CN112583495B - 一种水声通信唤醒信号低功耗实时分段检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水声通信唤醒信号低功耗实时分段检测方法，步骤1：唤醒信号设计与发送；步骤2：并行n通道自适应Notch滤波器设计；步骤3：分段接收信号并输出各通道包络比重值；步骤4：更新检测矩阵；步骤5：基于特定检测矩阵的频点能量判决；步骤6：唤醒上电。本发明发射端唤醒信号易于系统实现，使用与唤醒信号频率对应的自适应Notch滤波器实时分段处理，减少单次计算复杂度，提高运行速度；接收端根据唤醒信号特征设计特定的检测矩阵，将滤波器各通道输出的包络比重值作为矩阵元素，将对单个频率信号的能量判决转化成唤醒信号整体存在概率的问题，降低了对单个频率信号的检测标准，提高了抗干扰和抗水声信道频率选择性衰落的能力，提高检测概率。

Description

一种水声通信唤醒信号低功耗实时分段检测方法

技术领域

本发明涉及一种水声通信唤醒信号低功耗实时分段检测方法，属于水下声通信领域。

背景技术

水声通信设备一般需要长期工作于水下环境，依靠自带电池供电，能量有限。因此，通常在系统中设计值班电路，该电路功耗较低，通过水声通信唤醒信号触发上电，使通信机处于正常高功耗工作状态。

现有的水声通信唤醒信号检测方法主要有以下几种：中国专利CN108449147B公开了一种基于线性调频信号的水声通信唤醒方法，该方法在发射端选择5个线性调频信号作为唤醒信号，接收端信号与本地参考信号进行相关运算并记录相关峰的到达时刻和检测状态，最后判决是否有唤醒信号到达，这种基于线性调频信号的匹配滤波检测法性能好，但计算复杂，对值班电路的处理能力要求高、功耗相对较大。中国专利CN105472719A公开了一种稳健的水下通信节点唤醒信号检测方法，该方法发射端使用双频或多频作为唤醒信号，接收端对接收信号执行单位圆上的CZT变换、搜索CZT变换细化谱的极值，通过估计各分量相对频率间隔和相对幅度是否保持不变来判决是否有唤醒信号到达，这种频率检测方法同样计算复杂，且在水声信道频率选择性衰落的条件下可能导致漏报。中国专利CN102201872A公开了一种水声通信低功耗唤醒设备，发射端选择单频信号作为唤醒信号，接收端对接收信号进行单频点定点DFT处理，通过判断其频率是否与已知唤醒信号频率对应来判决是否有唤醒信号到达，该方法虽然设计简单，但可靠性差，在恶劣水声信道条件下容易发生漏报和虚警。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种水声通信唤醒信号低功耗实时分段检测方法，采用该唤醒方法，可以实现低复杂度运算，减小内存需求，同时也能适应水声信道的频率选择性衰落和低信噪比的情况，提高可靠性，克服水声通信系统中值班单元低功耗处理器内存少、运算能力有限的问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种水声通信唤醒信号低功耗实时分段检测方法，包括以下步骤：

步骤1：信号发射端在通信频带内产生n个频率不同、脉宽固定为T的单频CW信号，n≥3，将这n个信号按设定的排列顺序串联组成唤醒信号并发送，其中第i个单频信号的频率为f_i。

步骤2：信号接收端设计一组并行n通道自适应Notch滤波器，其各通道中心频率与待接收唤醒信号的频点一一对应，设置滤波器自适应学习步长μ，在每一个滤波通道中，根据其中心频率计算两路正交参考信号并存入表格。

步骤3：信号接收端值班单元低功耗值守，实时接收并对信号分段检测，处理的每段信号帧长为t，t＝T/m，正整数m为分帧系数，设置m值；接收端将每帧信号依次输入并行n通道自适应Notch滤波器，其中第i个通道的中心频率为f_i，每帧长度为t的信号经过第i个通道后输出的包络均值记为e_i，e_i在当前所有通道输出的包络均值之和中所占的比重记为s_i，即s_i＝e_i/∑e_i,i＝1,2,...,n；

步骤4：建立检测矩阵M，行数为n、列数为n×m，步骤3中第一次计算的比重值s_i存入矩阵M的第i行、第1列；之后每一次的计算结果依次存入矩阵M的下一列中，直至完成n×m次计算，矩阵M被填满，执行步骤5；

