CN112769506A - 一种基于频谱的快速无线电检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于频谱的快速无线电检测方法，属于无线电通信技术领域，该检测方法具体步骤如下：(1)构建无线电软硬件平台；(2)信号采集；(3)信号预处理；(4)进行能量频段分析处理；(5)高能量频段检测；(6)低能量频段检测；本发明采用能量检测法和循环平稳特征检测法来进行无线电的频谱检测，并且通过能量频段判断模型进行分析和方法选择，有利于准确的判断出信道里面是否有主用户存在，进而有利于避免频谱资源的浪费；而且本发明将FPGA芯片为数据处理计算硬件基础，有利于提高本发明的检测速度；使得整体检测时间大大缩短。

Description

一种基于频谱的快速无线电检测方法
技术领域
本发明涉及无线电通信技术领域，尤其涉及一种基于频谱的快速无线电检测方法。
背景技术
经检索，中国专利号CN107332633B公开了一种认知无线电频谱检测方法，该发明结构简单，虽然能够判断出信道里面是否有主用户存在，但该发明检测时间慢，精度低，而且受噪声影响大；认知无线电是为了有限的频谱资源所提出来的一种无线电的使用方法，其目的就是在于采用灵活使用空闲频谱的方式来增加频谱的利用率，进而实现在有限的频谱资源的情况下，能够提供给更多的用户进行通信的效果；目前随着无线电技术是快速发展，越来越多的技术需求和应用占据着不可再生的频谱资源，导致可用于授权分配的资源越来越少，频谱使用情况越来越紧张；并且现有的己分配和授权的频谱资源并没有很好的被利用，授权用户并非时刻在占用频谱进行通信，进而造成了频谱资源的极大浪费；因此发明出一种基于频谱的快速无线电检测方法变得尤为重要；
现有的无线电检测方法，虽然简单易实现，但易受到信道噪声的干扰，容易导致整体检测时间过长，而且其检测可信度较低，容易干扰信道主用户的正常使用，进而无法实现频谱切换和频谱共享；为此我们提出一种基于频谱的快速无线电检测方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种基于频谱的快速无线电检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于频谱的快速无线电检测方法，该检测方法具体步骤如下：
(1)构建无线电软硬件平台：构建包含有射频前端处理模块、模数转换器和数字信号处理模块的无线电软件平台；
(2)信号采集：利用步骤(1)中的射频前端处理模块采集现有频谱上每个信道上的能量；
(3)信号预处理：利用步骤(1)中的模数转换器和数字信号处理模块对现有频谱上每个信道上的能量进行预处理；
(4)进行能量频段分析处理：利用机器学习算法对处理后的现有频谱上每个信道上的能量进行特征提取，并利用分类器建立能量频段判断模型，以分析出该信道上属于高能量频段还是低能量频段，之后根据分析结果选择频谱检测方式；
(5)高能量频段检测：利用能量检测法对处于高能量频段的信道进行频谱检测，以判断该信道里面是否有主用户存在；
(6)低能量频段检测：利用循环平稳特征检测法对处于低能量频段的信道进行频谱检测，以判断该信道里面是否有主用户存在。
进一步地，步骤(1)所述射频前端处理模块包括带通滤波单元、低噪放大单元、功率放大单元、模拟上下变频单元和自动增益控制单元；步骤(1)所述数字信号处理模块主要包括数据处理单元、调制/解调单元、编码/解码单元和同步处理单元；所述数字信号处理模块具体为FPGA芯片。
进一步地，所述能量频段分析处理具体过程如下：
S1：采集低能量频段和高能量频段的能量信号，提取其能量特征，并将其作为训练样本；
S2：构建分类器，将训练样本放入分类器中进行学习，得到能量频段判断模型；
S3：利用能量频段判断模型分析信道能量类型，并根据分析结果选择相应频谱检测方法进行检测。
进一步地，步骤(4)所述高能量频段检测具体过程如下：
SS1：利用无线电软硬件平台采集能量信号，之后在进行转换得到时域信号；
SS2：对域信号进行快速傅立叶变换，得到频域结果；
SS3：对频域结果进行求模平方和累加求和的能量计算，得到信号能量值E；
SS4：同时计算噪声功率和虚警概率，并利用计算噪声功率和虚警概率求得门限值λ；
SS5：计算得到的信号能量值E预设的门限值λ作比较，若E>λ,则表示信道里面是有主用户存在，若E<λ,则表示信道里面主用户不存在。
进一步地，所述信号能量值计算公式如下：
Figure BDA0002907639880000031
门限值λ计算公式如下：
Figure BDA0002907639880000041
式中：n＝1,2,…,N；N表示观测窗的长度；
Figure BDA0002907639880000042
表示为方差。
进一步地，步骤(5)所述低能量频段检测具体过程如下：
SSS1：利用无线电软硬件平台采集能量信号，之后在进行转换得到零均值循环平稳信号；
SSS2：对零均值循环平稳信号进行循环自相关函数计算，得到循环频率α范围；
SSS3：对循环频率α范围进行傅立叶变换得到循环谱密度函数
Figure BDA0002907639880000043
SSS4：根据循环频率α范围，并利用循环谱密度函数
