CN112134635B - 一种基于宽带频谱的快速信号侦测方法 - Google Patents

一种基于宽带频谱的快速信号侦测方法 Download PDF

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CN112134635B CN202011138951.7A CN202011138951A CN112134635B CN 112134635 B CN112134635 B CN 112134635B CN 202011138951 A CN202011138951 A CN 202011138951A CN 112134635 B CN112134635 B CN 112134635B
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Abstract

本发明提出了一种基于宽带频谱的快速信号侦测方法，包括：导入频谱数据，并将频谱数据按照业务频段做分段处理并存放，获得数据S[n]；构建每个业务频段内的标准信号模板；对每个业务频段的频谱数据S[n]，每预设帧数进行一次平均，获得业务频段内更平滑的信号踪迹数据S_av[n]；计算当前业务频段的门限电平Level_thr；根据门限电平Level_thr，计算当前数据集S_av[n]内存在的信号；当前业务频段数据处理完成后，统计并输出测试结果；针对其他频段的信号，重复步骤S2至步骤S5,最终获得整个频段内的信号数量及其参数的侦测结果。

Description

一种基于宽带频谱的快速信号侦测方法
技术领域
本发明涉及无线电监测技术领域，特别涉及一种基于宽带频谱的快速信号侦测方法。
背景技术
无线电监测是无线电频谱资源管理的重要技术支撑，可以通过无线电监测技术手段获得对无线频谱资源的实际使用情况，及时发现异常信号、非法电台，保障合法无线电台的正常使用，维护空中无线电波秩序。在无线电监测工作中，通常以人工操作的方式来观测宽频段范围内的频率使用情况，手动提取信号及特征参数，并与无线电监测频率数据库和台站数据库进行比对，确定信号的合法性。对于短时监测任务，其数据量少、持续时间短，人工观测方式可以比较好的完成信号检测与比对工作；但对于长周期大带宽的无线电监测场景，由于其持续时间长、频率范围宽、频谱数据量极大，人工方式做信号检测与比对的效率会明显下降。因而迫切需要一种基于宽带频谱数据的信号自动侦测方法，以提高无线电监测工作效率。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于宽带频谱的快速信号侦测方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于宽带频谱的快速信号侦测方法，包括如下步骤：
步骤S1，导入频谱数据，并将频谱数据按照业务频段做分段处理并存放，获得数据S[n]；
步骤S2，构建每个业务频段内的标准信号模板；
步骤S3，对每个业务频段的频谱数据S[n]，每预设帧数进行一次平均，获得业务频段内更平滑的信号踪迹数据S_av[n]；
步骤S4，计算当前业务频段的门限电平Level_thr；
步骤S5，根据门限电平Level_thr，计算当前数据集S_av[n]内存在的信号；当前业务频段数据处理完成后，统计并输出测试结果；
步骤S6，针对其他频段的信号，重复步骤S2至步骤S5，最终获得整个频段内的信号数量及其参数的侦测结果。
进一步，在所述步骤S2中，所述构建每个业务频段内的标准信号模板，包括如下步骤：
手动提取预设时段内已分配的合法业务信号al频谱数据al[p，q]，其中，p为每帧数据长度、q为帧数；
对信号频谱数据al[p，q]取最大值，得到标准信号模板S_std；
如果业务频段内存在其他类型的标准信号则重复上述两步，构建相应类型的信号模板。
进一步，在所述步骤S3中，每50帧进行一次平均，获得业务频段内更平滑的信号踪迹数据S_av[n]。
进一步，在所述步骤S4中，
取数据集S_av[n]的算术平均值E1；
将S_av[n]大于E1的数据剔除，剩余数据组成新数据集S’_av[m]；
取新数据集的算术平均值E2；
计算门限电平Level_thr＝(El+E2)/2。
进一步，在所述步骤S5中，
果当前业务频段有明确的信道分配规则，则根据信道数量分割频谱数据S_av[n]，每个信道频谱数据为S_av_ch[i]，其中i≤p，p＝[n/m]，m为信道数量分割的段数，p取整数；
b)统计每个信道S_av_ch[i]的峰值电平是否大于门限Level_thr；
