CN116055004B - 基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法，方法包括：将输入的通信信号数据截断为一个拍长；对得到的一个拍长的截断数据s(t)进行小波变换得到信号时频图；对信号时频图进行同步挤压运算以细化局部特征；判断是否达到通信信号数据的终点，若尚未达到终点，则将同步挤压运算后的信号时频图进行累加，然后跳转将输入的通信信号数据截断为一个拍长的步骤；否则，针对累加后的信号时频图根据拍数求平均；提取求平均后的信号时频图中突变频率点的二维截面，得到二维截面图；搜索二维截面图中的相邻脉冲间距最小值作为码元宽度，根据码元宽度估计得到码元速率。本发明具有精度高、计算快的特点。

Description

基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法。

背景技术

通信信号参数盲估计技术是在不具备截获信号的先验信息的条件下使用现代信号处理的方法估计出通信信号相关的参数，以用于后续解调器的信号解调。

对非合作通信信号码元速率参数的估计的研究历程如下：

1990年，Kuehls J F等人利用DSSS信号的周期性，利用延迟相乘的方法对DSSS信号进行信号检测以及码元速率估计，该方法运算简单、计算量小，但对噪声敏感。

1992年，Mammone等人发现信号在码元变化时相位跳变的特点，通过计算信号的相位差分结果，成功得到PSK信号的码元速率，但是这种方法仅对BPSK信号的码元速率估计有效果，对QPSK及更高阶次的PSK调制方式估计精度不高。

2008年，董占奇基于DSSS信号经过延迟相乘处理后的周期性，提出了一种基于延迟相乘相关及谱分析的DSSS信号检测法。该方法同样可以适应DSSS信号检测的低信噪比要求，同时也能方便地实现伪码周期和码元速率估计。

2013年，年吴金沂在Kuehls J F等人的基础上提出了一种改进算法，通过对延迟相乘信号的相关结果进行分析，提高了算法的抗噪声性能，但此方法需要对算法中的延迟量等参数进行适当调整，参数选取不当易带来不良影响。

2015年，康健等人为解决在低信噪比条件下的BPSK信号码元速率估计，提出了基于小波能谱熵和小波时间熵的两种码元速率估计算法。通过一维多尺度小波变换重构高频部分，分别计算重构信号的小波能谱熵和小波时间熵来得到码元速率。但是，基于小波能谱熵的算法计算量稍大，而基于小波时间熵的方法精度不高。

2020年，谭晓衡和张雪静提出了一种基于小波变换的码元速率估计优化算法，通过Hilbert变换提取瞬时相位基带序列,经多尺度小波变换,对每个尺度下的小波系数的模值的平方进行叠加,然后对叠加后的结果进行功率谱运算,功率谱中会存在携带码元速率信息的谱线，通过这些谱线进行码元速率的估计。算法较为精确，但是需要进行多种运算，复杂度高。

2021年，张昌文将循环谱方法用于估计信号的载频及码元速率估计，利用仿真信号进行验证，并进行实测试验，验证了方法适用性。

2022年，李留章将参数估计与深度学习结合起来，针对不同调制信号参数的分布特点，设计了不同的代价函数、标签以及网络结构，在码元速率估计、频率偏移估计上取得了较好的效果。

近年来，对常用通信信号的码元速率估计研究已经取得了许多成果。但这些成果大多利用传统时频分析方法进行估计，估计精度不高且计算量较大，计算时间长。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法，具有精度高、计算快的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法，包括：

