一种微弱信号的提取方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明提出了一种微弱信号的提取方法和装置，包括：提取出采样信号中第k到（k+P-1）个采样点；其中，P为N或Ns，N为预设的采样信号的长度，Ns为预设的采样信号中待测信号的长度，k为1到（N-P+1）的整数，Ns≤N；根据预设的频率、预设的相位和采样点时刻构建字典；根据构建的字典求解第k到（k+P-1）个采样点对应信号值的稀疏表达向量；根据第一字典和求得的稀疏表达向量重构第k到（k+P-1）个采样点中待测信号的填充信号或候选待测信号；根据重构的待测信号的填充信号或候选待测信号和第k到（k+P-1）个采样点对应信号值的匹配度计算待测信号的起始位置。本发明能够准确、快速地估计待测信号的起始位置。
【专利说明】—种微弱信号的提取方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信领域，尤指一种微弱信号的提取方法和装置。
【背景技术】
[0002]在移动通信网络中，射频干扰信号会对基站覆盖区域内的移动通信带来如电话掉线、语音质量差、信道丢失等困扰；在移动通信的盲区内，通信信号非常微弱，加之周围不同基站信号相互重叠，产生同频干扰等问题，使得手机和BP机无法正常使用。目标群体特征识别作为大数据研究领域的主要应用之一，常常因为强噪声干扰和通信盲区的存在，使得接收到的微弱信号无法被准确识别，造成信息数据遗漏或失效。因此，在强噪声背景下，需要快速、准确地提取出有用的微弱信号。
[0003]另一方面，在实际应用中，接收端通常无法准确断定待测信号出现的时间点。即在信号采集的时间范围内，只有其中的一部分采样点中包含有效信号，而其他时间范围内出现的是纯噪声。而当噪声强度达到一定程度时，很难将噪声部分和信号部分区分开来。因此，需要准确地从采样信号中估计待测信号的有效起始点，从而在信噪比较低的情况下准确地提取出待测信号。
[0004]在微弱信号提取方法上，目前，大部分算法都是采用硬件控制信号采样的起始时间，默认采样得到的信号中噪声信号和待测信号是同时到达的，然后对采样信号进行去噪处理。
[0005]采用硬件定时控制进行信号提取的方法存在误差，为了保证其提取精度往往需要以牺牲成本为代价。
[0006]在微弱信号的重建方法上，目前，大部分算法均建立在一个理想模型上，即基于待测信号和噪声信号同时被采样的前提假设，直接对采样信号进行去噪和重建。这样，由于需要拟合长时间的强噪声部分，检测结果存在一定误差。
[0007]其中相关检测作为一种经典的信号处理方法，既可有效估计待测信号的时间延迟用于提取待测信号，又可从噪声中恢复信号用于重建待测信号。
[0008]相关检测方法是将待测信号的提取问题建模成一个纯时延系统。考虑了待测信号和噪声在时间特性上的差别，即待测信号具有周期性和相关性，而噪声具有随机性和不相关性。该方法大致包括：
[0009]对采样信号进行降噪处理，如滤波；根据待测信号的频率构建基准信号，根据相关性原理计算处理后的采样信号和基准信号之间的互相关值；根据计算得到的互相关的峰值点估计待测信号的时间延迟，提取信号；根据锁相放大原理，以提取的含有噪声的待测信号为输入信号，两路正交信号为参考信号，输入信号分别跟两路参考信号进行互相关运算，根据运算的结果计算待测信号的幅值和相位角，从而恢复波形。
[0010]上述方法主要存在以下几个缺陷：（1)对采样信号的波形复杂度极为敏感，因而主要应用于单频周期信号检测；（2)其性能保障通常需要较多的数据采集点，因而性能的提高需要以牺牲运算量为代价；（3)对系统的先验知识要求较多，几乎需要事先已知待测信号的全部信息，包括频率、相位、幅度等参数，才能得到准确的结果，因而适用性有限。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是提出一种微弱信号的提取方法和装置，能够准确、快速地提取微弱信号。
[0012]为了达到上述目的，本发明提出了一种微弱信号的提取方法，包括：
[0013]提取出米样信号中第k到（k+Ρ-Ι)个米样点；其中，P为N或Ns, N为米样信号的长度，Ns为采样信号中待测信号的长度，k为I到（N-P+1)的整数，Ns ^ N；
[0014]根据预设的频率、预设的相位和采样点时刻构建字典；其中，字典包括第一字典和
第二字典；
[0015]当P=N时，所述第一字典用于求解采样信号中待测信号的填充信号的稀疏表达向量；所述第二字典用于求解采样信号中噪声信号的稀疏表达向量；
[0016]当P=Ns时，所述第一字典用于求解第k到（k+Ns-Ι)个采样点中候选待测信号的稀疏表达向量；所述第二字典用于求解第k到（k+Ns-Ι)个采样点中噪声信号的稀疏表达向量;
