[发明专利]一种基于欠奈奎斯特采样的宽带信号检测识别方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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：

(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。

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。

所述步骤(2)中的SOMP恢复算法迭代过程如下：

(21)计算出最大原子同时计算能量观测值

(22)更新支撑集

(23)求取恢复矩阵X_i＝argmin_X||Y-XS_i||；

(24)计算残差R_i＝Y-X_iS_i；

其中，矩阵Φ＝AF^-1,F^-1为IDFT矩阵，则Y[n]＝ΦX[f],X[f]为恢复信号的频域矩阵；R_i为每次迭代产生的残差，初始为Y；支撑集的初始值为空集。

所述步骤(3)中的门限值设定为其中Q^-1为标准反累计分布函数，P_FA为系统设定的虚警概率。

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N×L²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。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明具有采样速率低，计算复杂度低和应用灵活等优点，能在低信噪比环境下进行频谱检测，同时具有数字通信信号识别能力，本发明具有较强的实用性。通过引入能量观 测值d的计算，表征了原始信号利用周期图法计算的功率谱，每次迭代计算出一个能量观测值d_i，比利用最后恢复的信号矩阵X[f]计算的功率谱更加可靠，尤其是在低信噪比情况下。