱，截取标准样本幅度谱中信号频率范围内的所有离散谱线作为信号幅度谱模板X，模板长度为K，将目标信号幅度谱模板存储在信号幅度谱模板库中；

②宽带数字接收机接收天线输入的信号，并对其进行宽带数字采样处理，宽带数字接收机通过网络交换机将采样得到的宽带采样数据发送至信号自动检测服务器中的信号频谱计算模块；

③信号频谱计算模块应用离散傅里叶变换计算宽带采样数据的频谱，频率分辨率为W，并对该频谱进行求模运算得到宽带采样数据的幅度谱R，幅度谱点数为L；

④信号自动检测服务器中的频谱模板选择模块读取信号幅度谱模板库中目标信号幅度谱模板，对目标信号幅度谱模板与宽带采样数据的幅度谱进行相关匹配计算，得到目标信号幅度谱模板与宽带采样数据的幅度谱的相关值向量C，相关值向量的长度为L-K+1；

⑤信号自动检测服务器中的相关值判别模块根据设定的检测门限T，在④中获得的相关值向量中搜索大于门限T的元素，并记录该元素在相关向量中的位置，将记录的位置存储在位置向量P中，将相应的相关值存储在向量V中；

⑥相关值判别模块读取向量P，检查向量P中相邻的元素，如果相邻元素的差值小于K，设两相邻元素的序号为A1和A2，则比较的向量V中序号为A1和A2的数值的大小，将数值较小的元素从V和P中删除；最后如果P中元素个数为0，则输出显示检测结果为：输入宽带采样数据中没有目标信号；如果P中元素数目大于0，则输出结果为：输入宽带采样数据中存在目标信号S，存在的目标信号数目为向量P的元素数目，信号所在的频率位置为P中元素的相应数值。

2.根据权利要求1所述的基于快速频谱模板匹配的目标信号宽带检测方法，其特征在于：第④步中的目标信号幅度谱模板与宽带采样数据的幅度谱的相关匹配值向量C的计算方法为：

其中，C_l为相关匹配值向量C中第l个元素；l取遍从1到L的所有值，分别计算C_l，即可得到C中所有元素的值。

式(1)中分子A_l的计算方法分为六个步骤：

a)对幅度谱R进行L点的快速傅里叶变换，得到向量Q，其元素个数为L个；

b)对幅度谱模板向量X进行去均值和归一化操作得到向量

中第k个元素

的计算方法为：

其中

X_k为向量X中的第k个元素；

c)对

进行补零，补零后得到新向量

向量

中元素的数目为L个，

的前K个元素与

的K个元素完全一致，后边的L-K个元素为0；

d)对

进行L点的快速傅里叶变换，得到向量W，其元素个数为L个；

e)将向量W和向量Q中的元素对应相乘得到新向量G，然后对G求L点的快速傅里叶逆变换得到新向量Y，其元素个数为L个；

f)取向量Y中的第l个元素赋值给A_l，即A_l＝Y_l。

式(1)中分母B_l的计算方法为：

a)当l＝1时，

其中R_k为向量R中的第k个元素，μ_l为向量R中第1个到第K个元素的均值，其计算方法为

b)当1＜l≤L-K+1时，

其中R_l-1+K为向量R中的第l-1+K个元素，μ_l为向量R中的第l个元素到第l-1+K个元素共K个元素的均值，其计算方法为

R_l-1为R中的l-1个元素。

本发明与背景技术相比具有以下优点：

(1)本发明采用全数字化接收机采集信号，通过运行于特定信号自动检测服务器上的信号处理软件实现宽频带内特定信号的自动检测，体现了软件无线电的思想，该特定信号自动检测服务器为通用X86架构，由于使用全数字化接收和通用X86架构服务器，使得信号检测设备具有模块化程度高、通用性强、可移植性强的优点。

(2)本发明采用基于频谱模板匹配的特定信号检测技术，该技术适用于频谱形状具有显著特征的任何信号的检测，具有很好的可推广性。

(3)本发明在计算频谱模板匹配时采用了快速计算技术，通过快速傅里叶变换计算频谱模板匹配公式中的分子；通过递推技术计算频谱模板匹配公式中的分母。相比传统的模板匹配计算方法，计算耗时显著降低，具有较好的实时性。

