無線醫療監護中基於特徵循環頻率的頻譜檢測方法
2023-06-10 15:07:41
專利名稱：無線醫療監護中基於特徵循環頻率的頻譜檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種無線通信技術領域的檢測方法，具體而言，涉及的是一種基於特徵循環頻率的頻譜檢測方法。
背景技術：
無線醫療監護是指將從患者身上檢測到的各種生理電信號通過無線通信技術實 時發送到遠端的接收裝置，它極大的方便了患者使用，使得對患者的監護不再局限於病床 前，甚至在家中一樣可以得到醫生的實時監護，它已成為未來醫療監護的發展趨勢。但在實際應用當中，無線醫療監護所依賴的無線通信技術必須面對人體周邊電磁 波的複雜情況。此複雜情況形成的主要原因包括但不限於以下幾個方面A)人體周邊極低 的無線電電磁輻射需求；B)人體複雜動作對電磁波傳播的損傷與影響；C)人體周邊多種類 型電磁波輻射同時存在的現實等。而如何在該複雜電磁環境下如何進行有效的頻譜檢測， 是無線醫療監護需要解決的重要問題。在頻譜檢測領域提出能量檢測及循環譜檢測算法。 但在對患者進行實時監測時，用戶所處的位置可能遇到深衰落、「隱藏站點」等情況，次要用 戶所檢測到的目標頻段的信號信噪比很低，能量檢測在這種情況下受到了極大的限制，但 循環譜檢測技術能在低信噪比下能取得較好的檢測性能，然而在全平面上做循環譜運算卻 需要很大的計算量並且需要較長的處理時間，無法滿足頻譜檢測的實時性的需求。在醫療 監護中使用的無線通信設備受到功率的限制，由於無線醫療設備一般安裝在人體體面，利 用人體和體表信道進行信號傳輸，同時行動裝置一般利用電池供電，所以必須要求設備是 低功耗的，以減少對人體的電磁輻射和延長設備的使用壽命。低功率的限制使得頻譜檢測 單元處理數據的能力受到了極大的限制，因此需要有一種高速、低複雜度且高性能的檢測 方法。雖然頻譜檢測已經有了很多種檢測方法，但是目前所提出的各種檢測方法並沒有很 好的滿足無線醫療監護對頻譜檢測的特殊要求經對現有技術的檢索發現，現有的檢測方案均未能很好的滿足醫療監護對頻譜檢 測的特殊需求，如美國專利號為「US 2008/0080604 Al」、Youngsik Hur,Chang-Ho Lee等人 在其專利「SPECTRUM-SENSING ALGORITHMS AND METHODS」(中文名稱為「頻譜檢測算法和 方法」)中將檢測分為粗檢測和細檢測兩步，來提高檢測效率，但是其檢測方法依然是基於 傳統的能量檢測，沒有從根本上解決能量檢測本身的不足。在申請號為「200610020800. 5」、 申請人:為電子科技大學、發明名稱為「一種基於可靠度的分布式頻譜檢測方法」的中國發 明的專利中提出了給分布式節點賦予可靠度的方法，使用分布式檢測的方式來提高檢測性 能，但其單個節點依然是基於能量檢測，未能解決能量檢測受噪聲影響較大的不足。雖然循 環平穩信號的循環譜可以不受噪聲影響，許多相關的論文也已經指出循環譜在低信噪比下 有著與傳統檢測方法不可比擬的優越性，但是由於循環譜處理的複雜性，對處理時間和設 備功耗也有較高的要求，因此一直沒能將信號的循環譜特徵應用到實際的檢測系統中來， 更沒有應用於無線醫療監護領域。在無線醫療監護中，由於人體周圍電磁輻射的特點，其工作於超高頻段(UHF)上的某些固定頻點上，而該頻點上首要用戶傳輸的信號的調製方式是預先可知的，因此可以 利用該頻段的先驗信息，對循環譜檢測方法進行簡化，從而將循環譜檢測應用於醫療監護 當中。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術中存在的上述不足和無線醫療監護系統的特殊需 求，提出一種無線醫療監護基於特徵循環頻率的頻譜檢測方法，該檢測方法能夠在滿足無 線醫療監護特殊需求的情況下，在低信噪比情況下實現快速的頻譜檢測。