c)若大于门限电平Level_thr，则计算当前信道频谱数据S_av_ch[i]与标准业务频谱模板的匹配度，即相关系数θi，i为当前计算的信道对应的索引，
Figure GDA0003776200830000021
其中，Cov(S_av_ch[i]，S_std)为信道频谱与标准信号数据的协方差；
Var[S_av_ch[i]]表示信道频谱数据方差，Var[S_std]表示对应业务频段标准信号数据方差；
d)若匹配度大于门限T＝0.9，则认为信道频谱类型与信号模板一致，并根据信道分配规则计算出对应的中心频率Fre_centeri，并计算99％能量带宽BW99％
Fre_centeri＝(fstop+fstart)/2
由
Figure GDA0003776200830000022
计算fi
BW99％＝fi-fstart
其中，fstart，fstop为S_av_ch[i]对应的开始和结束频率；
e)若当前业务频段存在多种信号模板，则分别计算S_av_ch[i]与多个模板的匹配度θi，取其最大值，根据最大值是否大于门限来判断是否存在与信号模板一直的信号。若存在，则计算相应的中心频率Fre_centeri和99％能量带宽BW99％；
f)若匹配度小于T，则认为是当前信道存在未知信号，执行以下步骤：
g)对当前信道频谱数据S_av_ch[i]做小波变换，获得高频系数
Figure GDA0003776200830000031
Figure GDA0003776200830000032
Figure GDA0003776200830000033
其中，P是信号段S_av_ch[i]的数据点数，
Figure GDA0003776200830000034
是小波基函数，t表示当前进行小波变换的信号段的索引，j和k分别是小波基函数集中对应不同的尺度量和平移量的索引，
Figure GDA0003776200830000039
是
Figure GDA0003776200830000036
的共轭。
h)针对小波变换的高频系数
Figure GDA0003776200830000037
做模极大值检测，极大值处对应着频谱的奇异点，负值对应着信号频谱的上升沿即为开始频率fstart、正值对应着信号频谱下降沿，即为结束频率fstop；
i)计算得到未知信号中心频率、99％能量带宽
Fre_centeri＝(fstop+fstart)/2
由
Figure GDA0003776200830000038
计算fi
BW99％＝fi-fstart；
进一步，在所述步骤S5中，所述统计并输出测试结果，包括：信号数量、信号类型、信号中心频率、带宽。
根据本发明实施例的基于宽带频谱的快速信号侦测方法，综合使用频谱形状模板以及小波变换极值检测等手段，实现宽频带范围内信号的自动侦测，达到发现信号、识别信号的目标。具体按照无线业务频段划分，将频谱数据分段处理，降低不同业务频段间底噪电平差异带来的影响。同时，使用标准业务信号频谱模板匹配方式提高对合法信号频域参数的检测精度，使用小波变换边沿检测方法实现对未知信号频率范围的检测。最终实现宽频带范围内信号的自动侦测，达到快速发现信号、识别信号的目的。本发明方法简单，实现难度小，可用于无线电监测的在线信号侦测和离线信号侦测，能够显著提高频谱数据的利用价值，提升现有无线电监测的技术能力。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于宽带频谱的快速信号侦测方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的基于宽带频谱的快速信号侦测方法的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面首先对本发明提供的基于宽带频谱的快速信号侦测方法的应用技术背景进行说明：
为保证各领域的无线电应用都能正常进行，提高频谱资源利用效率，无线电频率监管部门颁布《中华人民共和国无线电频率划分规定》，为地面无线通信业务的各具体类型分配使用频率。同时为保证各业务频段内频率资源的合理有效利用，每种业务的通信制式都有特定的信道分配规则，如GSM900，其上行频率：890-915MHz，下行频率：935-960MHz，信道带宽200KHz；广播电视业务包括模拟电视和数字电视业务，频率范围：48～223MHz、470～806MHz，信道带宽8MHz，但由于模拟电视的图像和伴音分离，其图像带宽6MHz、伴音带宽0.5MHz。
