CN109672489A - 一种基于互素分析的海上全景频谱感知分析方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种基于互素分析的频谱感知分析方法及其装置极大降低全景感知需要的采样速率；本方法能将采样速率降低到或，其中与可达150以上；采用基于奇偶对称频率采样的全相位方法对原型滤波器进行了优化，获得较精确的边界频率，有效地解决了谱泄漏问题；利用全相位窄带类点通FIR滤波器设计精细化方案，获得更精准的频谱感知结果，使整个分析算法更适用于海上实际通信应用中。

Description

一种基于互素分析的海上全景频谱感知分析方法及其装置

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，尤其涉及一种基于互素分析的海上电磁环境下全景频谱感知方法及其装置。

背景技术

无线电频谱是国家的稀缺性战略资源，然而，随着大量频谱资源被开发占用，频谱资源的缺口将越来越大。为提升频谱利用率，认知无线电技术[1]通过感知信道环境，利用空闲频谱进行伺机通信，实现自适应多模式可靠通信。就海洋无线电信道感知而言，宽频带频谱分析是急需突破的技术。无线信道感知目标是实时、高效的获取背景信号的全景谱，从全景谱中挖掘频谱特征。根据经典的香农采样定理和奈奎斯特准则，要实现海上主用的短波、超短波、微波和卫星频段范围内无线电信号的全景检测，其采样速率须达到 6GHz 或以上，然而在当前的技术条件下很难实现。同时，高速率采样引发的海量数据对现有的数字信号处理硬件提出严峻挑战。

为突破海上全景信道感知的局限[2]，近年来，一种新型的谱估计方法：互素感知理论[3][4]受到越来越多的关注，该方法首先对单个模拟输入信号作两路并行的稀疏采样要求两路下采样因子、数值满足互素关系，然后对得到的两路稀疏样本分别作多相滤波,将单通道信号转换成多通路子信号，再同时对两路并行的多相滤波输出信号做IDFT，最后对IDFT输出的多通道信号做互相关扫描估计出信号频谱位置，从而获得真正意义上的高分辨率谱。

欠采样互素谱感知方法在分析窄带信号时展现出很高的价值[5]，同时对宽带信号的频谱感知也具有很大的效果[6][7]。但对于海上全景信号，经典的互素感知方法感知频带窄，谱分辨率低，并且存在伪峰效应和交叉项效应，影响频谱感知的性能。

为进一步提高互素谱分析的性能，实现海上无线信号高效精准的监测，本发明提出一种新的改进方法，用于实现海上全景环境下跨频段、超宽带、近实时、高效率的信道感知。

参考文献

[1]Haykin S. Cognitive radio: brain-empowered wireless communications[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2005, 23(2):201-220.

[2]海洋信息获取、传输、处理及融合前沿研究评述[J]. 中国科学：信息科学, 2016,46(8):1053.

[3]Vaidyanathan P P, Pal P. Sparse Sensing With Co-Prime Samplers andArrays[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2011, 59(2):573-586.

[4] Vaidyanathan, P. P. Theory of Sparse Coprime Sensing in MultipleDimensions[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2011, 59(8):3592-3608.

[5]Vaidyanathan P P, Pal P. Sparse coprime sensing with multidimensionallattice arrays[C]// Digital Signal Processing Workshop and IEEE SignalProcessing Education Workshop. IEEE, 2011:425-430.

[6]Huang X , Han Y , Yan Z , et al. Resolution Doubled Co-Prime SpectralAnalyzers for Removing Spurious Peaks[J]. IEEE Transactions on SignalProcessing, 2016, 64(10):2489-2498.

[7]黄翔东, 韩溢文, 闫子阳, et al. 基于全相位滤波的互素谱分析的高效设计[J]. 系统工程与电子技术, 2017, 39(1):27-33.

[8]闫格, 黄翔东, 刘开华. 基于全相位窄带滤波的超分辨率时延估计[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2014(3):249-254。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明一种基于互素分析的海上全景频谱感知分析方法及其装置，对基于DFT滤波器组的互素谱分析方法进行了结构改进和性能提升，为实现海上全景电磁环境分析提供了很好的解决思路。

一种基于互素分析的海上全景频谱感知分析方法是通过以下技术方案实现的，包括：

步骤A：对输入的海上全景无线信号进行处理，获得原始互素谱输出;

步骤B：利用谱分析精细化方案，得到二级互素谱输出;

步骤C：通过优化设计的能量检测器对二级互素分析器输出的频谱结果进行检测获得最终的指示性功率谱。

进一步，对步骤A具体叙述如下：

步骤A1：对输入的海上全景无线信号分别进行两路下采样率互素的下采样，得到两路稀疏信号;

