基于時(shí)頻圖修正的欠定混合跳頻參數(shù)盲估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于時(shí)頻圖修正的跳頻參數(shù)盲估計(jì)方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)在信噪比差的情況下估計(jì)誤差大的問題。其實(shí)現(xiàn)步驟是：1.對(duì)信號(hào)作短時(shí)傅里葉變換得到觀測(cè)信號(hào)的時(shí)頻矩陣；2.計(jì)算該時(shí)頻矩陣的能量矩陣；3.對(duì)時(shí)頻圖進(jìn)行修正；4.根據(jù)修正的時(shí)頻圖估計(jì)出跳頻信號(hào)參數(shù)。本發(fā)明可以在低信噪比情況下，獲得清晰的時(shí)頻圖，提高了跳頻信號(hào)參數(shù)估計(jì)的精度，可用于各種跳頻通信的場(chǎng)景中。
【專利說明】基于時(shí)頻圖修正的欠定混合跳頻參數(shù)盲估計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)處理領(lǐng)域，特別設(shè)及一種欠定混合跳頻參數(shù)盲估計(jì)方法，可用于 跳頻通信偵察、非協(xié)作跳頻通信、軍事通信等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來跳頻通信技術(shù)因抗干擾能力強(qiáng)、保密性好和易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在 各種通信場(chǎng)景中。研究跳頻通信技術(shù)，其主要任務(wù)之一是估計(jì)跳頻信號(hào)的特征參數(shù)。
[0003] 目前，基于時(shí)頻分析的方法是跳頻信號(hào)參數(shù)盲估計(jì)常用的方法，該類方法首先采 用某種時(shí)頻分析工具如短時(shí)傅里葉變化WVD，平滑偽魏格納分布SPWVD，譜圖等，得到跳頻 信號(hào)的時(shí)頻分布，然后利用時(shí)頻分布每一時(shí)刻沿頻率軸的最大值波形的周期性估計(jì)跳周 期，進(jìn)而估計(jì)出其它參數(shù)。但是受時(shí)頻不確定性、噪聲和交叉干擾項(xiàng)等因素的影響，得到的 時(shí)頻圖往往比較模糊，直接從時(shí)頻圖上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，誤差大，因而該類方法信噪比適應(yīng)能 力差。此外，還可W采用基于原子參數(shù)的方法來估計(jì)跳頻信號(hào)參數(shù)，即構(gòu)造一種與跳頻信號(hào) 匹配的時(shí)頻原子字典，再將跳頻信號(hào)分解為時(shí)頻原子的組合，最終根據(jù)該些時(shí)頻原子的參 數(shù)值來估計(jì)跳頻信號(hào)的參數(shù)。該類方法時(shí)頻原子字典龐大，算法復(fù)雜度高。目前大多數(shù)算 法只適用于單個(gè)跳頻信號(hào)的參數(shù)估計(jì)，特征矩陣聯(lián)合近似最優(yōu)化算法可將多個(gè)跳頻信號(hào)分 離開來，然后再采用時(shí)頻分析方法可W估計(jì)出多個(gè)跳頻信號(hào)參數(shù)，但該方法只適用于超定 或正定的情形，且在信噪比低時(shí)性能很差。針對(duì)欠定情形下的跳頻信號(hào)參數(shù)估計(jì)，雖然可W 應(yīng)用基于時(shí)頻稀疏性來修正時(shí)頻圖的方法，但該方法關(guān)鍵參數(shù)的選取不是自適應(yīng)的，受信 噪比的影響很大，因而參數(shù)估計(jì)誤差大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于時(shí)頻圖修正的欠定混 合跳頻參數(shù)盲估計(jì)算法，W提高獲取特征參數(shù)時(shí)對(duì)不同噪聲的自適應(yīng)能力，減小參數(shù)估計(jì) 誤差。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)思路是；通過對(duì)時(shí)頻域信號(hào)的分段，計(jì)算各段短時(shí)時(shí)頻能量。由 各段的短時(shí)能量選取一個(gè)初始口限，將觀測(cè)數(shù)據(jù)按照該個(gè)口限劃分為信號(hào)段和噪聲段。依 據(jù)信號(hào)段的短時(shí)能量，選取新的口限，將誤劃分到信號(hào)段的噪聲信號(hào)重新劃分到噪聲段，得 到清晰的時(shí)頻圖，進(jìn)行跳頻信號(hào)的參數(shù)估計(jì)。
