CN114301741B - 一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法，构建满足近似完全重构特性的滤波器组，所述滤波器组的系数为p；采用短时傅里叶变换的方法，检测信号在通过所述滤波器组时，各个子信道的频带内是否有信号传输，若检测到各个子信道中同时存在有信号输出情况与无信号输出情况，则信号在通过所述滤波器组进行滤波的时候，满足动态信道化；本发明的有益效果为避免估计各子信道噪声功率的动态化方法，有效提高数字动态信道动态化的性能；在简化滤波器组的设计基础上，解决对子信道噪声功率估计不准确的问题。

Description

一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法

技术领域

本发明涉及信号传输技术领域，具体而言，涉及一种基于短时傅里叶变换的动态信道化 方法。

背景技术

具有完全重构特性的滤波器组的原型滤波器设计复杂，滤波器阶数过高，难以在实际中 进行运用；子信道信号检测因为信道噪声功率估计性能的不确定带来漏检、错检等问题。

在现有技术中，构建能够精确重构信号的滤波器组方法，设计出的原型滤波器阶数高达 13312阶，过长时延特性使得这类滤波器难以工程实现；且在信号重构满足要求的情况下， 缓解了原型滤波器设计复杂，阶数过高的问题。另一方面，采用子信道基底噪声粗功率估计值作为子带内信号判决的门限，动态化过程难以实现好的信号检测效果。为改进子信道信号 漏检、错检的现象，提出采用双门限检测的办法提高检测性能；利用小波变换斜投影法进行 噪声功率的估计。

上述方法中噪声功率估计值的偏差大小决定了信号检测性能，但实际的各个子信道噪声 可能存在差异，受到不同子信道噪声大小不同等影响，会出现在判断子信道内传输信号的时 候，发生错检漏检的情况。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中对各个子信道中信号判断受到随机噪声影响， 会出现错检漏检的情况，目的在于提供一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法，提高了 对子信道内信号传输判断的准确性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于短时傅里叶变换的动态信道化检测方法，方法步骤包括：

S1：构建满足近似完全重构特性的滤波器组，所述滤波器组的系数为p；

S2：采用短时傅里叶变换的方法，检测信号在通过所述滤波器组时，各个子信道的频带 内是否有信号传输，若检测到各个子信道中同时存在有信号输出情况与无信号输出情况，则 信号在通过所述滤波器组进行滤波的时候，满足动态信道化。

传统的在进行动态信道化的时候，采用的是构建完全重构特性的滤波器组，并且采用双 门限待频谱检测或接收机信道检测算法来对子信道内是否有信号传输进行判断，但是在采用 这种方法进行判断的时候，构建的滤波器步骤繁琐，且在每个子信道中存在的随机噪声带来一定的影响，会造成检测到子信道内的信号检测结果不准确；本发明提供了一种基于短时傅 里叶变换的动态信道化检测方法，简化了构建滤波器的繁琐步骤，且能够将子信道中的随机 噪声信号进行考虑，提高了对子信道中信号判断的准确性。

优选地，所述步骤S1子步骤包括：

S11：采用凯撒窗函数或最小二乘法，构建滤波器组，

S12：基于滤波器组的通带带宽，获取所述滤波器组的截止频率带宽；

S13：基于截止频率带宽，构建第一矩阵；

S14：基于所述滤波器组的初始系数向量以及所述第一矩阵，生成第二矩阵与所述滤波器 组的投影向量，并基于所述投影向量更新所述滤波器组的初始系数向量，获得所述滤波器组。