Figure BDA0002907639880000044
判断信道里面是否有主用户存在。
进一步地，所述SSS4的判断公式如下：
当α＝0使时，
Figure BDA0002907639880000045
当α＝0使时，
Figure BDA0002907639880000046
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、该一种基于频谱的快速无线电检测方法将FPGA芯片作为数据处理计算硬件基础，利用其高速运算的优点来进行检测算法计算和信号处理，极大程度上提高了后续的无线电的检测判断速度，进而有利于使得本发明整体检测时间大大缩短；
2、该一种基于频谱的快速无线电检测方法，通过利用机器学习算法对处理后的现有频谱上每个信道上的能量进行特征提取，并利用分类器建立能量频段判断模型，之后通过该模型自动分析出该信道属于高能量频段还是低能量频段，然后根据分析结果选择相应检测方法，其检测方法包括能量检测法和循环平稳特征检测，本发明通过能量频段判断模型进行检测算法的选择，有利于使检测结果可信度大大提高，并且降低了信道噪声的干扰程度，从而有利于提高无线电频谱检测的准确度，进而实现频谱切换和频谱共享。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提出的一种基于频谱的快速无线电检测方法的整体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1，一种基于频谱的快速无线电检测方法，该检测方法具体步骤如下：
(1)构建无线电软硬件平台：构建包含有射频前端处理模块、模数转换器和数字信号处理模块的无线电软件平台；
(2)信号采集：利用步骤(1)中的射频前端处理模块采集现有频谱上每个信道上的能量；
(3)信号预处理：利用步骤(1)中的模数转换器和数字信号处理模块对现有频谱上每个信道上的能量进行预处理；
(4)进行能量频段分析处理：利用机器学习算法对处理后的现有频谱上每个信道上的能量进行特征提取，并利用分类器建立能量频段判断模型，以分析出该信道上属于高能量频段还是低能量频段，之后根据分析结果选择频谱检测方式；
(5)高能量频段检测：利用能量检测法对处于高能量频段的信道进行频谱检测，以判断该信道里面是否有主用户存在；
(6)低能量频段检测：利用循环平稳特征检测法对处于低能量频段的信道进行频谱检测，以判断该信道里面是否有主用户存在。
步骤(1)射频前端处理模块包括带通滤波单元、低噪放大单元、功率放大单元、模拟上下变频单元和自动增益控制单元；步骤(1)数字信号处理模块主要包括数据处理单元、调制/解调单元、编码/解码单元和同步处理单元；数字信号处理模块具体为FPGA芯片。
能量频段分析处理具体过程如下：
S1：采集低能量频段和高能量频段的能量信号，提取其能量特征，并将其作为训练样本；
S2：构建分类器，将训练样本放入分类器中进行学习，得到能量频段判断模型；
S3：利用能量频段判断模型分析信道能量类型，并根据分析结果选择相应频谱检测方法进行检测。
步骤(4)高能量频段检测具体过程如下：
SS1：利用无线电软硬件平台采集能量信号，之后在进行转换得到时域信号；
SS2：对域信号进行快速傅立叶变换，得到频域结果；
SS3：对频域结果进行求模平方和累加求和的能量计算，得到信号能量值E；
SS4：同时计算噪声功率和虚警概率，并利用计算噪声功率和虚警概率求得门限值λ；
SS5：计算得到的信号能量值E预设的门限值λ作比较，若E>λ,则表示信道里面是有主用户存在，若E<λ,则表示信道里面主用户不存在。
信号能量值计算公式如下：
Figure BDA0002907639880000071
门限值λ计算公式如下：
Figure BDA0002907639880000081
式中：n＝1,2,…,N；N表示观测窗的长度；
Figure BDA0002907639880000082
表示为方差。
步骤(5)低能量频段检测具体过程如下：
SSS1：利用无线电软硬件平台采集能量信号，之后在进行转换得到零均值循环平稳信号；
SSS2：对零均值循环平稳信号进行循环自相关函数计算，得到循环频率α范围；
SSS3：对循环频率α范围进行傅立叶变换得到循环谱密度函数
Figure BDA0002907639880000083
SSS4：根据循环频率α范围，并利用循环谱密度函数
Figure BDA0002907639880000084
判断信道里面是否有主用户存在。
SSS4的判断公式如下：
当α＝0使时，
Figure BDA0002907639880000085
当α＝0使时，
Figure BDA0002907639880000086