[0006] 依據(jù)上述思路，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0007] (1)對(duì)接收到的時(shí)域觀測(cè)信號(hào)X(t)做短時(shí)傅里葉變化STFT，得到時(shí)頻矩陣乂；
[000引 （2)將時(shí)頻矩陣文的每個(gè)元素取模值并平方后，得到時(shí)頻能量矩陣B ;
[0009] (3)根據(jù)時(shí)頻能量矩陣B按列依次修正時(shí)頻矩陣乂，得到修正后的時(shí)頻矩陣義：
[0010] (3a)將時(shí)頻能量矩陣B的第q列數(shù)據(jù)b。分段并計(jì)算每段的短時(shí)能量，得到短時(shí)能 量向量￥，計(jì)算短時(shí)能量平均值^^再將由短時(shí)能量向量￥的最小值與最大值構(gòu)成的區(qū)間劃 分成若干個(gè)小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間的長(zhǎng)度為短時(shí)能量的平均值統(tǒng)計(jì)各個(gè)小區(qū)間包含的短 時(shí)能量向量Y中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，找出前后數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)變化率最大的小區(qū)間i Y，并根據(jù)該i Y W及7 選取初始口限；r。= ;其中，*表示相乘；
[0011] (3b)根據(jù)初始口限丫。劃分噪聲區(qū)間與信號(hào)區(qū)間，將短時(shí)能量向量Y的各分量與 初始口限丫。進(jìn)行比較，若分量小于初始口限丫。則該分量對(duì)應(yīng)的分段屬于噪聲區(qū)間，否則 屬于信號(hào)區(qū)間；分別記錄噪聲區(qū)間及信號(hào)區(qū)間對(duì)應(yīng)的分段編號(hào)，并檢查信號(hào)區(qū)間中是否有 連續(xù)的分段號(hào)，若無，則通過信號(hào)區(qū)間的分段編號(hào)得到頻率下標(biāo)矩陣Z和信號(hào)區(qū)間短時(shí)能 量向量F，否則，合并信號(hào)區(qū)間中分段號(hào)連續(xù)的相鄰段，得到頻率下標(biāo)矩陣么和信號(hào)區(qū)間短 時(shí)能量向量F ;
[0012] (3c)對(duì)信號(hào)區(qū)間進(jìn)行二次定位，計(jì)算信號(hào)區(qū)間短時(shí)能量向量；f的平均值f，并進(jìn) 行比較，若信號(hào)區(qū)間短時(shí)能量向量f中的分量小于F，則將該分量加入到信號(hào)區(qū)間中的噪 聲向量y，中，否則將該分量加入到信號(hào)向量y S中；根據(jù)信號(hào)向量y 及平均值7選取新的 口限；乃二引…化'"化).+外其中mean如）表示求y,中數(shù)據(jù)的平均值；
[0013] 計(jì)算

【權(quán)利要求】
1. 一種基于時(shí)頻圖修正的欠定混合跳頻參數(shù)盲估計(jì)方法，包括如下步驟： (1) 對(duì)接收到的時(shí)域觀測(cè)信號(hào)X(t)做短時(shí)傅里葉變化STFT，得到時(shí)頻矩陣義； (2) 將時(shí)頻矩陣1的每個(gè)元素取模值并平方后，得到時(shí)頻能量矩陣B; (3) 根據(jù)時(shí)頻能量矩陣B按列依次修正時(shí)頻矩陣f,得到修正后的時(shí)頻矩陣f: (3a)將時(shí)頻能量矩陣B的第q列數(shù)據(jù)bq分段并計(jì)算每段的短時(shí)能量，得到短時(shí)能量向 量Y，計(jì)算短時(shí)能量平均值再將由短時(shí)能量向量Y的最小值與最大值構(gòu)成的區(qū)間劃分成 