專利名稱：基于非線性變換的信號(hào)估計(jì)與檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隨機(jī)信號(hào)的估計(jì)與檢測(cè)技術(shù)，更具體地說涉及一種在低信噪比
(SNR)環(huán)境下基于非線性變換的信號(hào)估計(jì)與檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，日益增長(zhǎng)的頻譜需求和有限的頻譜資源之間的矛盾日顯突出，嚴(yán)重 制約了無線通信業(yè)務(wù)的發(fā)展。但從實(shí)際無線頻譜運(yùn)營(yíng)情況來看，已分配(授權(quán)) 的無線頻譜在時(shí)間和空間上存在著相當(dāng)程度的閑置，根據(jù)對(duì)無線頻譜的測(cè)量數(shù) 據(jù)報(bào)告，大部分無線頻段的頻譜使用率僅在10%左右。如何有效解決頻譜資源稀 缺與頻譜使用率低之間的矛盾成為無線通信中的關(guān)鍵技術(shù)。賦予認(rèn)知無線電 (CR)功能的UWB被公認(rèn)為高效利用無線頻譜的有效技術(shù)手段。
UWB以其高速率、高性能、低功耗、低成本的優(yōu)勢(shì)在高速短距離無線通信， 特別是流媒體業(yè)務(wù)中具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。正確感知和檢測(cè)周圍無線環(huán)境是認(rèn) 知超寬帶(CR-UWB)工作的前提。目前認(rèn)知無線信號(hào)感知與檢測(cè)的方法可分 為三大類能量檢測(cè)、匹配濾波器檢測(cè)和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)。能量檢測(cè)是以干 擾溫度為度量標(biāo)準(zhǔn)尋找合適的頻譜空穴，是目前應(yīng)用最廣的一種頻譜檢測(cè)方法。 但能量檢測(cè)的干擾溫度門限難以確定，而且當(dāng)信號(hào)極弱時(shí)，難以區(qū)分信號(hào)、噪 聲和干擾，不適宜像UWB這樣低信噪比的應(yīng)用環(huán)境。匹配濾波器檢測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 可以達(dá)到很高的信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確率，但需要了解被檢測(cè)信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)，從而限 制了這種檢測(cè)方法的應(yīng)用，也不適合在UWB環(huán)境下的使用?；谛盘?hào)循環(huán)平穩(wěn) 特征檢測(cè)可以根據(jù)頻譜三維空間中信號(hào)特征峰值位置的不同來區(qū)分信號(hào)，不需要了解檢測(cè)信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)，在很低的SNR情況下仍然具有很好的檢測(cè)性能。
但基于循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行高階(二階及二階以上)統(tǒng)計(jì)量，信 號(hào)的統(tǒng)計(jì)空間又要完備，運(yùn)算復(fù)雜度高，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，不適合像流媒體業(yè)務(wù)這
樣一些網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求很高的UWB應(yīng)用環(huán)境中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決匹配濾波器檢測(cè)方法中 缺乏被檢信號(hào)先驗(yàn)知識(shí)的難題，設(shè)計(jì)一種在低信噪比環(huán)境下能快速、準(zhǔn)確、有 效實(shí)現(xiàn)的信號(hào)感知檢測(cè)方法。
上述目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)
對(duì)周圍環(huán)境存在著的無線頻譜信號(hào)進(jìn)行兩種假設(shè)其一是不存在無線頻譜 信號(hào)/7。；其二是存在無線頻譜信號(hào)A
//。，="(,)
《少(O = x(O + w(O
