一种无线通信信号的微多普勒信息的提取方法与流程

本发明涉及人机交互技术领域，特别是涉及一种无线通信信号的微多普勒信息的提取方法。

背景技术：

利用无线通信信号进行人体动作识别是推动医疗、智能家庭，健康监管等许多领域的核心技术，传统的基于视觉的人机交互的方法由于可视化的条件和一些隐私问题使得该项技术的发展受到限制。然而基于无线通信信号的识别和控制则完美地解决了这个问题。近年来，基于无线通信信号的人体动作识别是人机交互领域的一个研究热点。而多普勒信息对于动态物体的识别具有重要的作用。

当下已有的一些研究成果中，无线信号中的多普勒信息提取大多是借鉴雷达中的处理方法，通过利用复杂的信号处理的方法来提取通信信号中的多普勒信息。这些方法的优点是精确度高，但是，由于雷达信号尤其是专门用于定位和识别的雷达信号和普通的通信信号相差很大，所以不可避免的，要提取通信信号中的微多普勒信息，需要辅以复杂的信号处理的方法，所以实现过程复杂。而且这种提取方式一般都忽略了通信信号本身的特性。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种无线通信信号的微多普勒信息的提取方法，以克服当前一些方法中，提取微多普勒信息所面临的提取过程复杂的问题。

本发明所采用的技术方案是：针对无线通信信号，通过分析数据帧的结构特性，提出了一种无线通信信号的微多普勒信息的提取方法。所属方法包含如下步骤：1)帧检测和帧定界；2)确定前导长度；3)长前导的提取；4)数据处理

其中，所述步骤1)包括具体内容如下：无线通信信号的数据帧由两部分组成，一部分是特定的前导序列，另一部分是数据部分。接收端利用前导结合帧检测算法完成帧检测，利用接收到的前导和标准的前导数据做滑动相关，根据前导数据做相关之后的能量值的大小可确定帧的起始位置；

所述步骤2)包括具体内容如下：前导序列按照用途可分为两部分，用于帧定界的前导序列和用于信道估计和频偏估计的前导序列，提取微多普勒信息的数据为用于信道估计的前导序列。在接收端对整个数据帧进行采样，采样前导数据所得到的采样点数与通信系统的采样速率相关，采样速率与发送前导数据的时间相乘即可得到前导数据的采样点数。

所述步骤3)在通信进行时，如果环境中有运动物体，则前导部分中必然包含微多普勒信息，由帧定界的结果和上一步提取到的帧长度，可完成前导部分数据的提取；

所述步骤4)包括具体内容如下：当采样速率一定时，每一帧的前导数据的长度固定，将采样得到的前导数据组成m*n的矩阵，其中，m为每一帧数据中，前导部分所对应的采样点数，n为通信过程中传输的帧的总个数，然后对矩阵按行求和，然后归一化处理，最终用所有归一化后的数据组成一个向量，对该向量进行短时傅里叶变换画出时频图最终得到运动物体的微多普勒信息。

本发明的技术方案有如下优点：作为一种无线通信信号的微多普勒信息的提取方法，本方法充分考虑了无线信号数据帧的特性，利用数据帧的结构特性结合简单的数据处理来完成微多普勒信息的提取，避免了对于整个数据帧的处理，有效解决了数据量大的问题，避免了复杂的信号处理。

附图说明

图1为:本发明的一种具有提取多普勒信息功能的通信系统的系统实例框图

图2为:无线通信信号数据帧

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明的具体实施方式进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但是不用来限制本发明的范围。

本发明结合无线通信信号的帧结构的特点，提出了一种无线通信信号中微普勒信息的方法，具体实现分为两部分：无线通信系统平台的搭建，数据提取和处理。其中，通信系统包括接收和发送两个部分。数据处理部分是本发明的核心部分，用于完成数据帧的分解和微多普勒信息的提取。数据处理部分在原有的通信系统中增加了帧的分解、前导数据的提取以及微多普勒信息的提取。

