基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法

2023-11-09 02:24:17 2

專利名稱：基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法
技術領域：
本發明涉及一種感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法，特別涉及一種基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法。
背景技術：
認知無線電(CR)是提高頻譜利用率的有效手段。由於雷達頻段的頻譜利用率很低，故與雷達系統共享頻段的認知無線電系統受到了很大的關注並有了很多研究工作。對於認知無線電系統，為了實現對雷達頻譜的有效機會利用，需要有效的檢測雷達頻段中的空白頻譜，且不對雷達系統造成有害幹擾，而且在某頻段上探測到雷達信號後需要儘快退出該頻段。因此，關鍵技術是如何有效地感知與定位各種雷達信號。實際中，存在各種雷達信號，如連續波雷達信號、脈衝雷達信號、和調頻雷達信號(chirp signals)。不同的雷達信號形式，需要採用不同的感知與檢測方法。最常見的一種雷達是採用脈衝串序列雷達信號的脈衝雷達，脈衝雷達主要應用於航空控制，氣象預報和船舶導航。為了實現通信系統與雷達的共存，感知與識別微弱的雷達脈衝信號成為了一項重要的任務。很多文獻中的雷達信號檢測都是基於能量檢測，即通過將能量檢測器輸出與一個門限進行比較，以判斷雷達信號是否存在。能量檢測器的優點是不需要關於初級用戶信號的任何先驗信息。然而，能量檢測器有如下一些不足之處。首先，能量檢測算法無法分辨主用戶信號、次級用戶信號和幹擾。其次，能量檢測器對噪聲的不確定性比較敏感，在低信噪比(SNR)時性能比較差。而且，雷達脈衝可能以一種隨機的方式出現，使得能量檢測算法難以勝任。因此，對於隨機雷達脈衝信號的有效檢測與定位成為了雷達信號檢測中的一個難點問題。小波變換(Wavelet transform)是檢測信號中局部奇異性和不規則結構(如脈衝的邊沿和寬度等)的有利工具。文獻「M. Frisch，H. Messer，「The use of the wavelet transform in the detectionof an unknown transient signal," IEEE Transactions on Information Theory, vol. 38, no. 2, pp. 892-897, March 1992」 中利用小波檢測未知的瞬時信號；文獻"Akira Ohsumi, Hiroshi Ijima, Tomoki Kuroishi, "Online detection of pulse sequence in random noise using a wavelet, "IEEETransactions on Signal Processing, vol. 47, no. 9, pp. 2526-2531, September 1999」 中利用小波檢測含噪聲觀測信號中的隨機脈衝串信號；文獻「Z. Tian，G. B. Giannakis，「A wavelet approach towideband spectrum sensing for cognitive radios, 」in Proc.Of the 1st International Conference onCognitive Radio」中提出了一種利用小波變換的寬帶頻譜空洞檢測方法， 該方法首先利用FFT估計寬頻帶上的功率譜密度(power spectral density，PSD)，然後利用小波變換對功率譜密度中不同頻譜區域(黑、灰、或白空間)的邊沿進行有效地檢測與定位，該能量檢測器相當於頻域中的能量檢測器。然而，在低SNR時，由於噪聲可能破壞脈衝邊沿而難於檢測脈衝邊沿。一些文獻也證明，小波變換在不同尺度空間上存在很強的關聯性。對於輸入信號中存在的各脈衝邊沿，其小波變換係數將在連續的尺度空間上產生局部極值點，而噪聲的小波變換則快速地衰落。而且不難理解，噪聲的小波變換係數在不同尺度空間上的同一平移參數處將為正值或負值，而脈衝邊沿的小波變換係數在不同尺度空間上的同一平移參數處將為相同的符號。基於這些結論，一些文獻提出將一些連續尺度空間上小波變換係數相乘，所得到的多尺度小波變換係數之積用於對高斯噪聲中的隨機脈衝進行檢測與定位。該方法能有效地增強局部極值的峰值幅度，且有效地降低噪聲。但是，除了一些特殊情況外，多尺度小波變換係數之積的概率密度函數難於推導出來，從而制約了其實用性。在文獻「Rym Besrour, Zied Lachiri, Noureddine Ellouze，「Using multiscale product for ECG characterization，，，Research Letters inSignal Processing, Volume 2009，pp. 1-5」中，多尺度小波變換係數之積用於ECG的特徵描述，其中門限根據相應尺度上小波變換係數的均方根(冊幻值來確定，但這樣選取的門限無法滿足恆虛警要求。文獻 "E. ElsehelyiM. I. SobhyZiDetection of radar target pulse in the presence ofnoise and jamming signal using the multiscale wavelet transform，，，IEEE International Symposiumon Circuits and Systems,Orlando,Florida,USA,May 30-June 2,1999,vol.3, PP. 536-539」中利用小波係數在不同尺度空間上局部極值之和來檢測與定位脈衝信號。但是，當SNR比較低時，難以確定局部極值點是由噪聲產生還是由所需脈衝信號產生，因而檢測性能將變差。由上描述可見，現有的2類雷達脈衝檢測算法即基於能量感知法和基於小波域多尺度乘積法，都因各自的缺點而限制了這些感知算法的可靠性和實際應用。因此，為了更加可靠的檢測到雷達脈衝信號，同時提高檢測的效率和精度，必須研究有效的頻譜感知方法。而根據文獻 「Akira Ohsumi, Hiroshi I jima，Tomoki Kuroishi, "Online detection of pulsesequence in random noise using a wavelet, "IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 47, no. 9, pp. 2526-2531, September 1999」 的證明可知脈衝邊緣信號的小波變換係數在相應尺度空間上小波濾波器的支撐集中(region of support, RoS)都為正值(或負值)而在其他位置處則為0，而高斯白噪聲的小波變換係數仍舊為高斯白噪聲。而且，隨著尺度空間的增加，SNR變大。如圖1所示，其為高斯白噪聲(O2 = I) 和脈衝信號的小波變換係數，其中，標號為(a)的圖示表示高斯白噪聲(σ2 = 1)和脈衝信號；標號為(b)的圖示表示尺度空間s = 21上小波變換係數；標號為(c)的圖示表示尺度空間s = 22上小波變換係數；標號為(d)的圖示表示尺度空間s = 23上小波變換係數。由此可見，脈衝邊沿小波變換係數會在各尺度上傳播，而且小波變換係數的能量集中於小波濾波器的支撐集中，而噪聲的小波變換係數不具有此特徵。因此，如何利用這些特徵來正確感知和定位認知無線電系統中的脈衝信號，已成為本領域技術人員所要解決的課題。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法。為了達到上述目的及其他目的，本發明提供的基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法，包括步驟1)對感知接收機所接收到的信號進行小波變換，並在各時間點處計算特定尺度上小波支撐集內小波變換係數的平方和，再用該尺度上噪聲方差對該平方和進行歸一化以便獲得小波變換域能量感知的判決統計量；2)分析所述判決統計量的統計特徵，以便計算出所述判決統計量在觀測區間上的最大值，進而根據冬= 1*(7；(^>知|//。)來確定判決門限值，其中，Pf為虛警概率，其值預先設定，Tjw為所述判決統計量的最大值，λ 判決門限值，Htl表示接收到的信號中不存在脈衝邊沿信號， ΡΓ(Γ,°Μ >；1￡ |盡裱示在!!。下，7^ >毛的概率；3)將所獲得的判決統計量與所確定的判決門限值進行比較以判斷接收到的信號中是否存在脈衝邊沿信號。此外，所述基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法還可包括在判決統計量不小於所述判決門限值的區域內搜索出判決統計量的最大值以估計脈衝邊沿的位置的步驟。綜上所述，本發明的基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法通過對判決統計量的統計分析，可獲得判決門限值，由此可實現對雷達脈衝信號進行高效和可靠地感知，且計算複雜度較低，便於應用在實際系統中。