w(0表示加性高斯噪聲，x(O表示己授權(quán)的無線頻譜信號(hào)，接收到的信號(hào)為MO， 對(duì)信號(hào)y(O中是否存在信號(hào)AO進(jìn)行估計(jì)與檢測(cè)，包括下列步驟
1) 非線性變換，將接收到的寬頻信號(hào)乂O通過非線性變換器進(jìn)行非線性變 換，得到非線性信號(hào),)；
2) 特征提取，從非線性變換后的信號(hào)力)中提取信號(hào)的相關(guān)特征，并作為先 驗(yàn)知識(shí)提供給匹配濾波器；
3) 匹配濾波檢測(cè)，匹配濾波器根據(jù)步驟2)中得出的先驗(yàn)知識(shí)對(duì)所述接收 信號(hào)乂/)進(jìn)行匹配檢測(cè)，匹配結(jié)果作為判決的依據(jù)；
4) 判決，判決器根據(jù)設(shè)定的判決門限對(duì)匹配濾波器檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷，判 定是否存在信號(hào)xO)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)在于，所述步驟l)中的非線性變換器為 / (0 = qy2①-- r,旨+ t2) - - r3)
其中"、6和C為加權(quán)系數(shù)，Tl、 T2和。分別是延時(shí)相關(guān)時(shí)間。 進(jìn)一步的設(shè)計(jì)在于，所述步驟2)中的所述先驗(yàn)知識(shí)的取得是
1) 將非線性變換后的信號(hào)/0通過快速傅里葉變換器進(jìn)行時(shí)頻變換得到時(shí)頻 變換信號(hào)F(/)
2) 對(duì)時(shí)頻變換后的F(/)取模(絕對(duì)值)，并據(jù)此求出極大值所對(duì)應(yīng)的頻率 力和3dB帶寬凡作為信號(hào)x(O的先驗(yàn)頻譜特征，即先驗(yàn)知識(shí)。
進(jìn)一步的設(shè)計(jì)在于，所述步驟3)中的所述匹配檢測(cè)是根據(jù)所述先驗(yàn)知識(shí)通 過匹配濾波器對(duì)接收信號(hào)少(O進(jìn)行匹配濾波，輸出濾波信號(hào)s(O
柳=f j;(卜"T)/z(2")t^
匹配濾波器函數(shù)/2(/)由先驗(yàn)知識(shí)/o決定，即/2(0^cos[2《(7-0] + sin〖2《(r-/)]，其 中的i:是延時(shí)時(shí)間。
進(jìn)一步的設(shè)計(jì)在于，所述步驟4)判決門限設(shè)定為//
"命(/)|75 其中系數(shù)"將根據(jù)系統(tǒng)要求的虛警率和漏警率設(shè)定。
判決器根據(jù)上述判決門限7對(duì)所述輸出濾波信號(hào)s(0進(jìn)行檢測(cè)，如果仏成立， 接收信號(hào);<0= "(0，其中不含有信號(hào)x(O，可以使用><0對(duì)應(yīng)頻段進(jìn)行通信；如 果/z,成立，y(0對(duì)應(yīng)頻段中含有信號(hào)^W，因此不可以使用MO對(duì)應(yīng)的頻段進(jìn)行
通信o
本發(fā)明方法將非線性變換應(yīng)用于匹配濾波器檢測(cè)中，通過非線性變換對(duì)被 檢信號(hào)作出估計(jì)，快速提取信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速、準(zhǔn)確感知與檢測(cè)。具體來說就是非線性變換與匹配濾波器相結(jié)合，非線性變換快速提取信號(hào) 特征，匹配濾波器準(zhǔn)確感知和檢測(cè)信號(hào)，解決了匹配濾波器檢測(cè)方法中缺乏被 檢信號(hào)先驗(yàn)知識(shí)的難題。從而產(chǎn)生以下的有益效果
(1) 通過非線性變換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)先驗(yàn)知識(shí)的快速提取，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；
(2) 通過匹配濾波器檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)；
(3) 判決門限具有自適應(yīng)功能，能適UWB信道的動(dòng)態(tài)變化，提高信號(hào)估計(jì) 與檢測(cè)準(zhǔn)確率；
(4) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)算復(fù)雜度低、檢測(cè)時(shí)間短。在檢測(cè)準(zhǔn)確率要求不高的