这种设计方式在不影响通信系统功能的情况下完成了数据的提取和分析，符合推广和使用，因为通信信号用于识别的前提就是不影响信号的原有功能，在通信的基础上实现识别才能体现该技术的意义。

首先介绍改进后的通信系统的结构：

本实例中可以选取任何的通信协议所规定的帧格式进行通信。

发送端：

1.首先将原始信息编码。由于微普勒信息的提取和通信内容无关，所以只需保证正常的通信，然后以固定的间隔发送数据帧，通信系统如图1所示。

2.对编码后的信息进行编码，之后给映射得到的编码序列增加前导序列，

3.然后增加帧头和帧尾，形成完整的数据帧，

接收端：

1.帧定界。此处的帧定界采用滑动相关的方式实现。滑动相关是用标准的长前导序列和接收数据做窗口大小固定的相关运算实现的。前导是由发送端加在数据帧前端用于完成通信功能的固定序列。如果我们使用标准的前导序列和接收数据进行滑动相关运算，窗口大小为固定序列的长度，理论上就可以产生明显的峰值点。我们根据峰值的位置就可以确定帧的起始位置。

确定帧的起始位置的公式如下：

其中，N_preamble表示前导的总长度，表示前导序列的采样点，表示前导序列的采样点的个数，arg max₃表示能量值最大的索引的位置，很显然，我们就可以给出数据部分的起始位置：

n_p＝max(N_p)

其中，n_p表示数据部分的起始位置，然后根据帧结构得到帧的起始位置。

2.相偏矫正和信道估计。由于发送端和接收端的采样时间不同步，所以会产生相位偏移，这个相位偏移可以通过导频子载波进行修正；除了相位偏移以外，载波的幅值也会发生非线性的变化，这与信道特性密切相关，通过信道估计便可消除载波幅值的非线性影响。在信道估计时，我们也需要消除子载波中的直流分量以及导频子载波。

3.帧解码。将解码出来的数据部分通过与相应的调制方式的星座图进行映射，然后选择合适的方式进行解码，最后得到输出信息序列。

其次是数据提取和处理：

1.前导序列的获取

在系统结构中的步骤1中，在帧定界过程中，我们确定了数据部分的起始位置，根据相应的帧结构，我们可以确定前导的位置。我们对基带信号的采样频率为R_b进行采样，每帧数据中，发送长前导和短前导序列的时间均为T_s，这个时间是对用于信道估计的采样时间。在实例中，结合采样频率R_b我们可以得到采样点的个数：

N_s＝R_b*T_s

作为提取多普勒信息的原始数据。

2.数据处理

1)在数据采集部分，给出了每一帧数据中得到的采样点，采集一组手势总共发送N_frame帧数据，形成N_p*N_frame的矩阵；

2)数据归一化处理；

3)由于通信过程中信号能量集中在零频附近，所以为了提高频率分辨率，可以利用低通滤波器滤除噪声；

4)绘制采集数据的时频图，通过时频图即可得到由于测试人员运动而产生的频率信息；

5)利用多普勒公式：

其中，f₀为运动物体产生的多普勒频移，v_c为物体运动速度，cosθ为物体运动方向和信号传输方向的夹角，f_c为载波频率，c₀为光速，

可获得运动物体的多普勒频移和运动速度之间的关系。

实验场景。

1.实验条件

保证通信系统正常工作。

采集数据:两台设备保持正常通信，收发设备之间，存在运动物体。

按照步骤对数据进行处理，最终得到信号的多普勒频移，进而求出运动物体的速度。

结论：

当设备之间进行通信时，如果该环境中有物体在运动，就会对通信信号产生影响，从而使运动物体的运动信息包含在了通信信号中，通过提取通信信号中的微多普勒信息确定人体目标的运动状态，实现通信识别一体化是未来技术发展的一个趋势。以往提取通信信号中的微多普勒信息的方法往往忽略了通信信号本身的特点，所以本发明结合通信信号数据帧的特点给出了一种的提取通信号中所包含的微多普勒信息的方法。

实例中所给出的对于运动物体速度的检测，是本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围不限于此，任何本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以对本方法做若干改进，这些改进也视为本发明的保护范围。