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明針對無線醫療應用的特殊環境，對信 號進行有限長度的循環譜處理時，利用無線醫療系統中應用的頻段上的首要用戶傳輸信號 的調製方式、載頻等信息可知的特點，僅對信號特徵循環頻率處的循環譜數值進行處理，從 而實現對目標頻段的檢測；同時，通過對判決門限的調整達到控制信號檢測概率和虛警概 率的目的。本發明基於循環譜檢測的基本理論，通過查表獲得目標頻段上信號的調製方式， 確定信號的特徵循環頻率，採用有限長的信號長度對信號特徵循環頻率處進行循環譜處理 從而實現頻譜檢測，例如，對於UHF頻段上傳送的AM信號存在特徵循環頻率點α = 2f。、對 於FSK信號存在特徵循環頻率點α =2f。士fd，其中f。為信號載波頻率，fd為信號頻差，可 通過查表的方式獲取這些信息，利用這些信息可以實現滿足醫療監護系統需求的循環譜檢 測。當特徵循環頻率處的循環譜數值大於預先確定的閥值thre時，則認為頻譜被佔用，否 則認為頻譜未被佔用。該方案大大提高頻譜檢測的性能，解決了在極低信噪比下進行頻譜 檢測的問題，同時有效的降低了檢測單元的功耗需求。本發明包括以下步驟步驟一系統啟動，在檢測設備上設定需要檢測的目標頻段信息，即載波頻率f。， 以及模/數採樣設備的採樣頻率fs和滿足系統總體性能要求的虛警概率Pf，如需要檢測的 目標頻段信息已經經過頻率變換，則將載波頻率設置為經過頻率變換後的中頻頻率，即此 時設置載波f。為變換後的中頻頻率，選擇循環譜處理的數據長度Ni, i = 1，…，m，其中Ni 為系統給定的一系列常數，m是系統劃分的檢測精度的等級常數。最後，選擇系統是否需要 更新。步驟二 利用目標頻點的已有系統信息，獲得該頻點上的調製方式的列表，並查表 得到這些調製方式所對應的特徵頻率，記為CItl ；根據步驟一中對更新的選擇，若需要更新 則進一步選擇更新方式，更新方式分為全部更新和局部更新，並轉步驟三，若不需要更新則 轉步驟六。步驟三①、若選擇全部更新，處理所有數據長度Ni, i = 1，…，m下的更新信息，每個數據 長度下處理過程如步驟四至步驟五，直至m個可能數據都處理完畢；②、若選擇局部更新，則只處理設定數據長度下Ni,處理過程如步驟四至步驟五。步驟四根據設定的數據處理長度Ni,採集噪聲樣本進行循環譜處理得到噪聲特 徵循環譜值序列，根據噪聲循環譜序列對廣義極值分布參數進行估計，得到廣義極值分布 (GEV)的參數κ、μ、σ，令估計得到的參數為6、μ, ，其中κ為廣義極值分布的形狀參 數，μ為位置參數，σ為尺度參數。
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步驟五利用步驟四中得到的參數6、力、Α更新系統參數列表中對應κ i(1、μ i(1、 01(1，即令、=(、JUi0= fl、 =々，其中Ki0> μ 0, σ iQ為在列表中數據處理長度Ni對應 下的廣義極值三個參數值κ、μ、σ。步驟六根據系統所設定的數據處理長度Ni,查表得到數據長度Ni所對應的廣義 ΜΜ0Μ K i0、μ i0、σ i(| ；步驟七根據在檢測設備上設定的虛警概率值Pf和步驟六中得到的參數Ki(l、 μ i0> σ i(l，處理數據長度Ni所對應的門限值threi，處理表達式如下所示 其中yp = -In(I-Pf) 步驟八記錄經模/數採樣設備採樣後的信號為χ (k)，連續選取χ (k)序列中的Ni 個點進行循環譜處理，僅處理循環譜頻率為α C1處的值民「"，並取循環譜頻率為α ^處循環譜 值的最大值為特徵循環譜C ；步驟九判斷α ^處特徵循環譜數值與threi的關係，當Cf』 >threM,認為目標頻 段有信號傳輸，當C 時，認為目標頻段沒有信號傳輸。