优选地，所述步骤S1的子步骤还包括：

检测所述初始系数向量与所述投影向量之间的线性差是否小于第一阈值，若是，则生成 所述滤波器组，否则，重复步骤S14，直到线性差满足第一阈值，输出所述滤波器组。

优选地，所述步骤S2的子步骤包括：

S21：任意选取一个子信道，采用双滑动窗方法，建立第一窗与第二窗；

S22：对第一窗内传输的信号进行短时傅里叶变换，获得信号在时间T内的第一功率值Υ₁；

S23：对第二窗内传输的信号进行短时傅里叶变换，获得信号在时间T内的第二功率值Υ₂；

S24：判断参数第二功率值Υ₂与第一功率值Υ₁的比值，获得该子信道内是否有信号进行 传输；

S25：遍历所有的子信道，若各个子信道中同时存在有信号输出情况与无信号输出情况， 则信号在通过所述滤波器组进行滤波的时候，满足动态信道化。

优选地，所述步骤S24的具体判断方法为：

当第一窗内传输的信号与第二窗内传输的信号均为噪声信号时，检测到所述第二功率值 与所述第一功率值的比值约等于1，则该子信道无信号；

当第一窗内传输的信号为滤波信号，第二窗内传输的信号为噪声信号时，检测到所述第 二功率值与所述第一功率值的比值小于等于1，则该子信道内有信号；

当第一窗内传输的信号为噪声信号，第二窗内传输的信号为滤波信号，检测到所述第二 功率值与所述第一功率值的比值大于等于1，则该子信道内无信号；

当第一窗内传输的信号与第二窗内传输的信号均为滤波信号，检测到所述第二功率值与 所述第一功率值的比值约等于1，则该子信道内有信号。

优选地，所述子信道还包括标志位，所述标志位用于判断所述第一窗内或所述第二窗内 是否一直在传输信号。

优选地，所述截止频率带宽的具体表达式为：

M为滤波器多相分解阶数，ε为所述滤波器组的过渡带宽，为所述滤波器组的通带带 宽。

优选地，所述第一矩阵的表达式为：

其中N为所述滤波器组的长度，为所述第一矩阵中的第(i.j)个元素。

优选地，所述投影向量的具体表达式为：

q＝(U^TU+0.1U_s)^-1(U^Td),d＝[1,1,…,1]_k×1

q为所述滤波器组初始系数向量偏向完全重构条件下理想滤波器系数的投影向量，U_s为 第一矩阵，U为第二矩阵，k为积分阶数。

优选地，在步骤S14中，基于所述投影向量更新所述滤波器组的初始系数向量的具体表达式为：

p为所述滤波器组的初始系数向量，τ为平滑参数，q为所述滤波器组初始系数向量偏向 完全重构条件下理想滤波器系数的投影向量。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明实施例提供的一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法，通过适当放缩滤波 器组的完全可重构特性，以及避免估计各子信道噪声功率的动态化方法，有效提高数字动态 信道动态化的性能；

2、本发明实施例提供的一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法，在简化滤波器组的 设计基础上，解决对子信道噪声功率估计不准确的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的 附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是 对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为基于多相滤波的信道化结构

图2为基于双短时傅里叶变换窗检测的动态信道化结构

图3为双短时傅里叶变换窗检测过程

图4为原型滤波器幅频相应图

图5为余弦调制滤波器组幅频相应示意图

图6为不同宽带信号示意图

图7为第一个信号滤出示意图

图8为第二个信号滤出示意图

图9为第三个信号滤出示意图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明 作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本 发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域 普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为 了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合 该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此， 在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特 性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示 图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个 或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、 “低”“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保护范围的限制。

实施例

本实施例公开了一种基于短时傅里叶变换的动态信道化检测方法，如图1～图3所示，方 法步骤包括：

S1：构建满足近似完全重构特性的滤波器组，所述滤波器组的系数为p；

所述步骤S1子步骤包括：

S11：采用凯撒窗函数或最小二乘法，构建滤波器组；

在步骤S11中，构建的滤波器组采用的是经典的滤波器构建方法，凯撒窗函数或最小二 乘法来进行构建，构建出长度为N的线性相位低通滤波器，该滤波器的通带带宽为将 该滤波器系数作为所设计原型滤波器的初始系数，记为列向量p；

S12：基于滤波器组的通带带宽，获取所述滤波器组的截止频率带宽；

截止频率带宽的具体表达式为：

M为子信道划分个数，即滤波器多相分解阶数，ε为所述滤波器组的过渡带宽，为所 述滤波器组的通带带宽。

S13：基于截止频率带宽，构建第一矩阵；

所述第一矩阵的表达式为：

其中N为所述滤波器组的长度，为所述第一矩阵中的第(i.j)个元素。

S14：基于所述滤波器组的初始系数向量以及所述第一矩阵，生成第二矩阵与所述滤波器 组的投影向量，并基于所述投影向量更新所述滤波器组的初始系数向量，获得所述滤波器组。

通过初始系数向量以及构建的第一矩阵，生成第二矩阵以及投影向量，其中

矩阵H(Φ_p)的具体表达式和U_t(Φ_p)具体表达式分别为：

H(Φ_p)＝diag[M_p(ω_p1)M_p(ω_p2)…M_p(ω_pk)]