場(chǎng)合，非線性變換后的特征提取結(jié)果可直接用于判決。此時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，
檢測(cè)時(shí)間更短。


圖1是本發(fā)明的基于非線性變換的信號(hào)估計(jì)與檢測(cè)的方法框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
給定兩種假設(shè)，仏一周圍環(huán)境中只存在加性高斯噪聲"W; 周圍環(huán)境 中存在已分配(授權(quán))的無線頻譜信號(hào)x(f)與加性高斯噪聲n")，即
仏K,)=《)
設(shè)接收到的信號(hào)為;<0， 0SZST。
現(xiàn)對(duì)接受的信號(hào)乂0中是否存在信號(hào)x(0進(jìn)行估計(jì)與檢測(cè)，實(shí)施步驟如圖1
所示框圖，具體如下
首先對(duì)接收到的信號(hào)><0進(jìn)行非線性變換。 用一種最簡(jiǎn)單的非線性變換為上述的非線性變換過程實(shí)際上就是一個(gè)平方過程，采用的就是一個(gè)平方器。
也可通過其它的非線性變換器進(jìn)行變換，如典型的非線性變換器為 /(,) = (0 ,(/ - ^ )X" 5 ) -褲-f3)
其中fl、 Z)和C為加權(quán)系數(shù)，巧、T2和T3分別是延時(shí)相關(guān)時(shí)間。
將非線性變換后的信號(hào)^W進(jìn)行時(shí)頻變換
上述的時(shí)頻變換過程采用快速傅里葉變換器實(shí)現(xiàn)。
對(duì)時(shí)頻變換后的F(/)取模，并據(jù)此求出極大值所對(duì)應(yīng)的頻率/o和3dB帶寬B， 作為信號(hào);c^的先驗(yàn)頻譜特征，即先驗(yàn)知識(shí)。
根據(jù)上述獲取的先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，輸出濾波信號(hào)^W
柳=fy(卜載r)o r
匹配濾波器函數(shù)/z(0由先驗(yàn)知識(shí)/o決定，即W)二cos[2^(r-f)] + sin[2《(r-O]，其中 的T是延時(shí)時(shí)間。
根據(jù)時(shí)頻變換后的信號(hào)F(/)和根據(jù)系統(tǒng)要求的虛警率和漏警率而設(shè)定的系數(shù) a及帶寬S，判決門限設(shè)定器設(shè)定判決門限/7
"=豐(/)|2/5
判決器根據(jù)設(shè)定的判決門限W對(duì)匹配濾波器輸出s(O進(jìn)行假設(shè)(仏和A)檢驗(yàn)。
如果/f。成立，接收信號(hào):KO-"(O ，其中不含有信號(hào)x(O，所對(duì)應(yīng)的頻段中
不存在信號(hào)《0，；如果A成立，接收信號(hào)><0=^可以使用此頻段進(jìn)行通信(0+ "^，則此頻段屮存在信號(hào)x(f)，即有已分配(授權(quán))的無線頻譜信號(hào)x(O在使用 該頻段，因此不可以使用此頻段進(jìn)行通信。
8
權(quán)利要求
1.基于非線性變換的信號(hào)估計(jì)與檢測(cè)方法，對(duì)周圍環(huán)境存在著的無線頻譜信號(hào)進(jìn)行兩種假設(shè)不存在無線頻譜信號(hào)H0；存在無線頻譜信號(hào)H1H0y(t)＝n(t)H1y(t)＝x(t)+n(t)n(t)表示加性高斯噪聲，x(t)表示已授權(quán)的無線頻譜信號(hào)，接收到的信號(hào)為y(t)，0≤t≤T，對(duì)信號(hào)y(t)中是否存在信號(hào)x(t)進(jìn)行估計(jì)與檢測(cè)，其特征在于包括下列步驟1)非線性變換，將接收到的寬頻信號(hào)y(t)通過非線性變換器進(jìn)行非線性變換，得到非線性變換信號(hào)f(t)；2)特征提取，從非線性變換后的信號(hào)f(t)中提取信號(hào)的相關(guān)特征，并作為先驗(yàn)知識(shí)提供給匹配濾波器；3)匹配濾波檢測(cè)，匹配濾波器根據(jù)步驟2)中得出的先驗(yàn)知識(shí)對(duì)所述接收信號(hào)y(t)進(jìn)行匹配檢測(cè)，匹配輸出結(jié)果作為判決的依據(jù)；4)判決，判決器根據(jù)設(shè)定的判決門限對(duì)匹配濾波器檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷，判定是否存在信號(hào)x(t)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非線性變換的信號(hào)估計(jì)與檢測(cè)方法，其特征 在于所述步驟l)中的非線性變換器為<formula>formula see original document page 2</formula>其中fl、 6和c為加權(quán)系數(shù)，Tl、 &和。