步骤5：检测矩阵M被填满后，开始进行对唤醒信号是否存在的判决，具体为：检测矩阵中第i行的元素对应每帧处理信号中频点f_i存在的概率，按照唤醒信号排列规律依次计算矩阵中对应的频点元素和y_i，即：

其中，M_ij代表矩阵M中第i行、第j列的元素，将y_i作为检测统计量；设置单个频率能量门限为Th₁，总能量门限为Th₂，当[y₁,...y_i,...,y_n]中大于Th₁的频点个数超过n/2且总和大于Th₂时，判为唤醒信号到达，进入步骤6；否则，判为不存在唤醒信号，将矩阵M中第一列元素移除，返回步骤4，将下一次的结果s_i继续存入矩阵M的第i行、第n×m列；

步骤6：值班单元给工作系统上电，开始高功耗工作，工作结束后给工作系统断电；同时，值班单元继续进行下一次唤醒信号的检测，将矩阵M清空，返回步骤4继续更新检测矩阵；直至系统被回收，值班单元停止检测。

本发明的有益效果：发射端将唤醒信号设计成多个不同频率正/余弦信号串联的简单形式，易于系统实现，接收端使用与唤醒信号频率对应的自适应Notch滤波器进行实时分段处理，减少单次计算复杂度，节省系统内存空间，提高运行速度；接收端根据唤醒信号特征巧妙设计特定的检测矩阵形式，将滤波器各通道输出的包络比重值作为矩阵元素，充分利用滤波器输出的包络信息，将对单个频率信号的能量判决转化成唤醒信号整体存在概率的问题，降低了对单个频率信号的检测标准，提高了该方法抗干扰和抗水声信道频率选择性衰落的能力，提高检测概率；同时，设置单频点能量门限Th₁和总能量门限Th₂，降低虚警概率，提高可靠性。

附图说明

图1为水声通信唤醒信号低功耗实时分段检测方法原理图；

图2为检测矩阵判决原理示意图；

图3为唤醒信号低功耗实时分段检测方法具体实现流程图；

图4为具体实施案例在所述水声稀疏信道模型下的检测概率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

本发明的目的是这样实现的：

(1)信号发射端在通信频带内产生n(n≥3)个频率不同、脉宽固定为T的单频正/余弦信号，将这n个信号按设定的排列顺序串联组成唤醒信号并发送。

(2)信号接收端设计一组并行n通道自适应Notch滤波器，其各通道中心频率与待接收唤醒信号的频点一一对应；在每一个滤波通道中，根据其中心频率计算两路正交参考信号并存入表格，方便使用。

(3)信号接收端值班单元低功耗值守，实时接收并对信号分段检测。处理的每段信号帧长为t，t＝T/m，正整数m为分帧系数，可根据实际应用灵活选取；接收端将每帧信号依次输入并行n通道自适应Notch滤波器，其中第i个通道的中心频率为f_i，每帧长度为t的信号经过第i个通道后输出的包络均值记为e_i，e_i在当前所有通道输出的包络均值之和中所占的比重记为s_i，即s_i＝e_i/∑e_i,(i＝1,2,...,n)。

(4)建立检测矩阵M，行数为n、列数为n×m。步骤(3)中第一次计算的比重值s_i存入矩阵M的第i行、第1列；之后每一次的计算结果依次存入矩阵M的下一列中，直至完成n×m次计算，矩阵M被填满，进入步骤(5)。

(5)检测矩阵如附图2所示，矩阵M被填满后，开始进行对唤醒信号是否存在的判决；检测矩阵中第i行的元素对应每帧处理信号中频点f_i存在的概率，按照唤醒信号排列规律依次计算矩阵中对应的频点元素和y_i，即：

将y_i作为检测统计量；设置单个频率能量门限为Th₁，总能量门限为Th₂，当[y₁,...y_i,...,y_n]中大于Th₁的频点个数超过n/2且总和大于Th₂时，判为唤醒信号到达，进入步骤(6)；否则，判为不存在唤醒信号，将矩阵M中第一列元素移除，返回步骤(4)，将下一次的结果s_i继续存入矩阵M的第i行、第n×m列，进行步骤(5)的判决。

(6)当检测到唤醒信号后，值班单元给工作系统上电，开始高功耗工作，工作结束后给工作系统断电；同时，值班单元继续进行下一次唤醒信号的检测，直至系统被回收，值班单元停止检测。