附图说明

图1是本发明实施例的原理方框图。图1中1为监控计算机，2为信号频谱模板库构建模块，3为宽带数字接收机，4为网络交换机，5为频谱计算模块，6为频谱模板选择模块，7为快速模板匹配模块，8相关值判别模块，9检测结果显示模块，10为特定信号自动检测服务器。其中，1，3，4，10之间通过以太网连接。

具体实施方式

参照图1，本发明实施例的原理方框图如图1所示，它由监控计算机1，宽带数字接收机3，网络交换机4和特定信号自动检测服务器10组成。其中特定信号自动检测服务器10上的信号自动检测软件由信号频谱模板库构建模块2，频谱计算模块5，频谱模板选择模块6，快速模板匹配模块7，窄带相关值判别模块8，检测结果显示模块9组成。其中，特定信号自动检测服务器10为通用X86架构。其中，1，3，4，10之间通过以太网连接。

基于快速频谱模板匹配的特定信号宽带检测方法，其特征在于包括步骤：

①监控计算机根据输入的目标信号类型控制信号自动检测服务器中的信号频谱模板库构建模块读取预先存储的目标信号的已知标准样本，对该标准样本进行离散傅里叶变换得到标准样本的频谱，频率分辨率为W，对标准样本的频谱进行求模运算得到标准样本的幅度谱，截取标准样本幅度谱中信号频率范围内的所有离散谱线作为信号幅度谱模板X，模板长度为K，将目标信号幅度谱模板存储在信号幅度谱模板库中；

②宽带数字接收机接收天线输入的信号，并对其进行宽带数字采样处理，宽带数字接收机通过网络交换机将采样得到的宽带采样数据发送至信号自动检测服务器中的信号频谱计算模块；

③信号频谱计算模块应用离散傅里叶变换计算宽带采样数据的频谱，频率分辨率为W，并对该频谱进行求模运算得到宽带采样数据的幅度谱R，幅度谱点数为L；

④信号自动检测服务器中的频谱模板选择模块读取信号幅度谱模板库中目标信号幅度谱模板，对目标信号幅度谱模板与宽带采样数据的幅度谱进行相关匹配计算，得到目标信号幅度谱模板与宽带采样数据的幅度谱的相关值向量C，相关值向量的长度为L-K+1；

其中，第④步中的目标信号幅度谱模板与宽带采样数据的幅度谱的相关匹配值向量C的计算方法为：

式(1)中C_l为相关匹配值向量C中第l个元素；l取遍从1到L的所有值，分别计算C_l，即可得到C中所有元素的值。

式(1)中分子A_l的计算方法分为六个步骤：

a)对幅度谱R进行L点的快速傅里叶变换，得到向量Q，其元素个数为L个；

b)对幅度谱模板向量X进行去均值和归一化操作得到向量

向量

中元素数目为K，

中第k个元素

的计算方法为：

其中向量X的均值为

X的标准差为

X_k为向量X中的第k个元素；

c)对向量

的末尾进行补零，补零后得到新向量

向量

中元素的数目为L个，

的前K个元素与

的K个元素完全一致，后边的L-K个元素为0；

d)对

进行L点的快速傅里叶变换，得到向量W，其元素个数为L个；

e)将向量W和向量Q中的元素对应相乘得到新向量G，然后对G求L点的快速傅里叶逆变换得到新向量Y，其元素个数为L个；

f)取向量Y中的第l个元素赋值给A_l，即可得到A_l＝Y_l。

式(1)中分母B_l的计算方法为：

a)当l＝1时，

其中R_k为向量R中的第k个元素

b)当l＞1时，

其中

R_l-1+K为向量R中的第l-1+K个元素，R_l-1为R中的l-1个元素。

⑤信号自动检测服务器中的相关值判别模块根据设定的检测门限T，在④中获得的相关值向量C中搜索大于门限T的元素，并记录该元素在相关向量中的位置，将记录的位置存储在位置向量P中，将相应的相关值存储在向量V中；