若干個(gè)小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間的長(zhǎng)度為短時(shí)能量的平均值f;統(tǒng)計(jì)各個(gè)小區(qū)間包含的短時(shí)能 量向量Y中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，找出前后數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)變化率最大的小區(qū)間iY，并根據(jù)該iY以及F選取 初始門限：其中，*表示相乘； (3b)根據(jù)初始門限Y(l劃分噪聲區(qū)間與信號(hào)區(qū)間，將短時(shí)能量向量Y的各分量與初始 門限y〇進(jìn)行比較，若分量小于初始門限y〇則該分量對(duì)應(yīng)的分段屬于噪聲區(qū)間，否則屬于 信號(hào)區(qū)間；分別記錄噪聲區(qū)間及信號(hào)區(qū)間對(duì)應(yīng)的分段編號(hào)，并檢查信號(hào)區(qū)間中是否有連續(xù) 的分段號(hào)，若無，則通過信號(hào)區(qū)間的分段編號(hào)得到頻率下標(biāo)矩陣2和信號(hào)區(qū)間短時(shí)能量向 量F，否則，合并信號(hào)區(qū)間中分段號(hào)連續(xù)的相鄰段，得到頻率下標(biāo)矩陣i和信號(hào)區(qū)間短時(shí)能 量向量#; (3c)對(duì)信號(hào)區(qū)間進(jìn)行二次定位，計(jì)算信號(hào)區(qū)間短時(shí)能量向量f的平均值f，并進(jìn)行比 較，若信號(hào)區(qū)間短時(shí)能量向量f中的分量小于f，則將該分量加入到信號(hào)區(qū)間中的噪聲向 量yj，否則將該分量加入到信號(hào)向量y# ;根據(jù)信號(hào)向量ys以及平均值f選取新的門
檢驗(yàn)信號(hào)區(qū)間噪聲向量yw*的數(shù)據(jù)y"_，若>A-凡,.，則在信號(hào)區(qū)間中保留此分量 ywj，否則，將該分量對(duì)應(yīng)的分段號(hào)重新加入到噪聲區(qū)間中，并從頻率下標(biāo)矩陣2將分量ywj 對(duì)應(yīng)的頻率下標(biāo)行向量去掉； (3d)修正時(shí)頻矩陣：取出頻率下標(biāo)矩陣￡的每一行，找出每行的最小值Vmin和最大值 ，將每行的數(shù)據(jù)擴(kuò)充為^_到￥_之間的所有連續(xù)整數(shù)，依次保存到集合D中，根據(jù)D 修正f中的第q列列向量孓，得到修正后的第q列向量弋； (3e)按照步驟（3a) -（3d)依次修正原始矩陣A中的所有列，得到修正后的時(shí)頻矩陣
(4) 根據(jù)修正后的時(shí)頻矩陣X，估計(jì)出跳頻信號(hào)的源信號(hào)個(gè)數(shù)、跳變窗口、每跳信號(hào)的 載頻向量、跳變時(shí)刻及跳變周期h這些參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟（4)中估計(jì)跳頻信號(hào)的源信號(hào)個(gè)數(shù)，是對(duì) 于修正后的時(shí)頻矩陣1的每窗先進(jìn)行頻率聚類，得到該窗的聚類頻率構(gòu)成的向量和聚類頻 率的個(gè)數(shù)，記 < 為第q個(gè)窗口的聚類頻率向量，numq為第q個(gè)窗口聚類頻率的個(gè)數(shù)；統(tǒng)計(jì)聚 類頻率個(gè)數(shù)出現(xiàn)的次數(shù)，將聚類頻率個(gè)數(shù)出現(xiàn)次數(shù)最多的值作為源信號(hào)個(gè)數(shù)的估計(jì)值
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟（4)中估計(jì)跳變窗口，是根據(jù)窗口的 聚類頻率向量和聚類頻率個(gè)數(shù)進(jìn)行估計(jì)，即對(duì)于聚類頻率個(gè)數(shù)大于源信號(hào)個(gè)數(shù)估計(jì)值的 窗口q，判斷其前后窗口的聚類頻率變化，查找正整數(shù)n，使n滿足