圖1為高斯白噪聲(O2 = 1)和脈衝信號的小波變換係數。圖2為本發明的基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法的流程示意圖。圖3為待檢測脈衝信號s (η)的示意圖。圖4為SNR = SdB時小波變換域脈衝邊沿能量檢測器 γ,Μ(η)的檢測結果示意圖。圖5為當虛警概率Pf = 時不同尺度
權利要求
1.一種基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法，其特徵在於包括步驟1)對感知接收機所接收到的信號進行小波變換，並在各時間點處計算特定尺度上小波支撐集內小波變換係數的平方和，再用該尺度上噪聲方差對該平方和進行歸一化以便獲得小波變換域能量感知的判決統計量；2)分析所述判決統計量的統計特徵，以便計算出所述判決統計量在觀測區間上的最大值，進而根據辱=Pr(71°M > Λε I 來確定判決門限值，其中，Pf為虛警概率，其值預先設定，TJm為所述判決統計量的最大值，λ Ε為判決門限值,Htl表示接收到的信號中不存在脈衝邊沿信號，Pr(7jM >Λε I仏)表示在H。下， 1°Μ >毛的概率；3)將所獲得的判決統計量與所確定的判決門限值進行比較以判斷接收到的信號中是否存在脈衝邊沿信號。
2.如權利要求1所述的基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法，其特徵在於還包括在判決統計量不小於所述判決門限值的區域內搜索出判決統計量的最大值以估計脈衝邊沿的位置的步驟。
3.如權利要求1所述的基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法， 其特徵在於當感知接收機所接收到的信號表示為y(n) = A · s (η)+ν (η) (1彡η彡N)， 其在尺度s =滻上按照
4.如權利要求1所述的基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法，其特徵在於所述虛警概率在-10%的範圍內選取。
全文摘要
本發明提供一種基於小波變換來感知認知無線電系統中的脈衝信號的方法，其首先對感知接收機所接收到的信號進行小波變換，並在各時間點處計算特定尺度上小波支撐集內小波變換係數的平方和，再用該尺度上噪聲方差對該平方和進行歸一化以便獲得小波變換域能量感知的判決統計量，接著分析所述判決統計量的統計特徵，以便計算出所述判決統計量在觀測區間上的最大值，進而根據來確定判決門限值，最後將所獲得的判決統計量與所確定的判決門限值進行比較以判斷接收到的信號中是否存在脈衝邊沿信號，本法計算複雜度較低，便於在實際系統中應用。
文檔編號G01S7/32GK102346246SQ201010239918
公開日2012年2月8日 申請日期2010年7月29日 優先權日2010年7月29日
發明者易輝躍, 王力, 王瑞, 胡宏林 申請人:上海無線通信研究中心