结合图1和图3，本发明具体实施方式包括以下步骤：

(1)唤醒信号设计与发送

信号发射端在通信频带内产生n(n≥3)个频率不同、脉宽固定为T的单频正/余弦信号，其中第i个单频信号的频率为f_i，这n个信号按设定的排列顺序串联组成唤醒信号并发送；用单频信号组成的唤醒信号结构简单，易于发射和接收；同时，采用n个不同频率信号组合的形式，能改善单频信号抗干扰性能差、易受信道衰落影响的缺点，在易于系统实现的同时有效提高了检测概率。

(2)并行n通道自适应Notch滤波器设计

信号接收端设计一组并行n通道自适应Notch滤波器，其各通道中心频率与待接收唤醒信号的频点一一对应；滤波器的学习步长μ等参数可根据实际技术要求灵活选取；在每一个滤波通道中，根据该通道的中心频率计算两路正交参考信号并存入表格，方便使用。

(3)分段接收信号并输出各通道包络比重值

信号接收端值班单元低功耗值守，实时接收并对信号分段检测。处理的每段信号帧长为t，t＝T/m，正整数m为分帧系数，可根据实际应用灵活选取；接收端将每帧信号依次输入并行n通道自适应Notch滤波器，其中第i个通道的中心频率为f_i，每帧长度为t的信号经过第i个通道后输出的包络均值记为e_i，e_i在当前所有通道输出的包络均值之和中所占的比重记为s_i，即s_i＝e_i/∑e_i,(i＝1,2,...,n)。

(4)更新检测矩阵

建立检测矩阵M，行数为n、列数为n×m；步骤(3)中第一次计算的比重值s_i存入矩阵M的第i行、第1列；之后每一次的计算结果依次存入矩阵M的下一列中，直至完成n×m次计算，矩阵M被填满，进入步骤(5)。

(5)基于特定检测矩阵的频点能量判决

检测矩阵M被填满后，开始进行对唤醒信号是否存在的判决；检测矩阵中第i行的元素对应每帧处理信号中频点f_i存在的概率，按照唤醒信号排列规律依次计算矩阵中对应的频点元素和y_i，即：

将y_i作为检测统计量；设置单个频率能量门限Th₁，Th₁＝a×m,(0＜a＜1)，总能量门限Th₂，Th₂＝(n×Th₁+b)，其中，a和b为常数，可根据实际技术要求灵活选取，m为分帧系数(即每个单频信号实际被分成的段数)，n为唤醒信号中所含单频信号总个数。当[y₁,...y_i,...,y_n]中大于Th₁的频点个数超过n/2且总和∑y_i大于Th₂时，判为唤醒信号到达，进入步骤(6)；否则，判为不存在唤醒信号，将矩阵M中第一列元素移除，返回步骤(4)，将下一次的结果s_i存入矩阵M的第i行、第n×m列，继续进行步骤(5)的判决。

(6)唤醒上电

当检测到唤醒信号后，值班单元给工作系统上电，开始高功耗工作，工作结束后给工作系统断电；同时，值班单元继续进行下一次唤醒信号的检测，将矩阵M清空，返回步骤(4)继续更新检测矩阵；直至系统被回收，值班单元停止检测。

以3个频点组成的唤醒信号为例对本发明作进一步详细描述，具体步骤如下：

(1)通信频带8-16kHz，唤醒信号由3个单频信号串联，频率依次为11.5kHz、11kHz、10.5kHz，脉宽100ms，单频信号之间无间隔，唤醒信号总长300ms，仿真使用的水声稀疏信道模型为：信道路径数20，相邻路径时延差满足均值为2ms的指数分布，平均多径时延扩展为14ms，多径幅度服从平均功率随时延呈负指数衰减的瑞利分布，噪声为信号通带内高斯白噪声。

(2)信号接收端值班电路选用超低功耗芯片MSP430，为进一步降低运算复杂度，采样率设置为4kHz，对信号进行带通采样；接收端设计一组三通道自适应Notch滤波器，单个通道中心频率依次为0.5kHz、1kHz、1.5kHz，与带通采样后的唤醒信号频点一一对应；滤波器自适应学习步长μ取0.1，在每一个滤波通道中，根据该通道的中心频率计算两路正交参考信号并存入表格，方便使用，提高效率。

(3)信号接收端值班单元低功耗值守，实时接收并对信号分段检测。分帧系数m取10，即每个单频唤醒信号在接收端将被分成10段，每帧长为10ms；每帧采样信号依次输入并行三通道自适应Notch滤波器，经过这三个通道后输出的包络均值记为e₁,e₂,e₃，分别计算各通道输出的包络均值在当前所有通道输出的包络均值中所占的比重s₁,s₂,s₃，即：s_i＝e_i/∑e_i,(i＝1,2,3)。

