CN108737319A - 一种目标ofdm信号的实时检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种目标OFDM信号的实时检测方法及装置，属于OFDM信号处理技术领域。本发明根据OFDM信号中循环前缀是有用信号的结尾部分复制的特点，对待处理信号进行间隔N点的M点滑动自相关，使得到的自相关函数不受载波频率偏差的影响；选取复信号及间隔N点复信号的M点能量作为门限值，该门限值能够跟踪信号能量的变化；根据滑动自相关的模值与自适应门限值之间的关系进行目标OFDM信号的检测。本发明解决了存在频率偏差条件下的目标OFDM信号的实时检测问题，具有自适应门限、不受载波频率偏差影响的特点，提高了OFDM信号实时检测的可靠性。

Description

一种目标OFDM信号的实时检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种目标OFDM信号的实时检测方法及装置，属于OFDM信号处理技术领域。

背景技术

信号检测的目的是判断目标信号的存在性，并获取目标信号的时间和频率位置信息，它是后续信号处理的基础。如何从含有噪声的观测信号中确定有用目标信号是否存在，是信号处理领域的一个重要课题。

对突发信号的盲检测最常用的方法是短时能量法，该方法通过计算一段时间内的能量值来区分信号和噪声，具有计算量小，易于实现的优点，但该方法受噪声的影响比较大，门限设置较为困难；针对OFDM信号的检测问题，还可以利用OFDM信号近似正态分布的统计特性，采用高斯性检测算法识别出OFDM信号，但这种方法是基于零中频的基带信号，对载波同步要求很高。还有一些方法利用OFDM信号的循环平稳性、二阶循环累积量特征、四阶循环累量特征等方法进行识别，这些方法能够克服信道衰落的影响，但是算法的计算量很大，难以进行实时处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种目标OFDM信号的实时检测方法，以解决目前OFDM信号检测过程中门限设置困难、载波同步要求高导致检测结果不准确的问题；同时，本发明还提供了一种目标OFDM信号的实时检测装置。

本发明为解决上述技术问题而提供一种OFDM信号的实时检测方法，该检测方法包括以下步骤：

1)采集待处理的信号数据，并将其转换为与目标OFDM符号速率匹配的复信号；

2)对复信号进行逐点处理，按样点对复信号间隔N点做M点滑动自相关，其中M为目标OFDM信号的循环前缀样点数，N为有用信号的样点数，且N为2的幂次；

3)计算复信号的M点能量和间隔N点复信号的M点能量，并将两个能量值相乘的结果作为自适应门限值；

4)根据步骤2)中得到滑动自相关的模值与自适应门限值之间的关系进行峰值点判断，当存在连续设定个数间隔为L的峰值点时，则确认检测到目标OFDM信号。

本发明根据OFDM信号中循环前缀是有用信号的结尾部分复制的特点，对待处理信号进行间隔N点的M点滑动自相关，使得到的自相关函数不受载波频率偏差的影响；选取复信号及间隔N点复信号的M点能量作为门限值，该门限值能够跟踪信号能量的变化；根据滑动自相关的模值与自适应门限值之间的关系进行目标OFDM信号的检测。本发明解决了目标OFDM信号的实时检测问题，具有自适应门限、不受载波同步要求的特点，提高了OFDM信号实时检测的可靠性。

进一步地，本发明还给出了具体峰值点判断条件，通过修正系数调整峰值点判断的虚警概率和漏警概率，所述步骤4)中的判断为峰值点所采用的判断条件为：

a·C>E

其中C为滑动自相关的模值，s(n)为复信号，E为自适应门限值，a为修正系数。

进一步地，本发明还给出了复信号的确定过程，所述步骤1)中的复信号是将待处理信号经过变频、滤波和重采样处理后得到。

进一步地，本发明为了节约乘法器资源，所述步骤2)在进行自相关运算时将M点的累积和采用流水结构的累加器实现。

进一步地，本发明为了节约乘法器资源，所述步骤3)在计算复信号的M点能量和间隔N点复信号的M点能量时均采用流水结构的累加器实现。

本发明还提供了一种目标OFDM信号的实时检测装置，该实时检测装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

1)采集待处理的信号数据，并将其转换为与目标OFDM符号速率匹配的复信号；

2)对复信号进行逐点处理，按样点对复信号间隔N点做M点滑动自相关，其中M为目标OFDM信号的循环前缀样点数，N为有用信号的样点数，且N为2的幂次；

3)计算复信号的M点能量和间隔N点复信号的M点能量，并将两个能量值相乘的结果作为自适应门限值；

4)根据步骤2)中得到滑动自相关的模值与自适应门限值之间的关系进行峰值点判断，当存在连续设定个数间隔为L的峰值点时，则确认检测到目标OFDM信号。

进一步地，所述步骤4)中的判断为峰值点所采用的判断条件为：

a·C>E

其中C为滑动自相关的模值，s(n)为复信号，E为自适应门限值，a为修正系数。

进一步地，所述步骤1)中的复信号是将待处理信号经过变频、滤波和重采样处理后得到。

进一步地，所述步骤2)在进行自相关运算时将M点的累积和采用流水结构的累加器实现。

进一步地，所述步骤3)在计算复信号的M点能量和间隔N点复信号的M点能量时均采用流水结构的累加器实现。

进一步地，本发明为了提高数据处理效率，所述的处理器为FPGA，通过FPGA的全流水结构进行逐样点计算，只需占用少量的乘法器资源和少量的时钟消耗，提高了OFDM信号的实时处理能力。

