CN116032703B - 一种变换域通信系统信号码元数量的估计方法及系统 - Google Patents

一种变换域通信系统信号码元数量的估计方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变换域通信系统信号码元数量的估计方法及系统，本发明的方法包含如下步骤：求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值；对取绝对值之后的自相关函数做离散傅里叶变换；对所述离散傅里叶变换后的信号的模值进行取平方；对所述取平方后的信号进行谱线锁定，得到谱线的坐标；计算相邻谱线间频率的差值，并统计每个差值的频次；取最大频次比对应的差值的1/4作为码元数量的估计结果。本发明可以在低信噪比下对TDCS信号的码元数量给予估计，通过取模值平方、取最大频次比等步骤使得本发明的估计准确度高，所用到的信号处理方法均为常规方法，工程实现简单，算法复杂度低。

Description

一种变换域通信系统信号码元数量的估计方法及系统
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及信号码元数量估计方面，更具体地说，涉及一种变换域通信系统信号码元数量的估计方法及系统。
背景技术
变换域通信系统（TransformDomain Communication System，TDCS）通过对周围电磁环境进行采样，将采样信号在变换域中进行处理，确定周围干扰在变换域中的映射点，在变换域中设计出避开干扰映射点的基础调制波形，通过对该波形进行调制实现通信，因此变换域通信具有较强的抗干扰能力。除此之外，TDCS信号的时域波形具有类高斯特性，且频域表现为宽带信号，因此TDCS信号具有一定的隐蔽性。
正因为TDCS信号的抗干扰能力和隐蔽性使得TDCS具有极高的通信价值，也使得对TDCS信号的侦察十分困难。但TDCS信号码元数量是TDCS信号的一个重要参数，这会为后续TDCS信号报文的破译工作提供强有力的数据支持。因此对TDCS信号的参数进行有效估计显得十分重要。目前暂未发现TDCS信号码元数量估计相关的论文、专利等研究成果，也没有其他信号码元数量估计相关方法可以借鉴，因此有必要提供一种变换域通信系统信号码元数量的估计方法及系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中还没有对TDCS信号的码元数量进行估计的技术缺陷，本发明提供一种变换域通信系统信号码元数量的估计方法及系统。
根据本发明的第一方面，本发明为解决其技术问题，所采用的一种变换域通信系统信号码元数量的估计方法，包含如下步骤：
S1、求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值；
S2、对取绝对值之后的自相关函数做离散傅里叶变换；
S3、对所述离散傅里叶变换后的信号的模值进行取平方；
S4、对所述取平方后的信号进行谱线锁定，得到谱线的坐标；
S5、计算相邻谱线间频率的差值，并统计每个差值的频次；
S6、取最大频次比对应的差值的1/4作为码元数量的估计结果。
进一步地，在本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计方法中，求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值的结果为：
Figure SMS_1
；
其中，
Figure SMS_2
表示对所述对自相关函数取绝对值后的计算结果，/>
Figure SMS_3
为时移变量，num为码元数量，/>
Figure SMS_4
为冲击函数，N为基函数长度，/>
Figure SMS_5
是幅度函数，k为整数。
进一步地，在本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计方法中，所述离散傅里叶变换后的信号的模值是基于如下公式计算所得：
Figure SMS_6
；
其中，
Figure SMS_7
表示所述离散傅里叶变换后的信号的模值，/>
Figure SMS_8
表示频率，/>
Figure SMS_9
（）是离散傅里叶变换，j表示复数的虚部，e表示自然常数。
进一步地，在本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计方法中，所述谱线锁定采用单一门限判断的方法，将高于门限值的相对位置点作为局部谱峰的坐标点，即谱线的坐标点。
进一步地，在本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计方法中，所述离散傅里叶变换采用快速傅里叶变换实现。