图像边缘检测是数字图像处理与分析和机器视觉领域的重要研究内容。在图像中，灰度值突变点一般位于重要目标的边界，边缘检测则可以找出突变点，以此分辨图像中的个体。图像边缘检测已经应用于很多工程领域，如模式识别、图像匹配、纹理检测等等。边缘检测的算法有很多种，经过研究发现小波变换模极大值算法比Sobel、Prewitt、Robert等算法的边缘检测效果更好，不仅能确定突变位置，而且可以检测信号变化的奇异性，更有效的检测目标的边界。在信号频谱检测中，可以将频谱数据看做图像数据，利用该算法实现对业务信号的边缘检测，确认每个信号的边界频率，以便于分离信号频谱数据。
基于此，本发明提出一种基于宽带频谱的快速信号侦测方法，该方法建议使用步进不高于100Hz的扫频数据作为信号检测的数据来源。
如图1和图2所示，本发明实施例的基于宽带频谱的快速信号侦测方法，包括如下步骤：
步骤S1，导入频谱数据，并将频谱数据按照业务频段做分段处理并存放，获得数据S[n]。
步骤S2，构建每个业务频段内的标准信号模板。
在步骤S2中，构建每个业务频段内的标准信号模板，包括如下步骤：
首先，手动提取预设时段内已分配的合法业务信号al频谱数据al[p，q]，其中，p为每帧数据长度、q为帧数；
对信号频谱数据al[p，q]取最大值，得到标准信号模板S_std；
最后，如果业务频段内存在其他类型的标准信号则重复上述两步，构建相应类型的信号模板。
步骤S3，对每个业务频段的频谱数据S[n]，每预设帧数进行一次平均，获得业务频段内更平滑的信号踪迹数据S_av[n]。
在步骤S3中，每50帧进行一次平均，获得业务频段内更平滑的信号踪迹数据S_av[n]。
步骤S4，计算当前业务频段的门限电平Level_thr。
1)取数据集S_av[n]的算术平均值E1；
2)将S_av[n]大于E1的数据剔除，剩余数据组成新数据集S’_av[n]；
3)取新数据集的算术平均值E2；
4)计算门限电平Level_thr＝(E1+E2)/2。
步骤S5，根据门限电平Level_thr，计算当前数据集S_av[n]内存在的信号。
1)如果当前业务频段有明确的信道分配规则(包含m个信道、信道宽度CP)，则根据信道数量分割频谱数据S_av[n]，每个信道频谱数据为S_av_ch[i]，其中i≤p，p＝[n/m]，m为信道数量分割的段数，p取整数；
2)统计每个信道S_av_ch[i]的峰值电平是否大于门限Level_thr。若大于门限电平Level_thr，则计算当前信道频谱数据S_av_ch[i]与标准业务频谱模板的匹配度，即相关系数θi，i为当前计算的信道对应的索引，
Figure GDA0003776200830000051
其中，Cov(S_av_ch[i]，S_std)为信道频谱与标准信号数据的协方差；
Var[S_av_ch[i]]表示信道频谱数据方差，Var[S_std]表示对应业务频段标准信号数据方差；
3)若匹配度大于门限T＝0.9，则认为信道频谱类型与信号模板一致，并根据信道分配规则计算出对应的中心频率Fre_centeri，并计算99％能量带宽BW99％
Fre_centeri＝(fstop+fstart)/2
由
Figure GDA0003776200830000061
计算fi
BW99％＝fi-fstart
其中，fstart，fstop为S_av_ch[i]对应的开始和结束频率；
4)若当前业务频段存在多种信号模板，则分别计算S_av_ch[i]与多个模板的匹配度θi，取最大值，并计算相应的中心频率Fre_centeri和99％能量带宽BW99％；
5)若匹配度小于T，则认为是当前信道存在未知信号，执行以下步骤：
6)对当前信道频谱数据S_av_ch[i]做小波变换，获得高频系数(detailedcoefficient)
Figure GDA0003776200830000062
Figure GDA0003776200830000063
Figure GDA0003776200830000064
其中，P是信号段S_av_ch[i]的数据点数，
Figure GDA0003776200830000065
是小波基函数，t表示当前进行小波变换的信号段的索引，j和k分别是小波基函数集中对应不同的尺度量和平移量的索引，
Figure GDA0003776200830000066
是
Figure GDA0003776200830000067
的共轭。
7)针对小波变换的高频系数Tφ(j，k)做模极大值检测，极大值处对应着频谱的奇异点，负值对应着信号频谱的上升沿即为开始频率fstart、正值对应着信号频谱下降沿，即为结束频率fstop；