M_p(ω)＝2p^Tc(ω),c(ω)＝[cos(N-1)ω/2…cosω/2]

列向量q由前面生成的矩阵U和U_s算出，表示为q＝(U^TU+0.1U_s)^-1(U^Td),d＝[1,1,…,1]_k×1。

所述投影向量的具体表达式为：

q＝(U^TU+0.1U_s)^-1(U^Td),d＝[1,1,…,1]_k×1

q为所述滤波器组初始系数向量偏向完全重构条件下理想滤波器系数的投影向量，U_s为 第一矩阵，U为第二矩阵，k为积分所需要的阶数，取适当值。

在步骤S14中，基于所述投影向量更新所述滤波器组的初始系数向量的具体表达式为：

p为所述滤波器组的初始系数向量，τ为平滑参数，且0<τ<1，q为所述滤波器组初始系 数向量偏向完全重构条件下理想滤波器系数的投影向量。

所述步骤S1的子步骤还包括：

检测所述初始系数向量与所述投影向量之间的线性差是否小于第一阈值，若是，则生成 所述滤波器组，否则，重复步骤S14，直到线性差满足第一阈值，输出所述滤波器组。

通过计算出来的投影向量不断对初始系数向量进行更新，能够使得投影向量与初始系数 向量之间的系数差满足线性条件，使得构建的滤波器能够满足近似完全重构的特性，为后面 进行动态信道化做准备。

S2：采用短时傅里叶变换的方法，检测信号在通过所述滤波器组时，各个子信道的频带 内是否有信号传输，若检测到各个子信道中同时存在有信号输出情况与无信号输出情况，则 信号在通过所述滤波器组进行滤波的时候，满足动态信道化。

在步骤S2中，将双滑动窗方法以及短时傅里叶变换的方法结合起来，来对通过滤波器的 信号进行分析计算，

所述步骤S2的子步骤包括：

S21：任意选取一个子信道，采用双滑动窗方法，建立第一窗与第二窗；

S22：对第一窗内传输的信号进行短时傅里叶变换，获得信号在时间T内的第一功率值Υ₁； 对第一窗内传输的信号进行傅里叶变换的公式为

S23：对第二窗内传输的信号进行短时傅里叶变换，获得信号在时间T内的第二功率值Υ₂； 对第二窗内传输的信号进行傅里叶变换的公式为

S24：判断参数第二功率值Υ₂与第一功率值Υ₁的比值，获得该子信道内是否有信号进行 传输；

如表一所示，步骤S24的具体判断方法具体为：

当第一窗内传输的信号与第二窗内传输的信号均为噪声信号时，检测到所述第二功率值 与所述第一功率值的比值约等于1，则该子信道无信号；

当第一窗内传输的信号为滤波信号，第二窗内传输的信号为噪声信号时，检测到所述第 二功率值与所述第一功率值的比值小于等于1，则该子信道内有信号；

当第一窗内传输的信号为噪声信号，第二窗内传输的信号为滤波信号，检测到所述第二 功率值与所述第一功率值的比值大于等于1，则该子信道内无信号；

当第一窗内传输的信号与第二窗内传输的信号均为滤波信号，检测到所述第二功率值与 所述第一功率值的比值约等于1，则该子信道内有信号。

表1-子信道内信号检测判决

S25：遍历所有的子信道，若各个子信道中同时存在有信号输出情况与无信号输出情况， 则信号在通过所述滤波器组进行滤波的时候，满足动态信道化。

对每个子信道重复以上步骤，判断该子信道内是否有信号传输，能够提高动态信道化的 性能。

在表一中，子信道还包括标志位，所述标志位用于判断所述第一窗内或所述第二窗内是 否一直在传输信号。

如图4～图9所示，构建一个满足几乎完全可重构条件的原型滤波器，该通带带宽为 10MHz，过渡带宽5MHz，阻带衰减100dB，通过本发明中方法提出所得的原型滤波器的幅频响应图为图4，原型滤波器的阶数为450，迭代中初始滤波器使用凯撒窗函数生成。根据该原型滤波器得到的分析滤波器组的幅频响应如图5所示，图6～图9为动态信道化结果，生成带宽分别为1MHz，2MHz，以及4MHz的宽带信号，信号所在的中心频点分别为0.5MHz， 3MHz和7MHz。通过发明中所提出的分析滤波器组以及动态化方法，成功将三个宽带信号滤 出。