根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，所提供的一种变换域通信系统信号码元数量的估计系统，包含如下模块：
自相关函数处理模块，用于求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值；
离散傅里叶变换模块，用于对取绝对值之后的自相关函数做离散傅里叶变换；
模值处理模块，用于对所述离散傅里叶变换后的信号的模值进行取平方；
谱线锁定模块，用于对所述取平方后的信号进行谱线锁定，得到谱线的坐标；
谱线处理模块，用于计算相邻谱线间频率的差值，并统计每个差值的频次；
结果估计模块，用于取最大频次比对应的差值的1/4作为码元数量的估计结果。
进一步地，在本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计系统中，求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值后的计算结果为：
Figure SMS_10
；
其中，
Figure SMS_11
表示对所述对自相关函数取绝对值后的计算结果，/>
Figure SMS_12
为时移变量，num为码元数量，/>
Figure SMS_13
为冲击函数，N为基函数长度，/>
Figure SMS_14
是幅度函数，k为整数。
进一步地，在本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计系统中，所述离散傅里叶变换后的信号的模值是基于如下公式计算所得：
Figure SMS_15
；
其中，
Figure SMS_16
表示所述离散傅里叶变换后的信号的模值，/>
Figure SMS_17
表示频率，/>
Figure SMS_18
是离散傅里叶变换，j表示复数的虚部，e表示自然常数。
进一步地，在本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计系统中，所述谱线锁定采用单一门限判断的方法，将高于门限值的相对位置点作为局部谱峰的坐标点，即谱线的坐标点。
进一步地，在本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计系统中，所述离散傅里叶变换采用快速傅里叶变换实现。
实施本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计方法与系统具有如下技术效果：本发明可以在低信噪比下对TDCS信号的码元数量给予估计，通过取模值平方、取最大频次比等步骤使得本发明的估计准确度高，所用到的信号处理方法均为常规方法，工程实现简单，算法复杂度低。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计方法一实施例的流程图；
图2是TDCS信号的自相关函数的绝对值的一实施例信号图；
图3是对离散傅里叶变换后的信号的模值进行取平方后一实施例谱线图；
图4是对离散傅里叶变换后的信号的模值进行取平方前后的一实施例谱线对照图；
图5是本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计系统一实施例的原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图1，本实施例的一种变换域通信系统信号码元数量的估计方法包含如下步骤：
S1、求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值。
求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值后的计算结果为：
Figure SMS_19
（1）
其中，
Figure SMS_20
表示对所述对自相关函数取绝对值后的计算结果，/>
Figure SMS_21
为时移变量，num为码元数量，/>
Figure SMS_22
为冲击函数，N为基函数长度，/>
Figure SMS_23
是幅度函数，其值为非负数，值的大小与信息码元的随机性有关，当信息码元随机分布时，/>
Figure SMS_24
趋势由/>
Figure SMS_25
向左右两端递减，k为整数。参考图2，TDCS信号的自相关函数的绝对值可近似为间隔N/2的冲激序列，且幅值由中央向两侧递减。
S2、对取绝对值之后的自相关函数做离散傅里叶变换。
因为快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)是离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)的一种高效率算法，二者数学本质上是等价的，因此在数学推导过程中可用DFT代替FFT进行推导。对取绝对值之后的自相关函数做离散傅里叶变换进行离散傅里叶变换得到
