CN112217577B - 一种基于频点存在概率的水下通信节点唤醒信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于频点存在概率的水下通信节点唤醒信号检测方法，包括步骤一：发射机发射唤醒信号s(t)；步骤二：接收机接收持续时间为N×T的信号，每次处理信号时长为T；步骤三：设定码片置信度p_n,n＝1,2,…,N，比较q_n和p_n的大小；检测到q_n＜p_n，判断不是唤醒信号，接收机舍弃接收信号的第一段，向后补充，重新开始检测；当q_n≥p_n时，接收机重复步骤二，按照频率顺序检测下一个频点的存在概率，直到满足所有的q_n≥p_n，进入步骤四；步骤四：设定总置信度Q。本发明通过设计持续时间相同的多频唤醒信号，结合分段傅里叶变换对接收信号进行谱分析，计算特定频点的存在概率对信号进行判断，解决现有唤醒检测方法抗干扰能力差，漏检率高，虚警概率高等问题。

Description

一种基于频点存在概率的水下通信节点唤醒信号检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于频点存在概率的水下通信节点唤醒信号检测方法，属于水下通信领域。

背景技术

水下无线传感网络由多种无线传感节点构成。其中固定的水下节点因工作环境限制，只能用电池供电，而且节点电池的更换和维护非常困难。所以如何节约功耗，是水下通信节点设计的重要内容。值班电路控制电源是目前常用的有效降低水下节点功耗的办法。节点一般设计为工作状态和休眠状态。在休眠状态时，只有值班电路工作，一旦检测到唤醒信号，值班电路控制电源管理模块给整个系统上电使其开始工作。为了降低功耗，值班电路常以超低功耗处理器为核心，但低功耗处理器的性能较差，很难完成较复杂的信号检测算法。因此水下通信节点唤醒信号的检测方法在保障稳健性的同时要求运算简单。

中国专利说明书CN105472719A中公开了一种稳健的水下通信节点唤醒信号检测方法。该方法在接收端执行单位圆上的CZT变换，通过细化谱的极值估计的各频率分量之间的相对频率间隔和相对幅度关系来判断唤醒。该方法具有高的频率分辨率，抗相近频率干扰强。中国专利说明书CN104243369A中公开了一种用于水声通信MODEM的唤醒信号检测方法。该方法选择两个重复的平衡Gold序列生成的二相码信号作为唤醒信号，接收端完成多个不等长的相邻数据块对之间的滑动相关处理，通过比较相关值与预设门限完成唤醒信号检测。该方法的唤醒信号不易被漏检，检测运算效率高。但是目前尚无一种唤醒方法是通过分析多个特定频点的存在概率来判断是否唤醒的。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于频点存在概率的水下通信节点唤醒信号检测方法，针对水下通信节点目前唤醒信号检测虚警概率高和运算复杂的问题，目的是提供一种在水声通信信道中稳健可靠性高且运算简单的，分析频点存在概率的水下通信节点唤醒信号检测方法。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：发射机发射唤醒信号s(t)；

步骤二：接收机接收持续时间为N×T的信号，每次处理信号时长为T；

步骤三：设定码片置信度p_n,n＝1,2,…,N，比较q_n和p_n的大小；检测到q_n＜p_n，判断不是唤醒信号，接收机舍弃接收信号的第一段，向后补充，重新开始检测；当q_n≥p_n时，接收机重复步骤二，按照频率顺序检测下一个频点的存在概率，直到满足所有的q_n≥p_n，进入步骤四；

步骤四：设定总置信度Q；当mean{q|q₁,q₂,…,q_n,…,q_N}＜Q，mean表示取平均值，判断为非唤醒信号，接收机舍弃接收信号的第一段，向后补充，重新开始检测；当mean{q|q₁,q₂,…q_N}≥Q，判断为唤醒信号，电源管理模块给整个通信节点上电，使节点被唤醒转入工作状态。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.步骤一中的唤醒信号s(t)由N个码片构成，每个码片为单频信号，频率不同f_n,n＝1,2,…,N，持续时间都为T，信号总持续时间为N×T。