采用本实施例提供了一种基于短时傅里叶变换的动态信道化检测方法，简化构建近似完 全重构特性的滤波器组，并结合双滑动窗以及短时傅里叶变换对窗内信号进行处理的方法， 避免了精确重构滤波器组的复杂度高与动态信道化中信号检测准确率受随机噪声影响的问题，且能够使得滤波器在进行滤波的过程中，实现动态信道化，提高了对滤波器中传输信号 检测的准确性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护 范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法，其特征在于，方法步骤包括：

S1：构建满足近似完全重构特性的滤波器组，所述滤波器组的系数为p；

步骤S1子步骤包括：

S11：采用凯撒窗函数或最小二乘法，构建滤波器组；

S12：基于滤波器组的通带带宽，获取所述滤波器组的截止频率带宽；

S13：基于截止频率带宽，构建第一矩阵；

S14：基于所述滤波器组的初始系数向量以及所述第一矩阵，生成第二矩阵与所述滤波器组的投影向量，并基于所述投影向量更新所述滤波器组的初始系数向量，获得所述滤波器组；

S2：采用短时傅里叶变换的方法，检测信号在通过所述滤波器组时，各个子信道的频带内是否有信号传输，若检测到各个子信道中同时存在有信号输出情况与无信号输出情况，则信号在通过所述滤波器组进行滤波的时候，满足动态信道化；

步骤S2的子步骤包括：

S21：任意选取一个子信道，采用双滑动窗方法，建立第一窗与第二窗；

S22：对第一窗内传输的信号进行短时傅里叶变换，获得信号在时间T内的第一功率值Υ1；

S23：对第二窗内传输的信号进行短时傅里叶变换，获得信号在时间T内的第二功率值Υ2；

S24：判断参数第二功率值Υ2与第一功率值Υ1的比值，获得该子信道内是否有信号进行传输，具体判断方法为：

当第一窗内传输的信号与第二窗内传输的信号均为噪声信号时，检测到所述第二功率值与所述第一功率值的比值约等于1，则该子信道无信号；

当第一窗内传输的信号为滤波信号，第二窗内传输的信号为噪声信号时，检测到所述第二功率值与所述第一功率值的比值小于等于1，则该子信道内有信号；

当第一窗内传输的信号为噪声信号，第二窗内传输的信号为滤波信号，检测到所述第二功率值与所述第一功率值的比值大于等于1，则该子信道内无信号；

当第一窗内传输的信号与第二窗内传输的信号均为滤波信号，检测到所述第二功率值与所述第一功率值的比值约等于1，则该子信道内有信号；

S25：遍历所有的子信道，若各个子信道中同时存在有信号输出情况与无信号输出情况，则信号在通过所述滤波器组进行滤波的时候，满足动态信道化。

2.根据权利要求1所述的一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法，其特征在于，所述步骤S1的子步骤还包括：

检测所述初始系数向量与所述投影向量之间的线性差是否小于第一阈值，若是，则生成所述滤波器组，否则，重复步骤S14，直到线性差满足第一阈值，输出所述滤波器组。

3.根据权利要求1所述的一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法，其特征在于，所子信道还包括标志位，所述标志位用于判断所述第一窗内或所述第二窗内是否一直在传输信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法，其特征在于，所述截止频率带宽的具体表达式为：

M为滤波器多相分解阶数，ε为所述滤波器组的过渡带宽，为所述滤波器组的通带带宽。

5.根据权利要求4所述的一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法，其特征在于，所述第一矩阵的表达式为：

其中N为所述滤波器组的长度，/>为所述第一矩阵中的第(i.j)个元素。

6.根据权利要求5所述的一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法，其特征在于，所述投影向量的具体表达式为：

q＝(U^TU+0.1Us)^-1(U^Td),d＝[1,1,...,1]_k×1

q为所述滤波器组初始系数向量偏向完全重构条件下理想滤波器系数的投影向量，Us为第一矩阵，U为第二矩阵，k为积分阶数。

7.根据权利要求1所述的一种基于短时傅里叶变换的动态信道化方法，其特征在于，在步骤S14中，基于所述投影向量更新所述滤波器组的初始系数向量的具体表达式为：

p为所述滤波器组的初始系数向量，τ为平滑参数，q为所述滤波器组初始系数向量偏向完全重构条件下理想滤波器系数的投影向量。