本發明中，根據系統對虛警概率的需求和數據處理長度Ni,可以獲得不同的判斷 門限threi，並根據特徵循環頻率處的循環譜數值與該門限之間的大小關係，判斷目標頻段 上是否存在信號傳輸。本發明能有效地實現在低信噪比下的頻譜檢測，解決了傳統的能量檢測受噪聲影 響的不足，同時降低了循環譜檢測的處理複雜度，極大的減少了處理循環譜檢測所需的功 率需求，能很好地滿足無線醫療監護系統的要求。本發明所提出的檢測方法明顯高於傳統 的能量檢測，如圖2所示，在信噪比為-2Idb和-17db的情況下，當Pf = 0. 001時，能量檢 測的方法所得到的檢測概率接近為零，而本發明的檢測概率在兩種情況下分布達到0. 88 和1 ;當Pf = 0. 01時，本發明在兩種情況下檢測概率達到了 0. 92和1，而能量檢測概率卻 比較低，約為0. 02和0. 06。同時在不需要系統更新情況下，實現檢測時所需要的計算量為 O(NiIog2Ni)，其中Ni 0(103)。一般情況下，系統並不需要更新，因此該方法系統所需要的 計算較小，符合無線醫療監視系統低功耗的要求。
圖1為AM信號在循環頻率軸上的分量圖。圖2本發明在不同信噪比下所得出檢測性能曲線圖；其中本發明所得曲線與傳統的能量檢測的性能比較，當pf = ΙΟ"2所對應的檢測 概率為本發明實例中的檢測結果。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了局部更新情況下的詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的 保護範圍不限於下述的實施例。
以下以無線區域網中傳送的AM調製信號為實施例進一步描述參數設定不影響 一般性。本例中採用無線區域網中傳送的AM信號作為實例來驗證本發明所提出的檢測方 法的正確性，即已知目標頻段上傳送的首要用戶的信號調製方式為AM信號。AM信號通過頻 率變換之後被搬至中頻，中頻頻率為1MHz，A/D採樣頻率為10MHz，系統能接收的虛警概率 為己=0.01。選擇特徵頻率為C^ = 2f。，如圖1所示，在C^ = 2f。處有較大的非零幅值， 為AM信號的特徵循環頻率。特徵循環檢測的具體處理過程如下
1)系統啟動，在檢測設備上設定需要檢測的目標頻段信息，在本實例中，需要檢測 的目標頻段已經過頻率變換至1MHz，所以設置載波頻率f。= 1MHz，若未經頻率變換，則設 置為實際信號的載波頻率。設置及模/數採樣設備的採樣頻率fs = IOMHz和系統總體性 能& = 0. 01，最後，選擇循環譜處理的數據長度Ni = 4000，為了方便說明令N =隊。最後 選擇系統更新，更新方式選擇為局部更新。2)根據目標頻段的已有系統信息，獲得該頻段可能調製方式的列表，並查表得到 這些調製方式所對應的特徵頻率C^ = 2f。= 2MHz ；3)選擇的更新方式為局部更新，只處理Ni = 4000處的更新；4)根據設定的數據處理長度N，採集N2點噪聲樣本進行循環譜處理得到噪聲特 徵循環譜值序列，根據噪聲循環譜序列對廣義極值分布參數進行估計，得到廣義極值分布 (GEV)的參數κ、μ、σ，本實例中應用最大似然估計對參數進行估計，具體過程描述如下廣義極值分布概率密度函數如下當κ乒0時 本實例中％= l.6s。在所得到的噪聲樣本中截取N2點噪聲樣本，將得到的噪聲 樣本平均分成N段，令每段的樣本噪聲序列XN(i_1)+j，i = 1，-,N, j = l,…，N，再對每段 的噪聲序列進行循環譜處理，處理過程如下