若第q-n個(gè)窗口的聚類頻率向量/；L和第q+n個(gè)窗口的聚類頻率向量/;+H均滿足
，則判斷為不是跳變窗口，否則，是跳變窗口。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟（4)中估計(jì)每跳信號(hào)的載頻向量，是先根 據(jù)跳變窗口對(duì)源信號(hào)按跳數(shù)進(jìn)行劃分，再對(duì)每跳信號(hào)作傅里葉變換，得到每跳信號(hào)的載頻 向量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟（4)中估計(jì)跳變時(shí)刻，按如下步驟進(jìn) 行： (5a)以第k個(gè)跳變窗口作為第一檢測(cè)窗口 的初始窗口，設(shè)檢測(cè)窗口T:的起點(diǎn)為s， 終點(diǎn)為d，對(duì)第一檢測(cè)窗口 1\作傅里葉變換得到第一頻譜圖F1; (5b)將第k跳信號(hào)的載頻在第一頻譜圖匕中幅值的最大值ek與第一頻譜圖Fi中除 第k跳和第k+1跳信號(hào)載頻外幅值的最大值A(chǔ)進(jìn)行比較，若ek>A，則將第一檢測(cè)窗口Tl 的起點(diǎn)s以步長(zhǎng)8〖6口1向后移動(dòng)，并更新第一頻譜圖Fi及所述的兩個(gè)最大值ek和A，循環(huán) 執(zhí)行此步直到ek〈A或s>d時(shí)停止，記錄移動(dòng)次數(shù)ni和第一檢測(cè)窗口Ti的起點(diǎn)s;否則，直 接執(zhí)行（5c);其中步長(zhǎng)stePlS進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換時(shí)窗口大小的二十分之一； (5c)以第一檢測(cè)窗口 的起點(diǎn)s為中心，以2倍的步長(zhǎng)skp:為長(zhǎng)度構(gòu)造第二檢測(cè)窗 口T2，對(duì)第二檢測(cè)窗口 1~2作傅里葉變換得到第二頻譜圖F2; (5d)將第二頻譜圖F2中第k跳信號(hào)載頻對(duì)應(yīng)幅值的均值Xi及第k+1跳信號(hào)載頻對(duì) 應(yīng)幅值的均值12進(jìn)行比較，若A，則將第二檢測(cè)窗口T2的中心位置以步長(zhǎng)^印2向后 移動(dòng)，并更新第二頻譜圖F2及所述的兩個(gè)均值X:和X2，循環(huán)執(zhí)行此步直到X'A2停止， 記錄移動(dòng)次數(shù)n2并執(zhí)行步驟（5f);否則，執(zhí)行（5e);其中步長(zhǎng)step2為步長(zhǎng)step十分之 ， (5e)將第二檢測(cè)窗口T2的中心位置以步長(zhǎng)^印2向前移動(dòng)，并更新第二頻譜圖F2以及 所述的兩個(gè)均值^和X2，循環(huán)執(zhí)行此步直到停止，記錄移動(dòng)次數(shù)1!2并執(zhí)行（5f); (5f)計(jì)算跳變時(shí)刻
其中，符號(hào)"土"和符號(hào)"T"表示取" + "或取當(dāng)采用步驟（5d)中的循環(huán)時(shí)，符號(hào) " 土"取" + "，符號(hào)"平"取當(dāng)采用步驟（5e)中的循環(huán)時(shí)，符號(hào)" 土"取符號(hào)"不"取 " + " ;hk為第k個(gè)跳變窗口的窗口編號(hào)，L_為進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換時(shí)的滑窗間隔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟（4)中計(jì)算跳變周期，通過以下公式進(jìn)行 計(jì)算：
其中，6為跳變時(shí)刻的個(gè)數(shù)。
【文檔編號(hào)】H04L25/02GK104485979SQ201410751678
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】付衛(wèi)紅, 熊超, 黑永強(qiáng), 劉乃安, 李曉輝, 陳杰虎, 楊博 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué), 航天恒星科技有限公司