8)计算得到未知信号中心频率、99％能量带宽
fre_centeri＝(fstop+fstart)/2
由
Figure GDA0003776200830000068
计算Fi
BW99％＝fi-fstart。
9)当前业务频段数据处理完成后，统计并输出测试结果。
在本发明的实施例中，统计并输出测试结果，包括：信号数量、信号类型、信号中心频率、带宽等。
需要说明的是，测试结果的内容不限于上述举例，还可以包括其他内容，在此不再赘述。
步骤S6，针对其他频段的信号，重复步骤S2至步骤S5,最终获得整个频段内的信号数量及其参数的侦测结果。
下面以广电5G建设频段(698MHz～798MHz)为实施例对本发明作进一步地详细说明。
本发明使用步进不高于1KHz的扫频数据作为698MHz～798MHz频段内信号检测的数据来源，具体步骤如下：
1、将扫频数据在广电5G频段内的数据分段并存放；
2、构建该频段内的信号(模拟电视、DTMB、DVB-C、DVB-T)频谱形状模板；
3、对该频段的实时频谱数据，每50帧做平均计算，获得一组业务频段内更平滑的信号踪迹数据S_av[n]；
4、计算当前业务频段的门限电平，执行以下步骤：
a)取数据集S_av[n]的算术平均值E1；
b)随后将S_av[n]大于E1的数据剔除，剩余数据组成新数据集S’_av[n]；
c)取新数据集的算术平均值E2；
d)计算门限电平Level_thr＝(E1+E2)/2；
5、根据门限电平Level_thr，分析当前数据集S_av[n]内存在的信号
a)由于广电5G建设频段目前仍然属于数字电视广播业务频段，则根据数字电视业务信道分配规则，频谱数据S_av[n]被分割为数个8MHz带宽的信道频谱数据S_av_ch[i]；
b)统计每个信道的峰值电平是否大于门限Level_thr；
c)若大于门限，则分别计算当前信道频谱数据S_av_ch[i]与标准业务频谱模板(模拟电视、DTMB、DVB-C、DVB-T)的匹配度，即相关系数θ[i]，取最大值θ_max；
d)若θ_max匹配度大于门限a，则根据相应的信道分配规则给出信号中心频率，并计算99％能量带宽；
e)若匹配度小于a，则认为是当前信道存在未知信号，执行以下步骤：
f)对当前信道频谱数据S_av_ch[i]做小波变换，获得高频系数(detailedcoefficient)Co[m]；
g)针对小波变换的高频系数Co[m]做模极大值检测，获得未知信号开始频率f_start、f_stop；
h)计算得到未知信号中心频率、99％能量带宽；
i)当前5G建设频段数据处理完成后，统计并输出信号数量、信号类型、信号中心频率、带宽等测试结果。
根据本发明实施例的基于宽带频谱的快速信号侦测方法，综合使用频谱形状模板以及小波变换极值检测等手段，实现宽频带范围内信号的自动侦测，达到发现信号、识别信号的目标。具体按照无线业务频段划分，将频谱数据分段处理，降低不同业务频段间底噪电平差异带来的影响。同时，使用标准业务信号频谱模板匹配方式提高对合法信号频域参数的检测精度，使用小波变换边沿检测方法实现对未知信号频率范围的检测。最终实现宽频带范围内信号的自动侦测，达到快速发现信号、识别信号的目的。
本发明对宽带频谱做分段处理、根据各通信业务信号的特点，使用频谱模板确定信道内的频谱类型。对类型已知信号，根据信道分配特性，计算对应的信号频率和带宽等参数。对于未知信号类型，则使用小波变换取模极值的方法来计算信号频率和带宽等参数。通过本方法，最终实现基于宽带频谱的快速信号侦测。本发明方法简单，实现难度小，可用于无线电监测的在线信号侦测和离线信号侦测，能够显著提高频谱数据的利用价值，提升现有无线电监测的技术能力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种基于宽带频谱的快速信号侦测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，导入频谱数据，并将频谱数据按照业务频段做分段处理并存放，获得数据S[n]；
步骤S2，构建每个业务频段内的标准信号模板；
步骤S3，对每个业务频段的频谱数据S[n]，每预设帧数进行一次平均，获得业务频段内更平滑的信号踪迹数据S_av[n]，n为每个业务频段的频谱数据点的数量；
步骤S4，计算当前业务频段的门限电平Level_thr；
步骤S5，根据门限电平Level_thr，计算当前数据集S_av[n]内存在的信号；当前业务频段数据处理完成后，统计并输出测试结果；其中，