附图说明

图1是本发明目标OFDM信号的实时检测方法的流程图；

图2是本发明采用FPGA实现运算的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明首先采集待处理的信号数据，并将其转换为与目标OFDM符号速率匹配的复信号；然后对复信号进行逐点处理，按样点对复信号间隔N点做M点滑动自相关，其中M为目标OFDM信号的循环前缀样点数，N为有用信号的样点数，且N为2的幂次；并计算复信号的M点能量和间隔N点复信号的M点能量，并将两个能量值相乘的结果作为自适应门限值；最后根据滑动自相关的模值与自适应门限值之间的关系进行峰值点判断，当存在连续设定个数间隔为L的峰值点时，则确认检测到目标OFDM信号。本发明从当前待处理信号能量中提取的信息作为判决信息，所选取的判决门限能够自适应跟踪信号能量的变化，解决了存在载波频率偏差条件下目标OFDM信号难以检测的问题。该方法的实现流程如图1所示，具体实施步骤如下：

1、采集一定长度的待处理信号数据，经过变频、滤波和重采样处理后转换为采样率与目标OFDM符号速率匹配的复信号s(n)。

对采集的信号数据，需要经过变频处理和滤波处理使信号为零中频复信号，允许存在频率偏差。根据目标OFDM的符号速率，选择合适的重采样速率，将信号重采样为与目标OFDM符号速率相匹配的复信号，使得每个复信号具有相同的整数个采样点，且有用信号的样点数N为2的幂次，得到复信号的符号样点数为L，循环前缀样点数为M，且L＝M+N。

2、对信号s(n)逐点处理，按样点对s(n)间隔N点做M点滑动自相关，取模方得到C值。

根据OFDM信号的特点，其循环前缀是OFDM符号有用信号的结尾部分的复制，因此循环前缀和有用信号的结尾部分信号具有相关性。OFDM信号的自相关函数可以表示成如下形式：

其中，和分别表示信号和加性高斯噪声的能量，T_cp为循环前缀长度，T_u为有用信号长度，P表示当前s(t)为循环前缀信号的概率。从公式(1)中可以看出，当OFDM信号在延迟为零或有用信号长度时出现峰值。

当信号s(t)存在载波频率偏差Δf时

R_ss(τ)＝E{s(t)e^j2πΔfts^*(t+τ)e^{-j2πΔf(t+τ)}}＝R_ss(τ)E{e^-j2πΔfτ}＝R_ss(τ) (2)

因此，自相关函数不受载波频率偏差的影响。

根据公式(1)中自相关函数，选取循环前缀的长度做滑动自相关，滑动自相关的C值按如下公式计算：

当选取的信号段起点与OFDM符号起点相同时，得到的C值即为OFDM符号循环前缀的相关值。当选取的信号段起点与OFDM符号起点不等时，信号段的头尾不具有相关性。在FPGA实现中，(3)式中的每个复数乘法需要占用4个乘法器资源，M个并行乘法则需要占用4M个乘法器资源。为了节约乘法器资源，M点的累积和可以采用流水结构的累加器来实现，即

C_n＝C_n-1+s(n)s^*(n+N)-s(n-M)s^*(n+N-M) (4)

设C₀＝0，经过M个数据累加后，累加器的值等于C值。此时，对于每个数据流，只需计算两次复数乘法，从而大大降低了乘法器的使用量。

3、求出s(n)与s(n+N)的M点能量E1和E2，并将E1与E2相乘得到E，作为自适应门限。

M点能量E1和E2按如下公式计算：

则E＝E1·E2。同样，在FPGA实现中，为了节约乘法器资源，采用流水结构的累加器来实现，即

E1_n＝E1_n-1+s(n)s^*(n)-s(n-M)s^*(n-M) (7)

E2_n＝E2_n-1+s(n+N)s^*(n+N)-s(n+N-M)s^*(n+N-M) (8)

由于受接收机与发射机之间的距离、信号的发射功率等因素的影响，接收到的OFDM信号能量大小差异较大，E反映了当前接收信号能量的大小。将该能量作为信号捕获过程中的门限值，从而自适应跟踪信号能量的变化。

4、根据滑动自相关的模值与自适应门限值之间的关系进行目标OFDM信号的检测。

根据a·C的值来进行峰值检测的比较判决，其中a为修正系数。如果a·C>E，则判为峰值存在，否则，峰值不存在；当存在连续K个间隔为M+N的峰值点，则确认为捕获到目标OFDM信号。