S1，将输入的通信信号数据截断为一个拍长；

S2，对得到的一个拍长的截断数据s(t)进行小波变换得到信号时频图；

S3，对信号时频图进行同步挤压运算以细化局部特征；

S4，判断是否达到通信信号数据的终点，若尚未达到终点，则将同步挤压运算后的信号时频图进行累加，然后跳转步骤S1；否则，跳转步骤S5；

S5，针对累加后的信号时频图根据拍数求平均；

S6，提取求平均后的信号时频图中突变频率点的二维截面，得到二维截面图；

S7，搜索二维截面图中的相邻脉冲间距最小值作为码元宽度，根据码元宽度估计得到码元速率。

进一步的，步骤S2包括：

S2.1，对得到的一个拍长的截断数据s(t)进行小波变换得到小波变换系数；

S2.2，将小波变换系数绘制成三维的信号时频图，所述信号时频图的横坐标为时间，轴坐标包括频率和幅度。

进一步的，步骤S2.1中进行小波变换的函数表达式为：

上式中，W_s(a,b)为小波变换系数，a和b为变换的尺度因子和平移因子，s(t)为输入的一个拍长的截断数据，ψ为小波母函数，^*表示共轭复数，t为时间；表示经过伸缩和平移变化之后的小波母函数。

进一步的，步骤S3中对信号时频图进行同步挤压运算时，包括将任一频率w₀所在区间内的值都挤压至w₀处，其中Δw为频率挤压宽度。

进一步的，步骤S3中对信号时频图进行同步挤压运算的函数表达式为：

上式中，T_s(w₀,b)为小波变换系数的同步挤压运算结果，W_s(a,b)为小波变换系数，w₀为离散值，(Δa)_i＝a_i-a_i-1，a_i和a_i-1分别为第i项和第i-1项的尺度因子a的值，Δw为频率挤压宽度。

进一步的，步骤S4中跳转步骤S1之前还包括等待间隔数据长度d。

进一步的，步骤S6中提取求平均后的信号时频图中突变频率点的二维截面之前，还包括：搜索求平均后的信号时频图中强度最大和次大的频率点作为载频估计值，选取这两个载频估计值之间的频率点作为突变频率点。

进一步的，步骤S7中根据码元宽度估计得到码元速率包括：计算码元宽度的倒数，得到码元速率估计值。

本发明还提出一种基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行任意一项所述基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行任意一项所述基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、引入同步挤压小波变换方法对非合作通信信号进行码元速率盲估计，较现有的通信信号码元速率盲估计方法准确度大大提升。

2、为满足同步挤压小波变换在通信领域中的实际应用场景，使用多快拍求平均的方法减小算法计算量，实现了在保证准确度的前提下大大提升了计算速度。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为进行多快拍求平均原理图。

图3为本发明实施例中一个拍长信号进行小波变换得到的信号时频图。

图4为本发明实施例中求平均以后的同步挤压小波变换结果的信号时频图。

图5为本发明实施例中突变频率点的二维截面图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

本实施例将湖海试数据作为非合作方通信信号，为了能够对于湖海试数据进行准确的码元速率盲估计，我们考虑对非合作方通信信号进行小波变换以进行时频特征的分析，通过时频图得到频率随时间的变化情况。由于小波变换的时频分析并不十分精确，故将同步挤压方法应用到小波变换中对时频分析图进行细化，进一步提高对信号的时频变化描述能力。经过同步挤压小波变换后的时频分析图局部特征明显且准确度有较大提高。由于码元速率是一个很难直接估计的量，但根据通信信号的参数关系，码元速率可以通过码元宽度来求，因此通信信号的码元速率估计可以通过估计码元宽度来求。通过同步挤压小波变换后的时频分析图准确得到码元宽度的核心思想是：检测信号频率的突变。具体方法为：提取某一频率点(需要结合载频估计结果选取)处的二维时频截面，搜索截面中的相邻脉冲间距最小值，即为码元宽度。得到码元宽度估计值，根据参数关系即可计算得到码元速率估计值。同时，为克服湖海试数据通常会持续若干小时甚至若干天，因此对实际湖海试试验数据直接进行同步挤压小波变换计算机容易出现内存不足的问题，采用对数据进行多快拍求平均的方法，对算法结构进行改进，在保证估计精度的同时有效减小所需内存和计算量。

基于上述构思，本实施例提出一种基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1，将输入的通信信号数据截断为一个拍长；