步骤A2：基于全相位滤波理论设计互素谱分析的原型低通滤波器，经过一定收缩平移变换，获得两路DFT滤波器组的各相支路;

步骤A3：利用两路滤波器组分别对两路稀疏信号进行多相滤波，得到其对应的多通道输出序列;

步骤A4：在每个时刻，对两路多通道输出序列分别进行IDFT，分别得到输出序列;

步骤A5：对输出序列互相关，得到一级互素谱输出。

进一步，对步骤B具体叙述如下：

步骤B1：根据海上无线通信的先验知识对原始互素谱输出进行检波，确定所需关注的特定频带以及对应的子滤波器对;

步骤B2：基于全相位窄带类点通FIR滤波器对步骤A2所设计的各相子滤波器进行结构细化。根据步骤B1确定的子滤波器对，找出所对应的特定子通道输出序列对并输入经过点通滤波器细化改进后的子滤波器进行滤波;

步骤B3：在每个时刻，对两路特定对子滤波器输出序列分别进行IDFT，分别得到输出序列;

步骤B4：对输出序列进行互相关，得到谱分析精度更高的频谱结果。

进一步，对步骤C具体叙述如下：

给定虚警概率，设定阈值，如果频谱输出大于阈值，能量检测器将谱位置处判定为已被占用。如果频谱输出小于等于阈值，能量检测器将谱位置处判定为未被占用。

一种基于互素分析的海上全景频谱感知的装置，它的组成部分包括：

1）外部RAM，用于接收输入的海上全景信号、原型低通滤波器系数、点通滤波器系数、互素整数对和分辨率T;

2）DSP器件，用于对输入信号进行下采样、多相滤波、快速傅里叶变换、能量检测;

3）输出驱动及显示电路，用于显示出整块频带上谱占用情况。

首先将海上全景无线信号、原型低通与点通滤波器系数、互素整数对和以及二级分辨率存入外部RAM中，再将它们实时输入到DSP中，经过DSP内部核心算法，对输入信号进行下采样、多相滤波、IDFT、能量探测器判决、频谱重构等处理，最后借助输出驱动及其显示模块显示出整块频带上谱占用情况。

一种基于互素分析的频谱感知分析方法及其装置在海上无线通信全景感知领域中可产生如下有益效果：

第一、极大降低全景感知需要的采样速率；

要实现海上无线通信主用频段范围内的全景检测，根据经典的香农采样定理和奈奎斯特准则，需要ADC的采样速率到达6GHz以上，这在当前技术条件下是不现实的。本方法能将采样速率降低到或，其中与可达150以上。显然本方法可以大幅降低所需的采样速率，从而降低全景谱感知的成本;

第二、降低谱分析计算复杂度并且抑制了谱泄漏；

在互素谱分析的多相滤波过程中，两路原型滤波器的设计成为谱分析关键。但针对海上无线全景信号，经典互素谱分析中的原型滤波器需选用长度较长的设计方案，这造成计算复杂度过高以及谱泄漏的问题，不利于信号的实时精准监测。本方法采用基于奇偶对称频率采样的全相位方法对原型滤波器进行了优化，获得较精确的边界频率，有效地解决了谱泄漏问题;

第三、极大提高互素分析的谱分辨率；

原始互素谱分析方法能高效准确地处理一定采样率下的宽带信号，具有良好的抗噪性能。而在海上全景环境下，要实现跨频段、超宽带、高效率的信道频谱感知，必须提高谱分析的分辨率。本方法利用全相位窄带类点通FIR滤波器设计精细化方案，获得更精准的频谱感知结果，使整个分析算法更适用于海上实际通信应用中。

附图说明

图1为一种基于互素谱的海上全景环境下信道感知分析方法的流程图；

图2为原始互素谱分析器的流程图；

图3为互素谱分析精细化方案的流程图；

图4为基于全相位滤波设计的低通滤波器传输曲线图；

图5为全相位窄带类点通FIR滤波器传输曲线图；

图6为本发明的硬件实施图；

图7为DSP器件内部程序流图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的实施方式，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。

附图1为本发明实施例的基于互素谱的海上全景环境下信道感知分析方法的流程示意图，首先对输入的海上全景无线信号进行两路下采样，经过如图2所示的原始互素谱分析器，获取初步的频谱输出结果。

