有源天線產生的虛假無線電信號的判定方法
2023-04-27 22:02:41 1
專利名稱：有源天線產生的虛假無線電信號的判定方法
技術領域：
本發明涉及無線電監測領域，尤其涉及一種監測站有源天線產生的虛假無線電信號的判定方法。
背景技術：
在無線電監測工作中，由於客觀環境和監測設備本身的原因，無線電監測系統會產生虛假的無線電信號，從而影響無線電監測結果的準確性。無線電監測系統產生的虛假無線電信號分為接收機產生的虛假無線電信號和有源天線產生的虛假無線電信號。其中接收機產生的虛假無線電信號已有成熟的判定方法，但對於有源天線產生的虛假無線電信號目前還沒有有效的判定方法。
而目前，為了提高覆蓋範圍，無線電監測站大多採用寬帶有源天線技術。但是在複雜的無線電環境下，由於有源天線中放大器器件的非線性，導致會產生諧波和互調信號等「虛假信號」，大大影響了無線電監測結果的準確性。因此如何判定監測站有源天線產生的虛假無線電信號成為亟待解決的問題。
發明內容
為了解決現有技術中難以判定有源天線產生的虛假無線電信號的問題，本發明提供一種有源天線產生的虛假無線電信號的判定方法，以提高無線電監測結果的準確性。
本發明的有源天線產生的虛假無線電信號的判定方法，包括 對有源天線接收的信號進行採樣的步驟；以及 檢驗步驟，通過分布擬合檢驗來檢驗採樣信號的幅度是否服從無線電信號的統計分布規律，如果不服從，則判斷接收的信號為虛假無線電信號。
所述無線電信號的統計分布規律是指瑞利分布及萊斯分布。
所述檢驗步驟包括 假設總體信號幅度服從第一分布類型，並進行參數估計得到分布參數，從而獲得總體的概率密度函數； 對有源天線接收的採樣信號進行區間劃分，計算每個區間中樣本的頻數，並根據總體的概率密度函數獲得理論頻率及理論頻數； 根據所述每個區間中樣本的頻數及理論頻數，計算統計量觀測值； 根據規定的顯著性水平，查統計量分布臨界值表，獲得臨界值； 根據所述統計量觀測值及臨界值，檢驗假設是否成立，如果假設成立，則判斷接收的信號不是虛假無線電信號。
如果假設不成立，則重新假設總體信號幅度服從第二分布類型，並檢驗假設是否成立，如果假設成立，則判斷接收的信號不是虛假無線電信號；如果假設不成立，則判斷接收的信號為虛假無線電信號。
所述進行區間劃分的步驟還包括 根據理論頻數或區間內樣品值出現的頻率進行區間的調整或合併。
本發明通過對接收的無線電信號的分布規律進行分布擬合檢驗，成功解決了無線電監測站有源天線產生的虛假無線電信號的識別問題，從而使無線電監測數據結果更加準確有效，提高了無線電管理的技術水平。
具體實施例方式 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明的具體實施方式
進行詳細說明。
本發明是利用數理統計中分布擬合檢驗方法，根據空中存在無線電信號與有源天線產生的虛假信號的參數統計規律的不同來區分虛假信號。具體說來就是空中存在的無線電信號幅度服從瑞利分布或萊斯分布，根據隨機變量概率密度函數計算公式可以證明，虛假無線電信號不服從上述兩種分布，因此可以通過對採集到的數據利用分布擬合檢驗的方法判斷是否為虛假信號。
為了便於理解本發明，下面首先對有源天線產生的虛假無線電信號(或稱虛假信號)、無線電信號的統計規律及虛假信號的統計規律進行分析說明或推導，然後基於無線電信號的統計規律給出具體的虛假信號的判定。
(一)有源天線產生的虛假無線電信號 當無線電信號x通過有源天線的非線性系統時，輸入輸出函數之間的關係可以用冪級數來表達，略去三次方以上較小的項，可以近似用下式表示 y(t)＝a0+a1x+a2x2+a3x3 (1) 當輸入一個單頻正弦信號時，令輸入信號為 x(t)＝v1 cos2πft(2) 將(2)式帶入(1)式，並利用三角函數展開得 當有兩個無線電信號輸入時，令輸入信號為 x(t)＝v1 cos2πf1t+v2 cos2πf2t(4) 將(4)式帶入(1)式，展開整理可得
由上式可知，當非線性系統同時輸入兩個以上(包括兩個)頻率不同的正弦信號時，在輸出信號中，會出現多個與輸入信號頻率不同的新信號(諧波信號和互調信號)，我們稱之為「虛假信號」。
(二)無線電信號的統計規律 無線電信號在空中傳播之後其信號幅度是服從一定的統計規律。當無直射波時，信號振幅服從瑞利分布；當存在直射波或較強的反射波時，信號振幅服從萊斯分布。具體說明如下 1)當接收到的信號滿足 I.各信號分量的振幅接近相等； II.相位在0～2π範圍內隨機均勻分布； III.信號至少由5條以上的路徑分量所組成。
則信號的幅度服從瑞利分布，其概率密度函數為 其中，σ2為信號平均功率。