a)如果当前业务频段有明确的信道分配规则，则根据信道数量分割频谱数据S_av[n]，每个信道频谱数据为S_av_ch[i]，其中i≤p，p＝[n/m],m为信道数量分割的段数，p取整数；
b)统计每个信道S_av_ch[i]的峰值电平是否大于门限Level_thr；
c)若大于门限电平Level_thr，则计算当前信道频谱数据S_av_ch[i]与标准业务频谱模板的匹配度，即相关系数θi，i为当前计算的信道对应的索引，
Figure FDA0003776200820000011
其中，Cov(S_av_ch[i],S_std)为信道频谱与标准信号数据的协方差；
Var[S_av_ch[i]]表示信道频谱数据方差，Var[S_std]表示对应业务频段标准信号数据方差；
d)若匹配度大于门限T＝0.9，则认为信道频谱类型与信号模板一致，并根据信道分配规则计算出对应的中心频率Fre_centeri，并计算99％能量带宽BW99％
Fre_centeri＝(fstop+fstart)/2
由
Figure FDA0003776200820000012
计算fi
BW99％＝fi-fstart
其中，fstart,fstop为S_av_ch[i]对应的开始和结束频率；
e)若当前业务频段存在多种信号模板，则分别计算S_av_ch[i]与多个模板的匹配度θi，取其最大值，根据最大值是否大于门限来判断是否存在与信号模板一致 的信号；若存在，则计算相应的中心频率Fre_centeri和99％能量带宽BW99％；
f)若匹配度小于T，则认为是当前信道存在未知信号，执行以下步骤：
g)对当前信道频谱数据S_av_ch[i]做小波变换，获得高频系数
Figure FDA0003776200820000021
Figure FDA0003776200820000022
Figure FDA0003776200820000023
其中，P是信号段S_av_ch[i]的数据点数，
Figure FDA0003776200820000024
是小波基函数，t表示当前进行小波变换的信号段的索引，j和k分别是小波基函数集中对应不同的尺度量和平移量的索引，
Figure FDA0003776200820000025
是
Figure FDA0003776200820000026
的共轭；
h)针对小波变换的高频系数
Figure FDA0003776200820000027
做模极大值检测，极大值处对应着频谱的奇异点，负值对应着信号频谱的上升沿即为开始频率fstart、正值对应着信号频谱下降沿，即为结束频率fstop；
i)计算得到未知信号中心频率、99％能量带宽
Fre_centeri＝(fstop+fstart)/2
由
Figure FDA0003776200820000028
计算fi
BW99％＝fi-fstart；
步骤S6，针对其他频段的信号，重复步骤S2至步骤S5,最终获得整个频段内的信号数量及其参数的侦测结果。
2.如权利要求1所述的基于宽带频谱的快速信号侦测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述构建每个业务频段内的标准信号模板，包括如下步骤：
手动提取预设时段内已分配的合法业务信号a1频谱数据a1[q,l],其中，q为每帧数据长度、l为帧数；
对信号频谱数据a1[q,l]取最大值，得到标准信号模板S_std；
如果业务频段内存在其他类型的标准信号则重复上述两步，构建相应类型的信号模板。
3.如权利要求1所述的基于宽带频谱的快速信号侦测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，每50帧进行一次平均，获得业务频段内更平滑的信号踪迹数据S_av[n]。
4.如权利要求1所述的基于宽带频谱的快速信号侦测方法，其特征在于，在所述步骤S4中，
取数据集S_av[n]的算术平均值E1；
将S_av[n]大于E1的数据剔除，剩余数据组成新数据集S’_av[n]；
取新数据集的算术平均值E2；
计算门限电平Level_thr＝(E1+E2)/2。
5.如权利要求1所述的基于宽带频谱的快速信号侦测方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述统计并输出的 测试结果，包括：信号数量、信号类型、信号中心频率、带宽。
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