S2，对得到的一个拍长的截断数据s(t)进行小波变换得到信号时频图；

S3，对信号时频图进行同步挤压运算以细化局部特征；

S4，判断是否达到通信信号数据的终点，若尚未达到终点，则将同步挤压运算后的信号时频图进行累加，然后跳转步骤S1；否则，跳转步骤S5；

S5，针对累加后的信号时频图根据拍数求平均；

S6，提取求平均后的信号时频图中突变频率点的二维截面，得到二维截面图；

S7，搜索二维截面图中的相邻脉冲间距最小值作为码元宽度，根据码元宽度估计得到码元速率。

本实施例中，湖海试数据为2fsk信号，为了有效减小所需内存和计算量，本实施例通过迭代执行步骤S1至S4，如图2所示，以间隔数据长度d对湖海试数据每次截取一个拍长L的数据，对这些数据进行同步挤压小波变换，然后将变换结果进行累加，相比对于湖海试试验数据直接进行同步挤压小波变换显著减小了所需内存和计算量。

本实施例中，步骤S2具体包括：

S2.1，对得到的一个拍长的截断数据s(t)进行小波变换得到小波变换系数，进行小波变换的函数表达式为：

上式中，W_s(a,b)为小波变换系数，a和b为变换的尺度因子和平移因子，s(t)为输入的一个拍长的截断数据，ψ为小波母函数，^*表示共轭复数，t为时间；表示经过伸缩和平移变化之后的小波母函数。

S2.2，将小波变换系数绘制成三维的信号时频图，所述信号时频图的横坐标为时间(time/s)，轴坐标包括频率(Frequency/kHZ)和幅度(Magnitude)。

如图3所示，针对湖海试数据一个拍长L的数据进行小波变换后，信号中存在频率跳变现象，符合FSK信号特征，但局部时频特征不明显，无法确定某一时刻的频率大小具体值，因此需要在步骤S3中利用同步挤压小波变换技术沿着频率轴方向压缩小波变换时频分布来增强信号局部时频特征显示效果。

本实施例的步骤S3中，对信号时频图进行同步挤压运算时，包括将任一频率w₀所在区间内的值都挤压至w₀处，其中Δw为频率挤压宽度，得到挤压小波变换系数的结果T_s(w₀,b)为：

上式中，T_s(w₀,b)为小波变换系数的同步挤压运算结果，W_s(a,b)为小波变换系数，w₀为离散值，(Δa)_i＝a_i-a_i-1，a_i和a_i-1分别为第i项和第i-1项的尺度因子a的值。a∈R,b∈R，是一个具有由设计者指定计算规则的一系列数值，Δw为频率挤压宽度。

本实施例的步骤S4中跳转步骤S1之前还包括等待间隔数据长度d。通过重复步骤S1至步骤S4，针对每次截取的数据进行同步挤压小波变换，将每次计算结果累加，直至到达最后一个数据。接着在步骤S5中，计算数据截取次数即拍数，根据截取次数对累加后的结果求平均，将求平均以后的同步挤压小波变换结果绘制成三维时频分析图，如图4所示，经过同步压缩后的时频分析图将信号局部特征细化，信号时频局部特征明显，利用此时频图可以得到信号载频频率。

图4中，同步挤压小波变换结果最大的频率点即为载频估计值(有些类型的通信信号有多个载频，则会出现多个同步挤压小波变换极大值点，这些极大值点对应的频率点即为载频估计值)。由于人为在图像中找频率点存在误差，因此本发明中采用自动搜索的方法确定频率点。以2fsk为例，自动搜索的具体方法为：提取每一个频率点对应的同步挤压小波变换结果，对结果进行比较，同步挤压小波变换结果最大和次大的点对应的频率即为载频估计值。因此，步骤S6中提取求平均后的信号时频图中突变频率点的二维截面之前，还包括：搜索求平均后的信号时频图中强度最大和次大的频率点作为载频估计值，选取这两个载频估计值之间的频率点作为突变频率点，突变频率点是一个伴随着码元传输频率点附近必定会存在突变的频率点，比如，2fsk信号载频分别为2200和1800，则不同码元在传输时必然会经过f0＝2000的频率点。