2.步骤二具体是：根据设定的采样率，确定窗长，在时域上将该T时长的处理信号划分为K段，并对每段信号做傅里叶变换，得到每段信号在f_n频点处的功率谱密度S_i(f_n),i＝1,2,…,K；设定阈值λ，当S_i(f_n)≥λ时，则记录为1，反之记录为0，判断结果1或者0整理为一个1×K的矩阵Y；矩阵Y中1的个数除以矩阵长度K得到频点存在概率q_n,n＝1,2,…,N。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种新的专门用于水下声通信节点的唤醒信号检测方法，该方法采用分段傅里叶变换进行谱分析，计算多个特定频点的存在概率判断唤醒。将长接收信号进行分段处理降低了单次运算量，满足水下声通信节点值班电路的低功耗需求。同时，传统能量阈值方法门限不好取，容易导致检测虚警或漏报。分析频点存在概率则融合了每段信号阈值判断结果，避免了单一阈值判断的负面影响，适用于分段处理的大量结果并使唤醒可靠性提高。最后，本方法还考虑了多频点总体存在概率，也就是总置信度，这样有利于降低在选择衰落信道中，单个频点存在概率大小相差大造成的漏检和虚警，提高检测系统的抗干扰能力。因此，本发明方法是一种稳健性好，抗干扰能力强并且运算简单的水下通信节点唤醒信号检测方法。

附图说明

图1为基于特定频点概率的水下通信节点唤醒信号的检测流程图；

图2为说明方法在具体参数下不同信噪比时的性能表现。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的主要目的是提供一种用于水下无线传感器网络通信节点的唤醒信号检测算法，通过设计持续时间相同的多频唤醒信号，结合分段傅里叶变换对接收信号进行谱分析，计算特定频点的存在概率对信号进行判断，解决现有唤醒检测方法抗干扰能力差，漏检率高，虚警概率高等问题。具体的技术方案如下：

1.发射的唤醒信号设计：

发射机发射唤醒信号s(t)。唤醒信号s(t)由N个码片构成，每个码片为单频信号，对应频率f_n,n＝1,2,…,N，持续时间都为T。信号总持续时间为N×T。为了提高抗干扰能力，保证稳健可靠，实际发射的唤醒信号所用码片个数应满足N≥3，频率分量之间的间隔不能太近，可根据需要设计，一般为几百赫兹～几千赫兹。

2.分段傅里叶变换进行谱分析，计算特定频点的存在概率：

接收机接收持续时间为N×T的信号，每次处理信号时长为T。根据设定的采样率，确定窗长在时域上将该信号划分为K段。对于数字信号处理，应保证每段信号长度为整数。同时为了避免后续计算频点存在概率中因数据量少造成巨大的偶然误差，应保证每段信号的数据量，而为了减少运算量。每段K值也不宜过大，具体数值据工程实际而定。

每段信号做傅里叶变换后，得到f_n频点处的功率谱密度S_i(f_n)。考虑经过发射机、水声信道和接收机产生的频偏，不能精准得到f_n频点处的功率谱密度S_i(f_n)，可依照采样率设定一个包含f_n的小区间，将处在该区间内频率对应的功率谱密度最大值看作S_i(f_n)。设定阈值λ，当S_i(f_n)≥λ时，则记录为1，反之记录为0，判断结果1或者0整理为一个1×K的矩阵Y。矩阵Y中1的个数除以矩阵长度K得到频点存在概率q_n,n＝1,2,…,N。

3.码片置信度判断：

设定码片置信度p_n,n＝1,2,…,N，每个频点对应的码片置信度可不相同，具体数值据工程实际而定，p_n≤1。比较q_n和p_n的大小。一旦检测到q_n＜p_n，判断不是唤醒信号，接收机舍弃接收信号的第一段，向后补充，重新开始检测。当q_n≥p_n时，接收机按照频率顺序返回步骤2依次检测，直到满足

进入总置信度判断。

4.总置信度判断：

设定总置信度Q，Q的值应该大于p_n中的最小值，即对于总体信号的唤醒特征要求比单帧信号的要求更加严格，从而避免偶然性影响，具体数值据工程实际而定。当q_n的平均值小于Q时，判断不是唤醒信号，接收机舍弃接收信号的第一段，向后补充，重新开始检测。当q_n的平均值大于或等于Q时，判断为唤醒信号，电源管理模块给整个通信节点上电，使节点被唤醒转入工作状态。