其次，将上述的频谱结果通过如图3所示的互素谱分析精细化方案，得到更精确的二级互素谱频谱输出。

最后，通过优化设计的能量检测器对二级互素分析器频谱输出结果的能量进行检测，获得最终的指示性功率谱。

下面根据具体计算公式与附图对本发明进行详细的介绍，详见下文描述：

步骤A：利用互素算法对输入的海上全景无线信号进行处理，获得原始互素谱输出。该步骤包括以下过程：

步骤A1：对输入的海上全景无线信号进行两路下采样，采样率分别为和（与都为整数且互素），得到两路稀疏信号和;

步骤A2：利用奇偶对称两种频率采样的全相位滤波理论设计互素谱分析中的两个原型低通滤波器与，其传输特性如图4所示，滤波器的阶数都为（建议值为800以上），截止频率分别为和，互素谱分辨率为，再由一定的变换得到两路DFT滤波器组的各相支路。具体步骤如下：

步骤A21：令所需设计的原型滤波器3dB截止频率为，而全相位滤波器通带截止频率与阻带截止频率之间的传输曲线近似为线性，由式（1）求得通带截止频率 :

根据奇偶对称全相位滤波器的解析表达式（2）与式（3），

按照式（4）与式（5）分别构造奇对称与偶对称频率采样模式的候选通带临界频率点集合与:

步骤A22：由式（6）与式（7）遍历并求取期望的截止频率与，之间的距离：

进而搜索出两种采样模式下最小距离对应的下标

步骤A23：通过判断最小距离选择采样模式：若时，则选择奇对称采样模式，确定，代入式（2），算出最终的滤波器系数；反之，若，则选择偶对称采样模式，确定，代入式（3）算出最终的滤波器系数;

步骤A24：对这设计的两个原型滤波器与分别进行式（10）与式（11）的收缩平移变换，得到最终的各相子滤波器:

步骤A3：分别对两路稀疏信号进行多相滤波，得到其对应的多通道输出序列和;

步骤A4：在每个时刻n，对多通道输出序列进行M点的IDFT，得到输出序列，类似地，在每个时刻m，对多通道输出序列进行N点的IDFT，得到输出序列;

步骤A5：对输出序列与求互相关，得到一级互素谱输出，其谱分辨率。

步骤B：利用附图2原始互素谱分析器输出的信号功率谱结果，按照附图3的精细化方案，得到更精确的二级互素谱输出;

步骤B1：根据海上无线通信关于短波段、超短波段以及微波段通信信号的中心频率、信道带宽、调制方式等先验知识，对原始互素谱输出进行检波，确定所需关注的特定频带，由式（12）得到频带所对应的子滤波器对与:

步骤B2：利用附图5所示的全相位窄带类点通FIR滤波器对步骤A2所设计的各相子滤波器和进行结构细化。将步骤B1中的子滤波器对和对应的子通道输出序列和输入改进后的子滤波器和进行处理。具体方案如下：

步骤B21：根据式（13）所示的解析公式设计出数字中心频率为处的具有类点通特征的窄带滤波器:

式中为卷积窗；为整数，代表中心频点的粗略位置；为中心频点的精确位置;

步骤B22：设为二级互素谱的谱分辨率，其中数值约为40，易推得。基于全相位窄带类点通FIR滤波器设计的二级互素谱两路的各相子滤波器组表达式如式（14）和式（15）所示：

步骤B23：根据步骤B1确定的子滤波器对与，找出所对应的子通道输出序列对与，利用更精细的二级互素谱子滤波器组和分别对其进行再次滤波，其中;

步骤B3：在每个时刻，对两路子滤波器组和的输出序列和分别进行IDFT，分别得到输出序列和;

步骤B4：对输出序列和求互相关，得到二级互素谱输出，其谱分辨率。

步骤C：给定虚警概率，如式（16）和式（17）所示设定阈值:

其中, 是二级互素功率谱输出在谱位置上统计得到的标准差；是噪声功率；是的反函数。

如果频谱输出大于阈值，能量检测器将谱位置处判定为已被占用；如果频谱输出小于等于阈值，能量检测器将谱位置处判定为未被占用。

下面结合具体的硬件，对本发明提出的海上全景频谱感知方法设计对应的硬件装置，详见下文描述：

在附图6中，首先将海上全景无线信号、原型低通与点通滤波器系数、互素整数对和以及二级分辨率存入外部RAM中，再将它们实时输入到DSP中，经过DSP内部核心算法，对信号进行下采样、多相滤波、IDFT、能量探测器判决、频谱重构等，最后借助输出驱动及其显示模块显示出整块频带上谱占用情况。