(4)建立检测矩阵M，行数为3、列数为30；步骤(3)中第一次计算的各通道比重值s₁,s₂,s₃分别存入矩阵M的第1行、第1列，第2行、第1列，第3行、第1列，之后每一次的计算结果依次存入矩阵M的下一列中，直至完成30次计算，矩阵M被填满，进入步骤(5)。

(5)检测矩阵M被填满后，开始进行对唤醒信号是否存在的判决；依次计算检测矩阵中对应唤醒信号中每个单频信号频点排列规律和脉宽的部分元素和y_i，即：

并将y_i作为检测统计量，y₁为第1行、第1至10列元素和，y₂为第2行、第11至20列元素和，y₃为第3行、第21至30列元素和。单频点能量门限Th₁取3.5，总能量门限Th₂取12.5；当[y₁,y₂,y₃]中大于Th₁的频点至少有2个且总和∑y_i大于Th₂时，判为唤醒信号到达，进入步骤(6)；否则，判为不存在唤醒信号，将矩阵M中第一列元素移除，返回步骤(4)，将下一次的结果s_i存入矩阵M第30列，继续进行步骤(5)的判决。

(6)当检测到唤醒信号后，值班单元给工作系统上电，开始高功耗工作，工作结束后给工作系统断电；同时，值班单元继续进行下一次唤醒信号的检测，将矩阵M清空，返回步骤(4)继续更新检测矩阵；直至系统被回收，值班单元停止检测。

(7)在步骤(1)所述水声信道模型中，虚警概率低于10^-4条件下，本实施案例在不同信噪比下仿真10000次得到的检测概率曲线如附图4所示。所使用的时变信道模型接近真实水声环境的信道条件，从图中可以看出，采用该唤醒信号低功耗实时分段检测方法，检测概率较高。

Claims (1)

1.一种水声通信唤醒信号低功耗实时分段检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：信号发射端在通信频带内产生n个频率不同、脉宽固定为T的单频CW信号，n≥3，将这n个信号按设定的排列顺序串联组成唤醒信号并发送，其中第i个单频信号的频率为f_i；

步骤2：信号接收端设计一组并行n通道自适应Notch滤波器，其各通道中心频率与待接收唤醒信号的频点一一对应，设置滤波器自适应学习步长μ，在每一个滤波通道中，根据其中心频率计算两路正交参考信号并存入表格；

步骤3：信号接收端值班单元低功耗值守，实时接收并对信号分段检测，处理的每段信号帧长为t，t＝T/m，正整数m为分帧系数，设置m值；接收端将每帧信号依次输入并行n通道自适应Notch滤波器，其中第i个通道的中心频率为f_i，每帧长度为t的信号经过第i个通道后输出的包络均值记为e_i，e_i在当前所有通道输出的包络均值之和中所占的比重记为s_i，即s_i＝e_i/∑e_i,i＝1,2,...,n；

步骤4：建立检测矩阵M，行数为n、列数为n×m，步骤3中第一次计算的比重值s_i存入矩阵M的第i行、第1列；之后每一次的计算结果依次存入矩阵M的下一列中，直至完成n×m次计算，矩阵M被填满，执行步骤5；

步骤5：检测矩阵M被填满后，开始进行对唤醒信号是否存在的判决，具体为：检测矩阵中第i行的元素对应每帧处理信号中频点f_i存在的概率，按照唤醒信号排列规律依次计算矩阵中对应的频点元素和y_i，即：

其中，M_ij代表矩阵M中第i行、第j列的元素，将y_i作为检测统计量；设置单个频率能量门限为Th₁，总能量门限为Th₂，当[y₁,...y_i,...,y_n]中大于Th₁的频点个数超过n/2且总和大于Th₂时，判为唤醒信号到达，进入步骤6；否则，判为不存在唤醒信号，将矩阵M中第一列元素移除，返回步骤4，将下一次的结果s_i继续存入矩阵M的第i行、第n×m列；

步骤6：值班单元给工作系统上电，开始高功耗工作，工作结束后给工作系统断电；同时，值班单元继续进行下一次唤醒信号的检测，将矩阵M清空，返回步骤4继续更新检测矩阵；直至系统被回收，值班单元停止检测。

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