本发明的具体流程如附图1所示。下面以码片长度相同，存在三个频率的唤醒信号为例，结合附图进行说明：

1.发射机发射唤醒信号s(t)。唤醒信号s(t)由3个码片构成，每个码片为单频信号，频率不同，f₁＝3kHz，f₂＝4kHz，f₃＝5kHz，持续时间都为0.1s。唤醒信号s(t)总持续时间为0.3s。

2.接收机接收持续时间为0.3s的信号，每次处理信号时长为0.1s。按照频率分量的顺序，首先检测f₁频点。采样率设置为48kHz。在时域上将这帧信号平均划分为4段，每段信号做2048点的傅里叶变换后得到f₁频点处的功率谱密度，分别为S₁(f₁)，S₂(f₁)，S₃(f₁)，S₄(f₁)。根据噪声能量均值适当加权计算得到阈值λ。当S_i(f₁)≥λ时，则记录为1，反之记录为0，判断结果1或者0整理为一个1×4的矩阵Y。矩阵Y中1的个数除以矩阵长度4得到码片有效率q₁。

3.设定码片置信度p₁＝p₂＝p₃＝0.75。首先比较q₁和p₁的大小，当q₁＜p₁，判断不是唤醒信号，接收机舍弃接收信号的第一段长为0.025s的信号，再重新接收0.025s长度的信号向后补充，形成新的长为0.3s的接收信号重新开始检测。当q₁≥p₁时，接收机重复步骤二，处理下一帧0.1s长度的信号，按照频率顺序依次检测下一个频点的存在概率，直到满足q₁≥p₁，q₂≥p₂，q₃≥p₃，进入下个步骤。

4.设定总置信度Q＝0.83，计算q₁，q₂，q₃的平均值mean{q₁,q₂,q₃}。当mean{q₁,q₂,q₃}＜Q时，判断不是唤醒信号，接收机舍弃接收信号的第一段长为0.025s的信号，再重新接收0.025s长度的信号向后补充，形成新的长为0.3s的接收信号重新开始检测。当mean{q₁,q₂,q₃}≥Q，判断为唤醒信号，电源管理模块给整个通信节点上电，使节点被唤醒转入工作状态。

5.附图2为该案例在不同信噪比下的检测概率曲线。表明该发明方案在低信噪比下检测性能好，具有强抗干扰性。

Claims (1)

1.一种基于频点存在概率的水下通信节点唤醒信号检测方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：发射机发射唤醒信号s(t)；唤醒信号s(t)由N个码片构成，每个码片为单频信号，对应频率f_n,n＝1,2,…,N，持续时间都为T，信号总持续时间为N×T；

步骤二：接收机接收持续时间为N×T的信号，每次处理信号时长为T；根据设定的采样率，确定窗长在时域上将该信号划分为K段；对于数字信号处理，保证每段信号长度为整数；

对每段信号做傅里叶变换，得到每段信号在f_n频点处的功率谱密度S_i(f_n),i＝1,2,…,K；依照采样率设定一个包含f_n的小区间，将处在该区间内频率对应的功率谱密度最大值看作S_i(f_n)；设定阈值λ，当S_i(f_n)≥λ时，则记录为1，反之记录为0，判断结果1或者0整理为一个1×K的矩阵Y；矩阵Y中1的个数除以矩阵长度K得到频点存在概率q_n,n＝1,2,…,N；

步骤三：设定码片置信度p_n,n＝1,2,…,N，比较q_n和p_n的大小；检测到q_n＜p_n，判断不是唤醒信号，接收机舍弃接收信号的第一段，向后补充，重新开始检测；当q_n≥p_n时，接收机重复步骤二，按照频率顺序检测下一个频点的存在概率，直到满足所有的q_n≥p_n，进入步骤四；

步骤四：设定总置信度Q；当mean{q|q₁,q₂,…,q_n,…,q_N}＜Q，mean表示取平均值，判断为非唤醒信号，接收机舍弃接收信号的第一段，向后补充，重新开始检测；当mean{q|q₁,q₂,…q_N}≥Q，判断为唤醒信号，电源管理模块给整个通信节点上电，使节点被唤醒转入工作状态。

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