2)當有一條直射波或有特別強烈的反射波起主要作用時，會有一個較穩定的成分和大量的多徑信號，則信號的幅度服從萊斯分布，其概率密度函數為 其中，b0為彌散(瑞利)分量中的平均功率；c2/2為信號中佔主導地位的直達(常數)分量的平均功率；I0是第一類零階修正貝賽爾函數。當直達信號不存在時，即c＝0時，萊斯分布就退化為瑞利分布。
(三)有源天線虛假信號的統計規律 根據輸入的無線電信號的幅度分布規律可以推導出有源天線的各種虛假信號的概率密度函數。例如，假設輸入的無線電信號服從瑞利分布，則各種虛假信號的概率密度函數推導如下 1)二階互調產生的虛假信號 令V＝v1·v2，其中v1≥0，v2≥0。由於v1和v2均服從瑞利分布，其概率密度函數分別為 其中v1≥0， 其中v2≥0， 則二階互調產生的虛假信號的概率密度函數為 2)三階互調產生的虛假信號 令V＝v12·v2，其中v1≥0，v2≥0，則幅度為v12·v2的三階互調產生的虛假信號的概率密度函數為 同理可知，幅度為v1·v22的三階互調信號的虛假信號的概率密度函數為 3)二次諧波產生的虛假信號 令V＝v12，其中v1≥0，此函數單調遞增，則 幅度為V12的二次諧波產生的虛假信號的概率密度函數為 同理可知幅度為v22的二次諧波產生的虛假信號的概率密度函數也一指數函數 4)三次諧波產生的虛假信號 令V＝v13，其中v1≥0，此函數單調遞增，則 幅度為v13的三次諧波產生的虛假信號的概率密度函數為 同理可知v23的概率密度函數 由以上分析可知，當輸入信號的幅度服從瑞利分布時，所產生虛假信號的幅度均不服從瑞利分布或萊斯分布。同理可推出，當輸入信號的幅度服從萊斯分布時，所產生虛假信號的幅度也均不服從瑞利分布或萊斯分布(由於對本領域的技術人員來說比較容易實現推導，因此在此略去其推導過程)。
通過上面的理論分析可知，無線電信號在空中傳播之後其信號幅度是服從一定的統計規律的，但有源天線產生的虛假信號則不服從這樣的統計規律。本發明正是通過計算接收的採樣信號幅度的統計分布規律，利用數理統計中分布擬合檢驗方法來檢驗接收的採樣信號是否按照一定的統計規律分布，從而判斷該信號是否為虛假信號。
(四)對虛假信號的判斷 本發明中，首先對輸入信號總體的分布類型提出假設，假設總體分布與某種已知類型的分布函數(如瑞利分布或萊斯分布)相一致，然後利用接收的來自總體的樣本信息來檢驗假設是否成立(即判斷接收信號是否服從瑞利分布或萊斯分布)，從而判斷接收信號是否為虛假信號。
本發明實施例採用分布擬合檢驗法首先假定總體信號幅度的分布類型，並通過參數估計得到分布參數，從而得到信號幅度概率密度函數f(x)，然後對採樣得到的信號Xn可能出現的值進行區間劃分，得到互不重疊的子區間；計算每個區間中樣本的頻數，如果區間劃分不符合要求，則對區間進行合併調整；然後構造擬合優度統計量χ2，並根據規定的顯著性水平α和自由度r(合併後區間的個數)，通過查閱χ2分布表，得到判決臨界值；最後通過比較統計量與臨界值的大小，判斷是否能夠接受開始給出的假設，從而判斷有源天線產生的信號是否為虛假信號。
本發明利用分布擬合檢驗對有源天線產生的虛假信號進行判定的方法具體包括如下步驟 (1)採樣得到總體X的樣本Xn，n＝1，2，3，…，假設總體X概率密度函數的類型，並進行參數估計 令總體X的理論分布為F(x)，取自總體X的n個樣本X1，X2，...Xn，其樣本觀測值為x1，x2，...，xn，現在，用此樣本來檢驗假設 H0∶F(x)＝F0(x)，H1∶F(x)≠F0(x) 其中H0為原假設，表示假設F(x)＝F0(x)為真；H1為備擇假設；F0(x)表示假設的抽樣分布函數，其為一已知的分布函數(如瑞利分布或萊斯分布)，本步驟中例如可先假設F0(x)為瑞利分布。
該步驟中，在H0下總體分布F0(x)已知，但其參數未知，則需要進行參數估計。如果總體分布F0(x)中含有k個未知的參數θ＝θ1，θ2，...θk，可在F0(x)的形式下用矩估計法或最大似然估計法求出未知參數θ的估計
最大似然參數估計的基本原理為設總體X的密度函數為p(x，θ1，θ2，...θk)，其中θ1，θ2，...θk為未知參數，X1，X2，...Xn為總體X的樣本，其觀測值為x1，x2，...，xn。作出似然函數 通常似然函數L(θ1，θ2，...θk)是θl的可微函數，這時
常常通過下列似然方程 或者對數似然方程求解。
一般當方程有唯一解
時，則
就是參數θ的最大似然函數估計。
(2)進行區間劃分 將樣本觀測值出現的範圍劃分為r個互不重疊的區間(a0，a1]，(a1，a2]，...(ar-1，ar]，其中-∞＜a0＜a1＜a2＜...＜ar＜+∞。
求出樣本觀測值x1，x2，...，xn在各區間的頻數fi(fi表示樣本值落入第i個子區間(ai-1，ai]的個數)，並統計各區間的頻率