，處理循環頻率aQ處的循 環譜，過程如下 其中fs為採樣頻率，W( ·)為M點窗函數，本實例中M = 7，窗函數取海寧窗，fp = 1，…，N。經循環譜處理後得到N = 4000個噪聲循環譜值序列，1，…，N，根據以上得到 的噪聲循環譜序列，1，…，N，對廣義極值分布(GEV)進行最大似然估計，令只=Cf，當 κ興0時，GEV分布的最大對數自然函數為 這裡要求 否則似然函數值為零，對應的對數似然函數值為_⑴，經循環譜變換後的高斯白 噪聲的參數滿足此條件。將上式(7)關於參量(K、μ、O)極大化，即令！
=可得到GEV分布的極大似然估計。在實際處理中，由於κ在位於零附近時(由實際
樣本估計所得到的κ位於零附近)，自然對數似然函數用κ =0時的表達式，如下所 示
σ/(/,,σ) = ^1ο§σ-Σ[ ^ I-Zexp
Ν 『 、,—μ、
σ
(8)
令# = 0、i = 0從而得到似然方程組，化簡可得
石μ δδ
八=N
σ
ν
ZU-A)
1-e
-(Λ-》)/
(9)
=Νσ 似然方程組沒有顯式解，通過數值方法求解，得到參數μ、σ的估計值、斤,再將 式(7)關於κ極大化= 0得到參數κ的估計值6。
OK 從而得到參數κ、μ、σ的估計值
6 =-0.0213、// = 0.5508,
σ = 3.7195； 5)利用4中得到的參數6、μ、々更新系統參數列表中對應κ i0> U i0> ο i(l，即令
= κ、 μ說二 μ、Orl0 = σ ο
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6)根據系統所設定的數據處理長度Ni,查表得到數據長度Ni所對應的廣義極值參 數 κ i0 = -0. 0213、μ i0 = 0. 5508、σ i0 = 3. 7195 ；7)根據在檢測設備上設定的虛警概率值Pf = 0. 01和步驟6得到的參數κ i(l = -0. 0213、μ i0 = 0. 5508、σ i0 = 3. 7195 處理門限 其中yp = -In(I-Pf) = 0. 00448)記錄經模/數採樣設備採樣後的信號為x(k)，對信號採樣時間t' s應滿足 .N
tS ^-J，本實例中t 『 s = 0. 4ms。對連續選取χ (k)序列中的N個點進行循環譜處理，但僅處理循環譜頻率為α C1處的值5Γ°(/)，並取循環譜頻率為α ^處循環譜值的最大值為特徵循 環譜cr"，具體處理公式如下所示 ^ 其中fs為採樣頻率，W(·)為M點窗函數，本實例中M= 7，窗函數取海寧窗，fp = 1，…，N。9)判斷α C1處特徵循環譜數值CT^threi的關係，當C 時，認為目標頻段有 信號傳輸，當G 時，認為目標頻段沒有信號傳輸。為了說明該方法的優越性，需對該方法的檢測結果進行統計分析，圖2中給出了 不同SNR下的檢測統計結果，在系統首先運行後，系統運行模式固定為不更新，在圖2給出 了不同虛警概率Pf下的檢測性能，當Pf = 0. 01時為本實例中給定的虛警概率不同信噪比 下的統計結果。在圖2中給出了 SNR分別為-21dbh和-17db兩種情況的檢測結果，從圖中 可以看出，本發明所提出的檢測方法明顯高於傳統的能量檢測，在Pf = 0.01時，能量檢測 的方法所得到的檢測概率接近為零，而本發明的檢測概率在兩種情況下分布達到0. 88和 1 ;Pf = 0. 01時，本發明在兩種情況下檢測概率達到了 0. 92和1，而能量檢測概率卻比較低， 約為0. 02和0. 06。從本發明的實施過程可以看出，該方法是基於特徵循環頻率，所需處理的循環頻 率的點數只有一點或者幾點，而循環譜檢測需計算整個循環頻率軸上的所有點，如果信號 處理點數為Ni,那麼循環譜檢測所需計算的點為Ni點，計算量與計算點數成正比。因此在 不更新系統的情況下，本發明所需的計算量為0 (NiIog2Ni)，本實例中Ni = 4000，可以滿足無 線醫療監護中低功耗的需求。
