一种基于欠奈奎斯特采样的宽带信号检测识别方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于欠奈奎斯特采样的通信信号检测与识别方法，流程如下：模拟前端的欠奈奎斯特采样数据作为信号重构模块的输入，信号重构以SOMP算法为基础，在每次迭代计算中产生一个能量观测值用于频谱检测，同时恢复的频域信号用于循环谱估计。频谱检测采用一个恒虚警检测器实现宽带频谱二元判决，多用户识别模块利用用户带宽约束消除由恒虚警检测器产生的毛刺。循环谱估计模块利用恢复的信号和多用户识别的结果对每个用户的循环谱进行估计，最后根据各种数字通信信号的循环谱特征实现各用户信号的调制格式识别，符号速率估计和载波估计。本发明能够同时实现宽频谱检测和数字通信信号识别。
【专利说明】一种基于欠奈奎斯特采样的宽带信号检测识别方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信【技术领域】，特别是涉及一种基于欠奈奎斯特采样的宽带信号检测 识别方法。
【背景技术】
[0002] 随着各种无线通信业务的发展，频谱资源日趋匮乏，但是现有的无线通信系统均 采用固定信道分配的策略，使得频谱利用率低下。为了提高频谱利用率，认知无线电技术通 过频谱感知的结果进行无线随机接入，其关键技术之一便是频谱检测，在很大的频带范围 内识别出没有利用的频段。另一方面，在电磁环境的监测中，也需要对各用户信号进行调制 格式识别，符号速率估计和载波估计。
[0003] 为了快速的一次检测出多个分布在宽带范围内的所有用户及其占用的频带，模拟 前端采样后的数字信号需要能够保留原始信息，根据奈奎斯特采样定律，模拟/数字转换 器的采样频率至少是最大频率的2倍，在实际应用中采样频率会达到最大频率的5倍以上， 对于检测频谱宽度上GHz的系统，普通的器件无能为力，同时过高的采样频率会导致较高 的功耗。由于现有无线通信系统均采用固定信道分配策略，在实际环境中，分配到频谱使用 权的授权用户只在一部分时间工作，这使得整个宽带的信号具有很大的频域稀疏性。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于欠奈奎斯特采样的宽带信号检测识 别方法，能够同时实现宽频谱检测和数字通信信号识别。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于欠奈奎斯特采样的宽 带信号检测识别方法，包括以下步骤：
[0006] (1)模拟前端采用基于调制宽带转换器的欠奈奎斯特采样，得到采样矩阵；
[0007] (2)根据S0MP恢复算法得到信号的频域矩阵，在S0MP恢复算法迭代过程中获取能 量观测向量，其中，能量观测向量用于频谱检测，频域矩阵用于循环谱估计；
[0008] (3)利用恒虚警检测器对能量观测向量进行二元判决，能量观测向量的能量观测 值大于等于门限值判定为有信号，小于门限值判定为噪声；在高分辨频谱识别中，利用每个 用户的频谱宽度和每个用户之间的频谱间隔设立带宽约束，利用带宽约束消除恒虚警检测 器产生的毛刺，实现多用户检测；
[0009] (4)根据多用户检测和信号的频域矩阵，利用FAM时域平滑算法估计每一个用户 的循环谱；
[0010] (5)对每个用户循环谱的估计结果，搜索出其中的峰值的位置，根据每一种数字通 信信号对应的循环谱特征，估计出每个用户的符号速率和载波以及其采用的调制格式。 [0011] 所述步骤⑴中得到的采样矩阵：Y[n] =AX[n]，其中A为压缩采样矩阵，其元素 随机从{1，-1}中选取；X为原始输入信号的奈奎斯特离散采样矩阵。
[0012] 所述步骤⑵中的S0MP恢复算法迭代过程如下：
[0013] (21)计算出最大原子argmaX||?H|，同时计算能量观测值4 =
[0014] (22)更新支撑集成=[SM，0>fX
[0015] (23)求取恢复矩阵 Xi = argminx| |Y-XSj | ；
[0016] (24)计算残差心=Υ-;
[0017] 其中，矩阵Φ tAF'F-1为IDFT矩阵，则Y[n] = 〇X[f]，X[f]为恢复信号的频域 矩阵成为每次迭代产生的残差，初始为Y ;支撑集的初始值为空集。
[0018] 所述步骤⑶中的门限值设定为i
【权利要求】
1. 一种基于欠奈奎斯特采样的宽带信号检测识别方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 模拟前端采用基于调制宽带转换器的欠奈奎斯特采样，得到采样矩阵； (2) 根据SOMP恢复算法得到信号的频域矩阵，在SOMP恢复算法迭代过程中获取能量观 测向量，其中，能量观测向量用于频谱检测，频域矩阵用于循环谱估计； (3) 利用恒虚警检测器对能量观测向量进行二元判决，能量观测向量的能量观测值大 于等于门限值判定为有信号，小于门限值判定为噪声；在高分辨频谱识别中，利用每个用户 的频谱宽度和每个用户之间的频谱间隔设立带宽约束，利用带宽约束消除恒虚警检测器产 生的毛刺，实现多用户检测； (4) 根据多用户检测和信号的频域矩阵，利用FAM时域平滑算法估计每一个用户的循 环谱； (5) 对每个用户循环谱的估计结果，搜索出其中的峰值的位置，根据每一种数字通信信 号对应的循环谱特征，估计出每个用户的符号速率和载波以及其采用的调制格式。
2. 根据权利要求1所述的基于欠奈奎斯特采样的宽带信号检测识别方法，其特征在 于，所述步骤（1)中得到的采样矩阵：Y[n] =AX[n]，其中A为压缩采样矩阵，其元素随机从 {1，-1}中选取；X为原始输入信号的奈奎斯特离散采样矩阵。
3. 根据权利要求2所述的基于欠奈奎斯特采样的宽带信号检测识别方法，其特征在 于，所述步骤（2)中的SOMP恢复算法迭代过程如下： (21) 计算出最大原子卜Mgmax|Φ,'同时计算能量观测值《 (22) 更新支撑集S, =[S,ρΦΓ]; (23) 求取恢复矩阵Xi =argminx| |Y-XS」I; (24) 计算残差Ri =Y-XiSi ; 其中，矩阵Φ=AF^r1为IDFT矩阵，则Y[n] = 〇X[f]，X[f]为恢复信号的频域矩 阵； Ri为每次迭代产生的残差，初始为Y;支撑集的初始值为空集。
4. 根据权利要求3所述的基于欠奈奎斯特采样的宽带信号检测识别方法，其特征在 于，所述步骤（3)中的门限值设定为(1 + - )，其中= |2，为标准反 累计分布函数，Pfa为系统设定的虚警概率。
5. 根据权利要求1所述的基于欠奈奎斯特采样的宽带信号检测识别方法，其特征在 于，所述步骤（4)中FAM时域平滑算法包括以下步骤： (41) 将频域矩阵中的列两两向量点成，生成大小为NXL2的频域相关矩阵，对频域相关 矩阵做N点DFT变换生成矩阵D; (42) 对矩阵D中的元素位置与循环谱位置做对应，经过元素位置调换后得到估计的二 维循环谱。
【文档编号】H04L5/00GK104270234SQ201410466563
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】潘乐炳, 肖世良, 刘建坡, 程勇博, 陈昕韡, 袁晓兵 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所