其中i＝1，2，3，...，r； (3)根據設定的總體X的概率密度函數，求出理論頻率pi，得到理論頻數npi。在H0為真時，有 pi＝P{ai-1≤x≤ai}＝F0(ai)-F0(ai-1)； pi表示總體X的值x在第i個區間出現的概率，npi就是落入第i個區間的的樣本值的理論頻數。
如果存在npi＜5的區間，則調整區間，使每個區間npi≥5。
若某些樣本值出現的概率太小，可以作適當的合併，一般把取大於某個值的尾端各項合併。
(4)計算統計量 根據得到的fi，pi構造擬合優度統計量 計算統計量的觀測值。
(5)根據給定的顯著性水平α，獲得臨界值 顯著性水平α可根據實際情況選取一個合適的值，例如可取0.05，或0.01等值，分別對應95％，或者99％假設正確。
根據給定的顯著性水平α，查所選統計量χ2的分布臨界值表，獲得臨界值χ2α，使得 (6)判斷假設是否成立 如果根據樣本觀測值計算的統計量(r為合併後的區間數，k為未知參數的個數)，則認為差異不顯著而接受原假設H0，拒絕備則H1，表示收集的採樣信號服從分布函數F0(x)(瑞利分布)，從而可以判斷接收的信號不是虛假信號。
如果計算的統計量則拒絕原假設H0，表示收集的採樣信號不服從分布函數F0(x)(瑞利分布)，需要重新作出假設(重複步驟(1)-(6)，此時假設F0(x)為萊斯分布)，進一步檢驗收集的採樣信號是否服從萊斯分布，如果收集的採樣信號服從萊斯分布，則可以判斷接收的信號不是虛假信號；如果收集的採樣信號也不服從萊斯分布，則由此可判斷接收的信號為虛假信號。
如上所述，利用分布擬合檢驗的方法，通過檢驗接收的採樣信號是否服從一定的統計分布規律就可以判斷該信號是否是假信號，從而提高了無線電監測結果的準確性及有效性，提高了無線電管理的技術水平。
以上具體實施方式
僅用於說明本發明，而非用於限定本發明。凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種有源天線產生的虛假無線電信號的判定方法，其特徵在於該方法包括
對有源天線接收的信號進行採樣的步驟；以及
檢驗步驟，通過分布擬合檢驗來檢驗採樣信號的幅度是否服從無線電信號的統計分布規律，如果不服從，則判斷接收的信號為虛假無線電信號。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述無線電信號的統計分布規律是指瑞利分布及萊斯分布。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述檢驗步驟包括
假設總體信號幅度服從第一分布類型，並進行參數估計得到分布參數，從而獲得總體的概率密度函數；
對有源天線接收的採樣信號進行區間劃分，計算每個區間中樣本的頻數，並根據總體的概率密度函數獲得理論頻率及理論頻數；
根據所述每個區間中樣本的頻數及理論頻數，計算統計量觀測值；
根據規定的顯著性水平，查統計量分布臨界值表，獲得臨界值；
根據所述統計量觀測值及臨界值，檢驗假設是否成立，如果假設成立，則判斷接收的信號不是虛假無線電信號。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，該方法還包括
如果假設不成立，則重新假設總體信號幅度服從第二分布類型，並檢驗假設是否成立，如果假設成立，則判斷接收的信號不是虛假無線電信號；如果假設不成立，則判斷接收的信號為虛假無線電信號。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述進行區間劃分的步驟還包括
根據理論頻數或區間內樣品值出現的頻率進行區間的調整或合併。
6.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於
所述參數估計為最大似然估計或矩估計。
全文摘要
本發明提供一種有源天線產生的虛假無線電信號的判定方法，該方法是根據空中存在無線電信號與有源天線產生的虛假信號的參數統計規律的不同來區分虛假信號。具體說來就是空中存在的無線電信號幅度服從瑞利分布或萊斯分布，根據隨機變量概率密度函數計算公式可以證明，虛假無線電信號不服從上述兩種分布，因此可以通過對採集到的數據利用分布擬合檢驗的方法判斷是否為虛假信號。該方法可以提高無線電監測結果的準確性及有效性，從而提高無線電管理的技術水平。
文檔編號G01R29/10GK101173968SQ20071017666
公開日2008年5月7日 申請日期2007年11月1日 優先權日2007年11月1日
發明者李景春, 明 李, 科 張, 炎 張 申請人:國家無線電監測中心