[0017]根据构建的字典求解第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应信号值的稀疏表达向量；
[0018]根据第一字典和求得的稀疏表达向量重构第k到（k+Ρ-Ι)个采样点中待测信号的填充信号或候选待测信号；
[0019]根据重构的待测信号的填充信号或候选待测信号和第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应信号值的匹配度计算待测信号的起始位置。
[0020]优选地，所述第一字典包括M个基元，其中，M=NfXN0 X (P_Ns+l)，Nf为预设的频率的个数，Ne为预设的相位的个数；N为所述采样信号的长度，Ns为所述待测信号的长度；
[0021]各基元为[df，<CT，其中，Cl1为：
[0022]Cl1Onixi
[0023]其中，nl为O到（P-Ns)的正整数中的一个；
[0024]d2 为：
[0025]Cl2On2Xi
[0026]其中，n2为（P-Ns-nl)的正整数；
[0027]d0各元素为
[0028]dksin (2 π Atk+ θ」）
[0029]其中，i为I到Nf的正整数，j为I到Ne的正整数，k为I到Ns的正整数Ji为Nf个预设的频率中的第i个频率值，tk为采样信号中的第k个采样点对应的时间值，Θ ^为N0个预设的相位的第j个相位值。
`[0030]优选地，所述第二字典为PXP的单位矩阵。
[0031]优选地，所述根据构建的字典求解第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应信号值的稀疏表达向量包括：
[0032]求解公式mjn|x -Dz|2 + /--得到z ;其中，X为所述采样信号的表达向量，D为所述构建的字典，z为所述第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应信号值的稀疏表达向量，λ为I1-范数正则约束下的惩罚参数。
[0033]优选地，根据公式gDlZl重构所述待测信号的填充信号或所述候选待测信号，其中，g为重构的待测信号的填充信号或候选待测信号，D1S所述第一字典，并且满足D [D1, D2], D2为所述第二字典，Z1为所述待测信号的填充信号或候选待测信号的稀疏表达向量。
[0034]优选地，所述P为N，所述根据重构的待测信号的填充信号和第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应信号值的匹配度计算采样信号中待测信号的起始位置包括：
[0035]提取出所述采样信号中第m到（m+Ns-Ι)个采样点对应信号值，提取出所述重构的待测信号的填充信号中对应的第m到（m+Ns-Ι)个信号值，m为I到N-Ns+Ι的整数；
[0036]计算第m到（m+Ns-Ι)个采样点对应信号值和重构的第m到（m+Ns_l)个采样点对应号值的内积值，直到获得（Ν-Ns+l)个内积值；
[0037]所述（N-Ns+Ι)个内积值中最大的内积对应的m值为所述米样信号中待测信号的起始位置。
[0038]优选地，该方法还包括：
[0039]以所述待测信号的起始位置为起点，从采样信号中截取Ns个连续的采样点；
[0040]根据所述P=Ns时构建的字典和截取的采样信号求解截取的采样信号的稀疏表达
向量;
[0041]根据所述第一字典和求得的稀疏表达向量中待测信号的稀疏表达向量重构待测信号。
[0042]优选地，所述P为Ns，所述根据重构的候选待测信号和第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应信号值的匹配度估算待测信号的起始位置包括：
[0043]对第k到（k+Ρ-Ι)个采样点重构的候选待测信号和第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应号值进行内积计算，直到获得（Ν-Ns+l)个内积值；
[0044](N-Ns+Ι)个内积值中最大的内积值对应的k值为所述采样信号中待测信号的起始位置。
[0045]优选地，该方法还包括：
[0046]以所述待测信号的起始位置为起点，从采样信号中截取Ns个连续的采样点；
[0047]根据所述字典和截取的Ns个连续的采样点对应信号值求解截取的Ns个连续的采样点对应信号值的稀疏表达向量；
[0048]根据所述第一字典和求得的稀疏表达向量中待测信号的稀疏表达向量重构待测信号。
[0049]本发明还提出一种微弱信号的提取装置，其特征在于，至少包括：
[0050]信号提取模块，用于提取出采样信号中第k到（k+Ρ-Ι)个采样点；其中，P为N或Ns，N为采样信号的长度，Ns为采样信号中待测信号的长度，k为I到（N-P+1)的整数，Ns ≤ N ；
[0051]字典模块，用于根据预设的频率、预设的相位和采样点时刻构建字典；其中，字典包括第一字典和第二字典；