Figure SMS_26
(2)
其中，
Figure SMS_27
表示所述离散傅里叶变换后的信号的模值，/>
Figure SMS_28
表示频率，/>
Figure SMS_29
( )是离散傅里叶变换，j表示复数的虚部，e表示自然常数。
根据
Figure SMS_30
函数的特性，/>
Figure SMS_31
是间隔/>
Figure SMS_32
权值不等的谱峰，因此对公式(2)的解析过程，可以换角度考虑为：/>
Figure SMS_33
是在区间/>
Figure SMS_34
上，以N/2为采样间隔，以/>
Figure SMS_35
为采样权值，对复指数函数/>
Figure SMS_36
采样后累加，并对累加后的复数取模值的结果。
对复指数函数
Figure SMS_38
某一点的采样可表示为/>
Figure SMS_41
，其中/>
Figure SMS_43
表示第/>
Figure SMS_39
个采样点处的采样权值/>
Figure SMS_40
，/>
Figure SMS_42
，/>
Figure SMS_44
且/>
Figure SMS_37
。对所有采样点累加取模值的结果为
Figure SMS_45
(3)
显然，当
Figure SMS_46
且/>
Figure SMS_47
时，公式(3)取得最大值
Figure SMS_48
(4)
最大值取得的条件
Figure SMS_49
且/>
Figure SMS_50
所表达的含义为每个采样点均位于复指数函数一个周期内的同一点处，即/>
Figure SMS_51
是/>
Figure SMS_52
周期
Figure SMS_53
的整数倍
Figure SMS_54
(5)
由于
Figure SMS_55
，故/>
Figure SMS_56
可近似为/>
Figure SMS_57
，公式(5)可改写为
Figure SMS_58
(6)
则相邻谱线间的间隔
Figure SMS_59
为
Figure SMS_60
(7)
S3、对所述离散傅里叶变换后的信号的模值进行取平方。
S4、对所述取平方后的信号进行谱线锁定，得到谱线的坐标。
锁定谱线采用单一门限判断的方法，将高于门限值的相对位置点作为局部谱峰的坐标点，即谱线的坐标点。
S5、计算相邻谱线间频率的差值，并统计每个差值的频次。
S6、取最大频次比对应的差值的1/4作为码元数量的估计结果。
锁定谱线后，计算所有相邻谱线间的距离，并统计所有距离出现的频次，结合公式(7)，以最大频次所对应的间距值的四分之一作为TDCS信号码元数量估计结果。
由图3可知，多码元TDCS信号经本发明处理后，会出现一列谱线，每两个谱线间的距离均可作为码元数量的参考，但仅计算一组谱线距离作为估计结果，会使得估计准确度降低，容易造成偶然错误。为此本专利设计的方法通过计算所有的谱线间距离得到多个距离估计，这时统计每个距离出现的频次，以最大频次对应的距离作为码元数量的参考，大大降低了错误概率。
同时，因为模值为非负数，所以使得模值取得最大值的点与使得模值平方取得最大值的点相同，因此模值平方后的最大值所在的点位置不变，故对模值平方处理后，公式(7)依然成立。但平方处理后，使得谱峰与周围信号值的比值进一步加大，因而有利于锁定谱线，继而使得码元数量估计更加准确。图4是对信噪比为-17dB的TDCS信号处理过程中，执行平方处理前后的对比谱线图。
参考图5，图5是本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计系统一实施例的原理图。本实施例的变换域通信系统信号码元数量的估计系统，包含如下模块：自相关函数处理模块、离散傅里叶变换模块、模值处理模块、谱线锁定模块、谱线处理模块、结果估计模块。本发明的系统与方法对应，相应的方案与原理可以参考上述的本发明的变换域通信系统信号码元数量的估计方法的实施例。
自相关函数处理模块用于求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值；离散傅里叶变换模块用于对取绝对值之后的自相关函数做离散傅里叶变换；模值处理模块用于对所述离散傅里叶变换后的信号的模值进行取平方；谱线锁定模块用于对所述取平方后的信号进行谱线锁定，得到谱线的坐标；谱线处理模块用于计算相邻谱线间的差值，并统计每个差值的频次；结果估计模块用于取最大频次比对应的差值的1/4作为码元数量的估计结果。
求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值后的计算结果为：
Figure SMS_61
；
其中，
Figure SMS_62
表示对所述对自相关函数取绝对值后的计算结果，/>
Figure SMS_63
为时移变量，num为码元数量，/>