其中，附图6中的DSP数字信号处理器为核心器件，在频谱感知的过程中完成如下主要功能：

1）调用内部核心算法，完成实际采集信号的下采样、多相滤波、IDFT、能量探测器判决和频谱重构等过程。

）控制下采样值和以及二级分辨率，实时对其进行调整，使其符合实际海上全景频谱感知需要。

）将最终的谱感知结果实时输出至驱动和显示模块。

需指出，由于采用了数字化的估计方法，因而决定图6系统的复杂度、准确性和稳定性的主要因素并不是图6中器件的外围连接，而是内部程序存储器所存储的核心算法。

器件的内部程序流程如附图7所示。

本发明将所提出的“基于互素分析的海上全景频谱感知分析及其装置”的核心算法植入器件内,基于此完成跨频段、超宽带、近实时、高效率的海上全景频谱感知。

附图7的流程分为如下几个步骤：

1）首先根据输入海上信号的采样率、中心频率和频带带宽，设置两个互素的整数下采样值和，二级谱分辨率，并设计所需的原型低通滤波器和点通滤波器系数；

2）然后，CPU主控器从I/O端口读取参设定的参数，进入内部RAM；

3）本发明按图1的处理过程进行全景频谱感知的设计是DSP算法最核心的部分，运行该算法后，即可得到所观测频带的占用情况；

4）判断本方法是否满足工程要求，若不满足，程序返回，重新根据要求设定参数、和；

5）直至设计结果符合海洋通信的要求,然后通过的输出总线输出至外部显示驱动设备,将频谱感知结果进行数码显示。

需指出，由于采用了实现，使得整个频谱感知器设计变得更为灵活快捷，可根据频谱感知器设计过程中的实际需要，灵活变换所需参数，使之最终符合工程需要。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

Claims (5)

1.一种基于互素分析的海上全景频谱感知分析方法，其特征在于：包括：

步骤A：对输入的海上全景无线信号进行处理，获得原始互素谱输出；

步骤B：利用谱分析精细化方案，得到二级互素谱输出；

步骤C：通过优化设计的能量检测器对二级互素分析器输出的频谱结果进行检测获得最终的指示性功率谱。

2.根据权利要求1所述一种基于互素分析的海上全景频谱感知分析方法，其特征在于：对步骤A具体叙述如下：

步骤A1：对输入的海上全景无线信号分别进行两路下采样率互素的下采样，得到两路稀疏信号；

步骤A2：基于全相位滤波理论设计互素谱分析的原型低通滤波器，经过一定收缩平移变换，获得两路DFT滤波器组的各相支路；

步骤A3：利用两路滤波器组分别对两路稀疏信号进行多相滤波，得到其对应的多通道输出序列；

步骤A4：在每个时刻，对两路多通道输出序列分别进行IDFT，分别得到输出序列；

步骤A5：对输出序列互相关，得到一级互素谱输出。

3.根据权利要求1所述一种基于互素分析的海上全景频谱感知分析方法，其特征在于：对步骤B具体叙述如下：

步骤B1：根据海上无线通信的先验知识对原始互素谱输出进行检波，确定所需关注的特定频带以及对应的子滤波器对；

步骤B2：基于全相位窄带类点通FIR滤波器对步骤A2所设计的各相子滤波器进行结构细化，根据步骤B1确定的子滤波器对，找出所对应的特定子通道输出序列对并输入经过点通滤波器细化改进后的子滤波器进行滤波；

步骤B3：在每个时刻，对两路特定对子滤波器输出序列分别进行IDFT，分别得到输出序列；

步骤B4：对输出序列进行互相关，得到谱分析精度更高的频谱结果。

4.根据权利要求1所述一种基于互素分析的海上全景频谱感知分析方法，其特征在于：对步骤C具体叙述如下：

给定虚警概率，设定阈值，如果频谱输出大于阈值，能量检测器将谱位置处判定为已被占用；

如果频谱输出小于等于阈值，能量检测器将谱位置处判定为未被占用。

5.一种基于互素分析的海上全景频谱感知的装置，其特征在于：组成部分包括：

1）外部RAM，用于接收输入的海上全景信号、原型低通滤波器系数、点通滤波器系数、互素整数对和分辨率T；

2）DSP器件，用于对输入信号进行下采样、多相滤波、快速傅里叶变换、能量检测；

3）输出驱动及显示电路，用于显示出整块频带上谱占用情况；

首先将海上全景无线信号、原型低通与点通滤波器系数、互素整数对和以及二级分辨率存入外部RAM中，再将它们实时输入到DSP中，经过DSP内部核心算法，对输入信号进行下采样、多相滤波、IDFT、能量探测器判决、频谱重构等处理，最后借助输出驱动及其显示模块显示出整块频带上谱占用情况。