[0052]当P=N时，所述第一字典用于求解采样信号中待测信号的填充信号的稀疏表达向量；所述第二字典用于求解采样信号中噪声信号的稀疏表达向量；[0053]当P=Ns时，所述第一字典用于求解第k到（k+Ns-Ι)个采样点中待测信号的填充信号或候选待测信号的稀疏表达向量；所述第二字典用于求解第k到（k+Ns-Ι)个采样点中噪声信号的稀疏表达向量；
[0054]算法求解模块，用于根据构建的字典求解第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应信号值的稀疏表达向量；
[0055]一次重构模块，用于根据第一字典和求得的稀疏表达向量重构第k到（k+Ρ-Ι)个采样点中待测信号的填充信号或候选待测信号；
[0056]匹配计算模块，用于根据重构的待测信号的填充信号或者候选待测信号和第k到(k+p-l)个采样点对应信号值的匹配度计算待测信号的起始位置。
[0057]优选地，所述算法求解模块具体用于：
[0058]求解公式
【权利要求】
1.一种微弱信号的提取方法，其特征在于，包括： 提取出采样信号中第k到（k+p-l)个采样点；其中，P为N或Ns，N为采样信号的长度，Ns为采样信号中待测信号的长度，k为I到（N-P+1)的整数，Ns 根据预设的频率、预设的相位和采样点时刻构建字典；其中，字典包括第一字典和第二字典； 当P=N时，所述第一字典用于求解采样信号中待测信号的填充信号的稀疏表达向量；所述第二字典用于求解采样信号中噪声信号的稀疏表达向量； 当P=Ns时，所述第一字典用于求解第k到（k+Ns-Ι)个采样点中候选待测信号的稀疏表达向量；所述第二字典用于求解第k到（k+Ns-Ι)个采样点中噪声信号的稀疏表达向量；根据构建的字典求解第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应信号值的稀疏表达向量； 根据第一字典和求得的稀疏表达向量重构第k到（k+Ρ-Ι)个采样点中待测信号的填充信号或候选待测信号； 根据重构的待测信号的填充信号或候选待测信号和第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应信号值的匹配度计算待测信号的起始位置。
2.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，所述第一字典包括M个基元，其中，M=NfXN0 X (P-Ns+1), Nf为预设的频率的个数，N0为预设的相位的个数；N为所述采样信号的长度，Ns为所述待测信号的长度； 各基兀为[d；, d:, Y，其中，Cl1为： c^iOnixi 其中，nl为O到（P-Ns)的 正整数中的一个； d2为：
3.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，所述第二字典为PXP的单位矩阵。
4.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，所述根据构建的字典求解第k到(k+Ρ-Ι)个米样点对应信号值的稀疏表达向量包括： 求解公式_卜-02||2+^%|1得到2 ;其中，X为所述采样信号的表达向量，D为所述构建的字典，z为所述第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应信号值的稀疏表达向量，λ为I1-范数正则约束下的惩罚参数。
5.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，根据公式gDlZl重构所述待测信号的填充信号或所述候选待测信号，其中，g为重构的待测信号的填充信号或候选待测信号，D1为所述第一字典，并且满足D [D1, D2], D2为所述第二字典，Z1为所述待测信号的填充信号或候选待测信号的稀疏表达向量。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的提取方法，其特征在于，所述P为N，所述根据重构的待测信号的填充信号和第k到（k+p-l)个采样点对应信号值的匹配度计算采样信号中待测信号的起始位置包括： 提取出所述采样信号中第m到（m+Ns-Ι)个采样点对应信号值，提取出所述重构的待测信号的填充信号中对应的第m到（m+Ns-Ι)个信号值，m为I到N_Ns+l的整数； 计算第m到（m+Ns-Ι)个采样点对应信号值和重构的第m到（m+Ns-Ι)个采样点对应信号值的内积值，直到获得（N-Ns+1)个内积值； 所述（N-Ns+1)个内积值中最大的内积对应的m值为所述采样信号中待测信号的起始位置。
7.根据权利要求6所述的提取方法，其特征在于，该方法还包括： 以所述待测信号的起始位置为起点，从采样信号中截取Ns个连续的采样点； 根据所述P=Ns时构建的字典和截取的米样信号求解截取的米样信号的稀疏表达向量; 根据所述第一字典和求得的稀疏表达向量中待测信号的稀疏表达向量重构待测信号。