从图4中选择频率点f0做出的二维截面图如图5所示，二维截面图的横坐标为时间，纵坐标为同步挤压小波变换幅值，搜索二维截面图中的相邻脉冲间距最小值，即为码元宽度，由于人为选择脉冲间距存在误差，编写程序自动搜索脉冲间距最小值，根据此最小值，即可得到码元宽度。根据码元宽度和码元速率的参数关系即可计算得到码元速率估计值。码元宽度和码元速率的参数关系为：

B＝1/T (3)

上式中，B表示码元速率，T表示码元宽度。

本实施例还提出一种基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行本实施例所述基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法。

本实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行本实施例所述基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法。

综上所述，本发明创新性地将同步挤压小波变换应用到通信信号参数盲估计技术中。本发明创新性利用同步挤压小波变换时频截面图对码元速率进行准确估计。本发明创新采用多快拍求平均的方法减小实现同步挤压小波变换所需的计算机运算内存及计算量。已验证：本方法对2FSK通信信号可以实现100％准确估计。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法，其特征在于，包括：

S1，将输入的通信信号数据截断为一个拍长；

S2，对得到的一个拍长的截断数据s(t)进行小波变换得到信号时频图；

S3，对信号时频图进行同步挤压运算以细化局部特征，对信号时频图进行同步挤压运算时，包括将任一频率w₀所在区间内的值都挤压至w₀处，其中Δw为频率挤压宽度，对信号时频图进行同步挤压运算的函数表达式为：

上式中，T_s(w₀,b)为小波变换系数的同步挤压运算结果，W_s(a,b)为小波变换系数，w₀为离散值，(Δa)_i＝a_i-a_i-1，a_i和a_i-1分别为第i项和第i-1项的尺度因子a的值，Δw为频率挤压宽度；

S4，判断是否达到通信信号数据的终点，若尚未达到终点，则将同步挤压运算后的信号时频图进行累加，然后跳转步骤S1；否则，跳转步骤S5；

S5，针对累加后的信号时频图根据拍数求平均；

S6，提取求平均后的信号时频图中突变频率点的二维截面，得到二维截面图；

S7，搜索二维截面图中的相邻脉冲间距最小值作为码元宽度，根据码元宽度估计得到码元速率。

2.根据权利要求1所述的基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法，其特征在于，步骤S2包括：

S2.1，对得到的一个拍长的截断数据s(t)进行小波变换得到小波变换系数；

S2.2，将小波变换系数绘制成三维的信号时频图，所述信号时频图的横坐标为时间，轴坐标包括频率和幅度。

3.根据权利要求2所述的基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法，其特征在于，步骤S2.1中进行小波变换的函数表达式为：

上式中，W_s(a,b)为小波变换系数，a和b为变换的尺度因子和平移因子，s(t)为输入的一个拍长的截断数据，ψ为小波母函数，*表示共轭复数，t为时间；表示经过伸缩和平移变化之后的小波母函数。

4.根据权利要求1所述的基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法，其特征在于，步骤S4中跳转步骤S1之前还包括等待间隔数据长度d。

5.根据权利要求1所述的基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法，其特征在于，步骤S6中提取求平均后的信号时频图中突变频率点的二维截面之前，还包括：搜索求平均后的信号时频图中强度最大和次大的频率点作为载频估计值，选取这两个载频估计值之间的频率点作为突变频率点。

6.根据权利要求1所述的基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法，其特征在于，步骤S7中根据码元宽度估计得到码元速率包括：计算码元宽度的倒数，得到码元速率估计值。

7.一种基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法。

8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述基于同步挤压小波变换的通信信号码元速率盲估计方法。