⑥相关值判别模块读取向量P，检查向量P中相邻的元素，如果相邻元素的差值小于K，设两相邻元素的序号为A1和A2，则比较的向量V中序号为A1和A2的数值的大小，将数值较小的元素从V和P中删除；最后如果P中元素个数为0，则输出显示检测结果为：输入宽带采样数据中没有目标信号；如果P中元素数目大于0，则输出结果为：输入宽带采样数据中存在目标信号S，存在的目标信号数目为向量P的元素数目，信号所在的频率位置为P中元素的相应数值。

Claims (2)

1.基于快速频谱模板匹配的目标信号宽带检测方法，其特征在于包括步骤：

①监控计算机根据输入的目标信号类型控制信号自动检测服务器中的信号频谱模板库构建模块读取目标信号的已知标准样本，对该标准样本进行离散傅里叶变换得到标准样本的频谱，频率分辨率为W，对标准样本的频谱进行求模运算得到标准样本的幅度谱，截取标准样本幅度谱中信号频率范围内的所有离散谱线作为信号幅度谱模板X，模板长度为K，将目标信号幅度谱模板存储在信号幅度谱模板库中；

②宽带数字接收机接收天线输入的信号，并对其进行宽带数字采样处理，宽带数字接收机通过网络交换机将采样得到的宽带采样数据发送至信号自动检测服务器中的信号频谱计算模块；

③信号频谱计算模块应用离散傅里叶变换计算宽带采样数据的频谱，频率分辨率为W，并对该频谱进行求模运算得到宽带采样数据的幅度谱R，幅度谱点数为L；

④信号自动检测服务器中的频谱模板选择模块读取信号幅度谱模板库中目标信号幅度谱模板，对目标信号幅度谱模板与宽带采样数据的幅度谱进行相关匹配计算，得到目标信号幅度谱模板与宽带采样数据的幅度谱的相关值向量C，相关值向量的长度为L-K+1；

⑤信号自动检测服务器中的相关值判别模块根据设定的检测门限T，在④中获得的相关值向量中搜索大于门限T的元素，并记录该元素在相关向量中的位置，将记录的位置存储在位置向量P中，将相应的相关值存储在向量V中；

⑥相关值判别模块读取向量P，检查向量P中相邻的元素，如果相邻元素的差值小于K，设两相邻元素的序号为A1和A2，则比较向量V中序号为A1和A2数值的大小，将数值较小的元素从V和P中删除；最后如果P中元素个数为0，则输出显示检测结果为：输入宽带采样数据中没有目标信号；如果P中元素数目大于0，则输出结果为：输入宽带采样数据中存在目标信号S，存在的目标信号数目为向量P的元素数目，信号所在的频率位置为P中元素的相应数值。

2.根据权利要求1所述的基于快速频谱模板匹配的目标信号宽带检测方法，其特征在于：第④步中的目标信号幅度谱模板与宽带采样数据的幅度谱的相关匹配值向量C的计算方法为：

其中，C_l为相关匹配值向量C中第l个元素；l取遍从1到L的所有值，分别计算C_l，即可得到C中所有元素的值；

式(1)中分子A_l的计算方法分为六个步骤：

a)对幅度谱R进行L点的快速傅里叶变换，得到向量Q，其元素个数为L个；

b)对幅度谱模板向量X进行去均值和归一化操作得到向量

中第k个元素

的计算方法为：

其中

X_k为向量X中的第k个元素；

c)对

进行补零，补零后得到新向量

向量

中元素的数目为L个，

的前K个元素与

的K个元素完全一致，后边的L-K个元素为0；

d)对

进行L点的快速傅里叶变换，得到向量W，其元素个数为L个；

e)将向量W和向量Q中的元素对应相乘得到新向量G，然后对G求L点的快速傅里叶逆变换得到新向量Y，其元素个数为L个；

f)取向量Y中的第l个元素赋值给A_l，即A_l＝Y_l；

式(1)中分母B_l的计算方法为：

a)当l＝1时，

其中R_k为向量R中的第k个元素

b)当l＞1时，

其中

R_l-1+K为向量R中的第l-1+K个元素，R_l-1为R中的l-1个元素。

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