Figure SMS_64
为冲击函数，N为基函数长度，/>
Figure SMS_65
是幅度函数，k为整数。
所述离散傅里叶变换后的信号的模值是基于如下公式计算所得：
Figure SMS_66
；
其中，
Figure SMS_67
表示所述离散傅里叶变换后的信号的模值，/>
Figure SMS_68
表示频率，/>
Figure SMS_69
是离散傅里叶变换，j表示复数的虚部，e表示自然常数。
所述谱线锁定采用单一门限判断的方法，将高于门限值的相对位置点作为局部谱峰的坐标点，即谱线的坐标点。
所述离散傅里叶变换采用快速傅里叶变换实现。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种变换域通信系统信号码元数量的估计方法，其特征在于，包含如下步骤：
S1、求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值；
S2、对取绝对值之后的自相关函数做离散傅里叶变换；
S3、对所述离散傅里叶变换后的信号的模值进行取平方；
S4、对所述取平方后的信号进行谱线锁定，得到谱线的坐标；
S5、计算相邻谱线间频率的差值，并统计每个差值的频次；
S6、取最大频次比对应的差值的1/4作为码元数量的估计结果。
2.根据权利要求1所述的变换域通信系统信号码元数量的估计方法，其特征在于，所述求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值后的结果为：
Figure QLYQS_1
；
其中，
Figure QLYQS_2
表示对所述对自相关函数取绝对值后的计算结果，/>
Figure QLYQS_3
为时移变量，num为码元数量，/>
Figure QLYQS_4
为冲击函数，N为基函数长度，/>
Figure QLYQS_5
是幅度函数，k为整数。
3.根据权利要求2所述的变换域通信系统信号码元数量的估计方法，其特征在于，所述离散傅里叶变换后的信号的模值是基于如下公式计算所得：
Figure QLYQS_6
；
其中，
Figure QLYQS_7
表示所述离散傅里叶变换后的信号的模值，/>
Figure QLYQS_8
表示频率，/>
Figure QLYQS_9
( )是离散傅里叶变换，j表示复数的虚部，e表示自然常数。
4.根据权利要求1所述的变换域通信系统信号码元数量的估计方法，其特征在于，所述谱线锁定采用单一门限判断的方法：将高于门限值的相对位置点作为局部谱峰的坐标点，即谱线的坐标点。
5.根据权利要求1所述的变换域通信系统信号码元数量的估计方法，其特征在于，所述离散傅里叶变换采用快速傅里叶变换实现。
6.一种变换域通信系统信号码元数量的估计系统，其特征在于，包含如下模块：
自相关函数处理模块，用于求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值；
离散傅里叶变换模块，用于对取绝对值之后的自相关函数做离散傅里叶变换；
模值处理模块，用于对所述离散傅里叶变换后的信号的模值进行取平方；
谱线锁定模块，用于对所述取平方后的信号进行谱线锁定，得到谱线的坐标；
谱线处理模块，用于计算相邻谱线间频率的差值，并统计每个差值的频次；
结果估计模块，用于取最大频次比对应的差值的1/4作为码元数量的估计结果。
7.根据权利要求6所述的变换域通信系统信号码元数量的估计系统，其特征在于，所述求待进行码元数量估计的TDCS信号的自相关函数，并取绝对值后的结果为：
Figure QLYQS_10
；
其中，
Figure QLYQS_11
表示对所述对自相关函数取绝对值后的计算结果，/>
Figure QLYQS_12
为时移变量，num为码元数量，/>
Figure QLYQS_13
为冲击函数，N为基函数长度，/>
Figure QLYQS_14
是幅度函数，k为整数。
8.根据权利要求7所述的变换域通信系统信号码元数量的估计系统，其特征在于，所述离散傅里叶变换后的信号的模值是基于如下公式计算所得：
Figure QLYQS_15
；
其中，
Figure QLYQS_16
表示所述离散傅里叶变换后的信号的模值，/>
Figure QLYQS_17
表示频率，/>
Figure QLYQS_18
是离散傅里叶变换，j表示复数的虚部，e表示自然常数。
9.根据权利要求6所述的变换域通信系统信号码元数量的估计系统，其特征在于，所述谱线锁定采用单一门限判断的方法：将高于门限值的相对位置点作为局部谱峰的坐标点，即谱线的坐标点。
10.根据权利要求6所述的变换域通信系统信号码元数量的估计系统，其特征在于，所述离散傅里叶变换采用快速傅里叶变换实现。
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