8.根据权利要求1~5任意一项所述的提取方法，其特征在于，所述P为Ns，所述根据重构的候选待测信号和第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应信号值的匹配度估算待测信号的起始位置包括： 对第k到（k+Ρ-Ι)个采样点重构的候选待测信号和第k到（k+Ρ-Ι)个采样点对应信号值进行内积计算，直到获得（N-Ns+1)个内积值； (N-Ns+1)个内积值中最大的内积值对应的k值为所述采样信号中待测信号的起始位置。
9.根据权利要求8所述的提取方法，其特征在于，该方法还包括： 以所述待测信号的起始位置为起点，从采样信号中截取Ns个连续的采样点； 根据所述字典和截取的Ns个连续的采样点对应信号值求解截取的Ns个连续的采样点对应信号值的稀疏表达向量； 根据所述第一字典和求得的稀疏表达向量中待测信号的稀疏表达向量重构待测信号。
10.一种微弱信号的提取装置，其特征在于，至少包括： 信号提取模块，用于提取出采样信号中第k到（k+Ρ-Ι)个采样点；其中，P为N或Ns，N为采样信号的长度，Ns为采样信号中待测信号的长度，k为I到（N-P+1)的整数，Ns^N；字典模块，用于根据预设的频率、预设的相位和采样点时刻构建字典；其中，字典包括第一字典和第二字典； 当P=N时，所述第一字典用于求解采样信号中待测信号的填充信号的稀疏表达向量；所述第二字典用于求解采样信号中噪声信号的稀疏表达向量； 当P=Ns时，所述第一字典用于求解第k到（k+Ns-Ι)个采样点中待测信号的填充信号或候选待测信号的稀疏表达向量；所述第二字典用于求解第k到（k+Ns-Ι)个采样点中噪声信号的稀疏表达向量； 算法求解模块，用于根据构建的字典求解第k到（k+p-l)个采样点对应信号值的稀疏表达向量； 一次重构模块，用于根据第一字典和求得的稀疏表达向量重构第k到（k+p-l)个米样点中待测信号的填充信号或候选待测信号； 匹配计算模块，用于根据重构的待测信号的填充信号或者候选待测信号和第k到(k+p-l)个采样点对应信号值的匹配度计算待测信号的起始位置。
11.根据权利要求10所述的提取装置，所述算法求解模块具体用于： 求解公式mjn|x-DZ|2+A|4得到z;其中，x为所述采样信号的表达向量，D为所述构建的字典，z为所述第k~k+Ρ-1个采样点对应信号值的稀疏表达向量，λ为I1-范数正则约束下的惩罚参数。
12.根据权利要求10所述的提取装置，所述一次重构模块具体用于： 根据公式gDlZl重构所述待测信号的填充信号或所述候选待测信号，其中，g为重构的待测信号的填充信号或候选待测信号，D1为所述第一字典，并且满足DO)” D2]，D2为所述第二字典，Z1为所述待测信号的填充信号或候选待测信号的稀疏表达向量。
13.根据权利要求10~12任意一项所述的提取装置，所述匹配计算模块具体用于： 提取出所述采样信号中第m到（m+Ns-1)个采样点对应信号值，提取出所述重构的待测信号的填充信号或候选待测信号中对应的第m到（m+Ns-1)个信号值，m为I到（N-Ns+1)的整数； 计算第m到（m+Ns-1)个采样点对应信号值和对应的第m到（m+Ns-1)个重构的待测信号的填充信号值或候选待测信号值的内积值，直到获得Ν-Ns+l个内积值；所述（N-Ns+1)个内积值中最大的内积对应的m值为所述采样信号中待测信号的起始位置。
14.根据权利要求13所述的提取装置，还包括： 二次重构模块，用于以所述待测信号的起始位置为起点，从采样信号中截取Ns个连续的采样点； 根据所述P=Ns时构建的字典和截取的米样信号求解截取的米样信号的稀疏表达向量; 根据所述第一字典和求得的稀疏表达向量中待测信号的稀疏表达向量重构待测信号。
15.根据权利要求10~12任意一项所述的提取装置，所述匹配计算模块具体用于： 对重构的候选待测信号和第k到（k+Ρ-1)个采样点对应信号值进行内积计算，直到获得（N-Ns+f)个内积值； (N-Ns+1)个内积值中最大的内积值对应的k值为所述采样信号中待测信号的起始位置。
16.根据权利要求15所述的提取装置，还包括： 二次重构模块，用于以所述待测信号的起始位置为起点，从采样信号中截取Ns个连续的采样点； 根据所述字典和截取的Ns个连续的采样点对应信号值求解截取的Ns个连续的采样点对应信号值的稀疏表达向量； 根据所述第一字典和求得的稀疏表达向量中待测信号的稀疏表达向量重构待测信号。
【文档编号】H04B17/00GK103763050SQ201410033264
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2014年1月23日
【发明者】汤雅妃, 张云勇, 魏进武, 李璐颖 申请人:中国联合网络通信集团有限公司