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權利要求
一種無線醫療監護中基於循環譜特徵值的頻譜檢測方法，其特徵在於包括以下步驟步驟一系統啟動，在檢測設備上設定需要檢測的目標頻段信息，即載波頻率fc，以及模/數採樣設備的採樣頻率fs和滿足系統總體性能要求的虛警概率Pf，如需要檢測的目標頻段信息已經經過頻率變換，則將載波頻率設置為經過頻率變換後的中頻頻率，即此時設置載波fc為變換後的中頻頻率，選擇循環譜處理的數據長度Ni，最後，選擇系統是否需要更新。步驟二利用目標頻點的已有系統信息，獲得該頻點上的調製方式的列表，並查表得到這些調製方式所對應的特徵頻率，記為α0；根據步驟一中對更新的選擇，若需要更新選擇更新方式，更新方式分為全部更新和局部更新，並轉步驟三，若不需要更新則轉步驟六。步驟三①、若選擇全部更新，處理所有數據長度Ni，i＝1，…，m下的更新信息，每個數據長度下處理過程如步驟四至步驟五，直至m個可能數據都處理完畢；②、若選擇局部更新，則只處理設定數據長度下Ni，處理過程如步驟四至步驟五。步驟四根據設定的數據處理長度Ni，採集噪聲樣本進行循環譜處理得到噪聲特徵循環譜值序列，根據噪聲循環譜序列對廣義極值分布參數進行估計，得到廣義極值分布(GEV)的參數κ、μ、σ，令估計得到的參數為其中κ為廣義極值分布的形狀參數，μ為位置參數，σ為尺度參數。步驟五利用步驟四中得到的參數更新系統參數列表中對應κi0、μi0、σi0，即令其中κi0、μi0、σi0為在列表中數據處理長度Ni對應下的廣義極值三個參數值κ、μ、σ。步驟六根據系統所設定的數據處理長度Ni，查表得到數據長度Ni所對應的廣義極值參數κi0、μi0、σi0；步驟七根據在檢測設備上設定的虛警概率值Pf和步驟六中獲得的參數κi0、μi0、σi0，處理數據長度Ni所對應的門限值threi；步驟八記錄經模/數採樣設備採樣後的信號為x(k)，連續選取x(k)序列中的Ni個點進行循環譜處理，僅處理循環譜頻率為α0處的值並取循環譜頻率為α0處循環譜值的最大值為特徵循環譜步驟九判斷α0處特徵循環譜數值與threi的關係，當時，認為目標頻段有信號傳輸，當時，認為目標頻段沒有信號傳輸。F2009100496561C0000011.tif,F2009100496561C0000012.tif,F2009100496561C0000013.tif,F2009100496561C0000021.tif,F2009100496561C0000022.tif,F2009100496561C0000023.tif,F2009100496561C0000024.tif
2.根據權利要求1所述的基於循環譜特徵值的頻譜檢測方法，其特徵是，步驟四中，處 理門限值thre的處理表達式如下所示 ,當 k=0 時其中:yp = -Iog(I-Pf)。
全文摘要
本發明涉及一種無線醫療監護中基於特徵循環頻率的頻譜檢測方法。本發明中，對信號進行有限長度的循環譜處理時，利用無線醫療系統頻點固定的特點，僅對信號特徵循環頻率處的循環譜數值進行處理，降低了處理的複雜度解決了無線醫療中設備低功耗的問題；同時，通過對判決門限的調整達到控制信號檢測概率和虛警概率的目的。本發明基於循環譜檢測的基本理論，採用有限長的信號長度並選擇信號特徵循環頻率處進行頻譜檢測，當特徵循環頻率處的循環譜數值大於預先確定的閥值時，則認為頻譜被佔用，否則認為頻譜未被佔用。該方案大大提高頻譜檢測的性能，解決了在極低信噪比下進行頻譜檢測的問題。
文檔編號H04L25/03GK101871969SQ20091004965
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月21日 優先權日2009年4月21日
發明者付汀 申請人:付汀