OFDM信号循环前缀相关性的峰值大小与循环前缀的相关性及信号的能量大小有关，峰值之间的间隔为OFDM符号的长度。将a·C的值与能量E比较判决，用于检测相关峰是否存在。修正系数a·影响峰值检测的虚警概率和漏警概率，a·越大，峰值检测的漏警概率越大，a·越小，峰值检测的虚警概率越大。如果a·C>E，则判为峰值存在，否则，峰值不存在；当存在连续K个间隔为M+N的峰值点，则确认为捕获到目标OFDM信号。

上述方法可以作为一种计算机程序，存储在OFDM信号的实时检测装置中的存储器中并可在OFDM信号的实时检测装置中的处理器上运行，该装置中的处理器可以采用单片机、FPGA、DSP、PLC或MCU等实现，存储器可以采用RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域已知的任何其他形式的存储介质，可以将该存储介质耦接至处理器，使处理器能够从该存储介质读取信息，或者该存储介质可以是处理器的组成部分。本实施例中该装置中所执行的步骤方法采用FPGA实现，采用FPGA来实现的方案如图2所示。

信号s(n)存入长为L的移位寄存器中，对于滑动自相关运算，采用流水结构的累加器实现。先分别计算出最新输入信号与间隔N点处的信号复数共轭相乘结果，以及第0个寄存器与间隔N点处的信号复数共轭相乘结果。累加器初值为0，每次累加器减去第0个寄存器的复数共轭相乘结果，并加上最新输入信号的共轭相乘结果，经过M次移位后，累加器的输出取模方后即为C值。同样，对于能量的计算也采用流水结构的累加器实现，得到E1和E2后，将相乘结果与a·C进行比较。

由上述FPGA实现结构可以看出，本发明的全流水结构能够进行逐样点的计算，而且只需占用少量的乘法器资源和少量的时钟消耗，能够达到高速的实时处理能力，大大降低了乘法器的使用量。

因此，本发明解决了存在频率偏差条件下的目标OFDM信号的实时检测问题，具有自适应门限功能、不受频率偏差影响、适合于FPGA实现、检测性能优越等优点，为目标OFDM信号的实时检测提供了可靠实用的方法。

Claims (10)

1.一种目标OFDM信号的实时检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：

1)采集待处理的信号数据，并将其转换为与目标OFDM符号速率匹配的复信号；

2)对复信号进行逐点处理，按样点对复信号间隔N点做M点滑动自相关，其中M为目标OFDM信号的循环前缀样点数，N为有用信号的样点数，且N为2的幂次；

3)计算复信号的M点能量和间隔N点复信号的M点能量，并将两个能量值相乘的结果作为自适应门限值；

4)根据步骤2)中得到滑动自相关的模值与自适应门限值之间的关系进行峰值点判断，当存在连续设定个数间隔为L的峰值点时，则确认检测到目标OFDM信号。

2.根据权利要求1所述的目标OFDM信号的实时检测方法，其特征在于，所述步骤4)中的判断为峰值点所采用的判断条件为：

a·C>E

其中C为滑动自相关的模值，s(n)为复信号，E为自适应门限值，a为修正系数。

3.根据权利要求1或2所述的目标OFDM信号的实时检测方法，其特征在于，所述步骤1)中的复信号是将待处理信号经过变频、滤波和重采样处理后得到。

4.根据权利要求1或2所述的目标OFDM信号的实时检测方法，其特征在于，所述步骤2)在进行自相关运算时将M点的累积和采用流水结构的累加器实现。

5.根据权利要求1所述的目标OFDM信号的实时检测方法，其特征在于，所述步骤3)在计算复信号的M点能量和间隔N点复信号的M点能量时均采用流水结构的累加器实现。

6.一种目标OFDM信号的实时检测装置，其特征在于，该实时检测装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

1)采集待处理的信号数据，并将其转换为与目标OFDM符号速率匹配的复信号；

2)对复信号进行逐点处理，按样点对复信号间隔N点做M点滑动自相关，其中M为目标OFDM信号的循环前缀样点数，N为有用信号的样点数，且N为2的幂次；

3)计算复信号的M点能量和间隔N点复信号的M点能量，并将两个能量值相乘的结果作为自适应门限值；

4)根据步骤2)中得到滑动自相关的模值与自适应门限值之间的关系进行峰值点判断，当存在连续设定个数间隔为L的峰值点时，则确认检测到目标OFDM信号。

7.根据权利要求6所述的目标OFDM信号的实时检测装置，其特征在于，所述步骤4)中的判断为峰值点所采用的判断条件为：

a·C>E

其中C为滑动自相关的模值，s(n)为复信号，E为自适应门限值，a为修正系数。

8.根据权利要求6或7所述的目标OFDM信号的实时检测装置，其特征在于，所述步骤1)中的复信号是将待处理信号经过变频、滤波和重采样处理后得到。

9.根据权利要求6或7所述的目标OFDM信号的实时检测装置，其特征在于，所述步骤2)在进行自相关运算时将M点的累积和采用流水结构的累加器实现。

10.根据权利要求6所述的目标OFDM信号的实时检测装置，其特征在于，所述步骤3)在计算复信号的M点能量和间隔N点复信号的M点能量时均采用流水结构的累加器实现。