分別是延時(shí)相關(guān)時(shí)間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非線性變換的信號(hào)估計(jì)與檢測(cè)方法，其特征 在于所述步驟2)中的所述先驗(yàn)知識(shí)的取得是1)將非線性變換后的信號(hào)/f)通過快速傅里葉變換器進(jìn)行時(shí)頻變換得到時(shí)頻變換信號(hào)F(/)<formula>formula see original document page 3</formula>2)對(duì)時(shí)頻變換后的F(/)取模，并據(jù)此求出極大值所對(duì)應(yīng)的頻率/c和3dB帶 寬凡作為信號(hào)x(Z)的先驗(yàn)頻譜特征，即先驗(yàn)知識(shí)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非線性變換的信號(hào)估計(jì)與檢測(cè)方法，其特征 在于所述歩驟3)中的所述匹配檢測(cè)是根據(jù)所述先驗(yàn)知識(shí)通過匹配濾波器對(duì)接收 信號(hào)XO進(jìn)行匹配濾波，輸出濾波信號(hào)<0<formula>formula see original document page 3</formula>匹配濾波器函數(shù)/z(0由先驗(yàn)知識(shí)/o決定，即/^)-cos[2《(r-o] + sin[24(r-o]，其中的T是延時(shí)時(shí)間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于非線性變換的信號(hào)估計(jì)與檢測(cè)方法，其特征 在于所述步驟4)判決門限設(shè)定為7=4f(/)|2A其中系數(shù)a將根據(jù)系統(tǒng)要求的虛警率和漏警率設(shè)定，判決器根據(jù)上述判決門限^7對(duì)所述輸出濾波信號(hào)s(/)進(jìn)行檢測(cè)，如果i/。成立，接收信號(hào)乂0="(0，其中不含有信號(hào)^(0，可以使用yW對(duì)應(yīng)頻段進(jìn)行通信；如果 A成立，70)對(duì)應(yīng)頻段中含有信號(hào)40，因此不可以使用少O)對(duì)應(yīng)的頻段進(jìn)行通信。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于非線性變換的信號(hào)估計(jì)與檢測(cè)方法。給出兩種假設(shè)不存在無線頻譜信號(hào)H₀y(t)＝n(t)和存在無線頻譜信號(hào)H₁y(t)＝x(t)+n(t)。對(duì)接收到的信號(hào)y(t)中是否存在信號(hào)x(t)進(jìn)行檢測(cè)，包括下列步驟1)非線性變換，將接收到的寬頻信號(hào)y(t)通過非線性變換器進(jìn)行非線性變換，得到非線性信號(hào)f(t)；2)特征提取，從非線性變換后的信號(hào)f(t)中提取信號(hào)的相關(guān)特征，并作為先驗(yàn)知識(shí)提供給匹配濾波器；3)匹配濾波檢測(cè)，匹配濾波器根據(jù)步驟2)中得出的先驗(yàn)知識(shí)對(duì)所述接收信號(hào)y(t)進(jìn)行匹配檢測(cè)，匹配結(jié)果作為判決的依據(jù)；4)判決，判決器根據(jù)設(shè)定的判決門限對(duì)匹配濾波器檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷，判定是否存在信號(hào)x(t)。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，信號(hào)估計(jì)與檢測(cè)的準(zhǔn)確率高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)算復(fù)雜度低、檢測(cè)時(shí)間短。
文檔編號(hào)H04B17/00GK101567730SQ20091003287
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者包志華, 張士兵, 張昊曄 申請(qǐng)人:南通大學(xué)