本发明的工作原理及使用流程：该一种基于频谱的快速无线电检测方法在使用前，首先需要构建包含有射频前端处理模块、模数转换器和数字信号处理模块的无线电软件平台，然后利用射频前端处理模块采集现有频谱上每个信道上的能量，之后利用模数转换器和数字信号处理模块对现有频谱上每个信道上的能量进行预处理；然后采集低能量频段的能量特征和高能量频段的能量特征，将其作为训练样本，之后进行分类器构建，并将训练样本放入分类器中进行学习，得到能量频段判断模型；能量频段判断模型完成后，即可以进行正式使用，使用时先采集需要进行无线电检测的信道，获取其能量信号值，然后通过能量频段判断模型进行智能自动分析，当该信道能量信号值处于高能量频段时，数字信号处理模块会利用能量检测法对其进行频谱检测，具体过程如下：第一步会将采集到的能量信号转化为时域信号，第二步对域信号进行快速傅立叶变换，得到频域结果，第三步对频域结果进行求模平方和累加求和的能量计算，得到信号能量值E，第四步同时计算噪声功率和虚警概率，并利用计算噪声功率和虚警概率求得门限值λ，最后计算得到的信号能量值E预设的门限值λ作比较，若E>λ,则表示信道里面是有主用户存在，若E<λ,则表示信道里面主用户不存在；当该信道能量信号值处于高能量频段时，数字信号处理模块则会利用循环平稳特征检测法对其进行频谱检测，进而判断出该信道里面是否有主用户存在；本发明将FPGA芯片为数据处理计算硬件基础，利用其高速运算的优点来进行检测算法计算，极大程度上提高了本发明的无线电检测速度；而且本发明通过机器学习算法建立能量频段判断模型，通过能量频段判断模型分析可以选择相应检测方式，不仅使得整体检测时间缩短，而且提高了检测可信度，进而有利于实现频谱切换和频谱共享。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于频谱的快速无线电检测方法，其特征在于，该检测方法具体步骤如下：
(1)构建无线电软硬件平台：构建包含有射频前端处理模块、模数转换器和数字信号处理模块的无线电软件平台；
(2)信号采集：利用步骤(1)中的射频前端处理模块采集现有频谱上每个信道上的能量；
(3)信号预处理：利用步骤(1)中的模数转换器和数字信号处理模块对现有频谱上每个信道上的能量进行预处理；
(4)进行能量频段分析处理：利用机器学习算法对处理后的现有频谱上每个信道上的能量进行特征提取，并利用分类器建立能量频段判断模型，以分析出该信道上属于高能量频段还是低能量频段，之后根据分析结果选择频谱检测方式；
(5)高能量频段检测：利用能量检测法对处于高能量频段的信道进行频谱检测，以判断该信道里面是否有主用户存在；
(6)低能量频段检测：利用循环平稳特征检测法对处于低能量频段的信道进行频谱检测，以判断该信道里面是否有主用户存在。
2.根据权利要求1所述的一种基于频谱的快速无线电检测方法，其特征在于，步骤(1)所述射频前端处理模块包括带通滤波单元、低噪放大单元、功率放大单元、模拟上下变频单元和自动增益控制单元；步骤(1)所述数字信号处理模块主要包括数据处理单元、调制/解调单元、编码/解码单元和同步处理单元；所述数字信号处理模块具体为FPGA芯片。
3.根据权利要求1所述的一种基于频谱的快速无线电检测方法，其特征在于，所述能量频段分析处理具体过程如下：
S1：采集低能量频段和高能量频段的能量信号，提取其能量特征，并将其作为训练样本；
S2：构建分类器，将训练样本放入分类器中进行学习，得到能量频段判断模型；
S3：利用能量频段判断模型分析信道能量类型，并根据分析结果选择相应频谱检测方法进行检测。
4.根据权利要求1所述的一种基于频谱的快速无线电检测方法，其特征在于，步骤(4)所述高能量频段检测具体过程如下：
SS1：利用无线电软硬件平台采集能量信号，之后在进行转换得到时域信号；
SS2：对域信号进行快速傅立叶变换，得到频域结果；
SS3：对频域结果进行求模平方和累加求和的能量计算，得到信号能量值E；
SS4：同时计算噪声功率和虚警概率，并利用计算噪声功率和虚警概率求得门限值λ；
SS5：计算得到的信号能量值E预设的门限值λ作比较，若E>λ,则表示信道里面是有主用户存在，若E<λ,则表示信道里面主用户不存在。
5.根据权利要求3所述的一种基于频谱的快速无线电检测方法，其特征在于，所述信号能量值计算公式如下：
Figure FDA0002907639870000031
门限值λ计算公式如下：
Figure FDA0002907639870000032
式中：n＝1,2,…,N；N表示观测窗的长度；
Figure FDA0002907639870000033
表示为方差。
6.根据权利要求1所述的一种基于频谱的快速无线电检测方法，其特征在于，步骤(5)所述低能量频段检测具体过程如下：
SSS1：利用无线电软硬件平台采集能量信号，之后在进行转换得到零均值循环平稳信号；
SSS2：对零均值循环平稳信号进行循环自相关函数计算，得到循环频率α范围；
SSS3：对循环频率α范围进行傅立叶变换得到循环谱密度函数
Figure FDA0002907639870000034
SSS4：根据循环频率α范围，并利用循环谱密度函数
Figure FDA0002907639870000035
判断信道里面是否有主用户存在。
7.根据权利要求6所述的一种基于频谱的快速无线电检测方法，其特征在于，所述SSS4的判断公式如下：
当α＝0使时，
Figure FDA0002907639870000036
当α＝0使时，
Figure FDA0002907639870000037
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