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

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號處理領(lǐng)域，特別設(shè)及一種欠定混合跳頻參數(shù)盲估計方法，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、保密性好和易于組網(wǎng)等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在 各種通信場景中。研究跳頻通信技術(shù)，其主要任務(wù)之一是估計跳頻信號的特征參數(shù)。
[0003] 目前，基于時頻分析的方法是跳頻信號參數(shù)盲估計常用的方法，該類方法首先采 用某種時頻分析工具如短時傅里葉變化WVD，平滑偽魏格納分布SPWVD，譜圖等，得到跳頻 信號的時頻分布，然后利用時頻分布每一時刻沿頻率軸的最大值波形的周期性估計跳周 期，進而估計出其它參數(shù)。但是受時頻不確定性、噪聲和交叉干擾項等因素的影響，得到的 時頻圖往往比較模糊，直接從時頻圖上進行數(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)的方法來估計跳頻信號參數(shù)，即構(gòu)造一種與跳頻信號 匹配的時頻原子字典，再將跳頻信號分解為時頻原子的組合，最終根據(jù)該些時頻原子的參 數(shù)值來估計跳頻信號的參數(shù)。該類方法時頻原子字典龐大，算法復雜度高。目前大多數(shù)算 法只適用于單個跳頻信號的參數(shù)估計，特征矩陣聯(lián)合近似最優(yōu)化算法可將多個跳頻信號分 離開來，然后再采用時頻分析方法可W估計出多個跳頻信號參數(shù)，但該方法只適用于超定 或正定的情形，且在信噪比低時性能很差。針對欠定情形下的跳頻信號參數(shù)估計，雖然可W 應(yīng)用基于時頻稀疏性來修正時頻圖的方法，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)估計誤差大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于時頻圖修正的欠定混 合跳頻參數(shù)盲估計算法，W提高獲取特征參數(shù)時對不同噪聲的自適應(yīng)能力，減小參數(shù)估計 誤差。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)思路是；通過對時頻域信號的分段，計算各段短時時頻能量。由 各段的短時能量選取一個初始口限，將觀測數(shù)據(jù)按照該個口限劃分為信號段和噪聲段。依 據(jù)信號段的短時能量，選取新的口限，將誤劃分到信號段的噪聲信號重新劃分到噪聲段，得 到清晰的時頻圖，進行跳頻信號的參數(shù)估計。
[0006] 依據(jù)上述思路，本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下：
[0007] (1)對接收到的時域觀測信號X(t)做短時傅里葉變化STFT，得到時頻矩陣乂；
[000引 （2)將時頻矩陣文的每個元素取模值并平方后，得到時頻能量矩陣B ;
[0009] (3)根據(jù)時頻能量矩陣B按列依次修正時頻矩陣乂，得到修正后的時頻矩陣義：
[0010] (3a)將時頻能量矩陣B的第q列數(shù)據(jù)b。分段并計算每段的短時能量，得到短時能 量向量￥，計算短時能量平均值^^再將由短時能量向量￥的最小值與最大值構(gòu)成的區(qū)間劃 分成若干個小區(qū)間，每個小區(qū)間的長度為短時能量的平均值統(tǒng)計各個小區(qū)間包含的短 時能量向量Y中數(shù)據(jù)個數(shù)，找出前后數(shù)據(jù)個數(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)間與信號區(qū)間，將短時能量向量Y的各分量與 初始口限丫。進行比較，若分量小于初始口限丫。則該分量對應(yīng)的分段屬于噪聲區(qū)間，否則 屬于信號區(qū)間；分別記錄噪聲區(qū)間及信號區(qū)間對應(yīng)的分段編號，并檢查信號區(qū)間中是否有 連續(xù)的分段號，若無，則通過信號區(qū)間的分段編號得到頻率下標矩陣Z和信號區(qū)間短時能 量向量F，否則，合并信號區(qū)間中分段號連續(xù)的相鄰段，得到頻率下標矩陣么和信號區(qū)間短 時能量向量F ;
[0012] (3c)對信號區(qū)間進行二次定位，計算信號區(qū)間短時能量向量；f的平均值f，并進 行比較，若信號區(qū)間短時能量向量f中的分量小于F，則將該分量加入到信號區(qū)間中的噪 聲向量y，中，否則將該分量加入到信號向量y S中；根據(jù)信號向量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] 計算

【權(quán)利要求】
1. 一種基于時頻圖修正的欠定混合跳頻參數(shù)盲估計方法，包括如下步驟： (1) 對接收到的時域觀測信號X(t)做短時傅里葉變化STFT，得到時頻矩陣義； (2) 將時頻矩陣1的每個元素取模值并平方后，得到時頻能量矩陣B; (3) 根據(jù)時頻能量矩陣B按列依次修正時頻矩陣f,得到修正后的時頻矩陣f: (3a)將時頻能量矩陣B的第q列數(shù)據(jù)bq分段并計算每段的短時能量，得到短時能量向 量Y，計算短時能量平均值再將由短時能量向量Y的最小值與最大值構(gòu)成的區(qū)間劃分成 若干個小區(qū)間，每個小區(qū)間的長度為短時能量的平均值f;統(tǒng)計各個小區(qū)間包含的短時能 量向量Y中數(shù)據(jù)個數(shù)，找出前后數(shù)據(jù)個數(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)間與信號區(qū)間，將短時能量向量Y的各分量與初始 門限y〇進行比較，若分量小于初始門限y〇則該分量對應(yīng)的分段屬于噪聲區(qū)間，否則屬于 信號區(qū)間；分別記錄噪聲區(qū)間及信號區(qū)間對應(yīng)的分段編號，并檢查信號區(qū)間中是否有連續(xù) 的分段號，若無，則通過信號區(qū)間的分段編號得到頻率下標矩陣2和信號區(qū)間短時能量向 量F，否則，合并信號區(qū)間中分段號連續(xù)的相鄰段，得到頻率下標矩陣i和信號區(qū)間短時能 量向量#; (3c)對信號區(qū)間進行二次定位，計算信號區(qū)間短時能量向量f的平均值f，并進行比 較，若信號區(qū)間短時能量向量f中的分量小于f，則將該分量加入到信號區(qū)間中的噪聲向 量yj，否則將該分量加入到信號向量y# ;根據(jù)信號向量ys以及平均值f選取新的門
檢驗信號區(qū)間噪聲向量yw*的數(shù)據(jù)y"_，若>A-凡,.，則在信號區(qū)間中保留此分量 ywj，否則，將該分量對應(yīng)的分段號重新加入到噪聲區(qū)間中，并從頻率下標矩陣2將分量ywj 對應(yīng)的頻率下標行向量去掉； (3d)修正時頻矩陣：取出頻率下標矩陣￡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，得到修正后的時頻矩陣
(4) 根據(jù)修正后的時頻矩陣X，估計出跳頻信號的源信號個數(shù)、跳變窗口、每跳信號的 載頻向量、跳變時刻及跳變周期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)中估計跳頻信號的源信號個數(shù)，是對 于修正后的時頻矩陣1的每窗先進行頻率聚類，得到該窗的聚類頻率構(gòu)成的向量和聚類頻 率的個數(shù)，記 < 為第q個窗口的聚類頻率向量，numq為第q個窗口聚類頻率的個數(shù)；統(tǒng)計聚 類頻率個數(shù)出現(xiàn)的次數(shù)，將聚類頻率個數(shù)出現(xiàn)次數(shù)最多的值作為源信號個數(shù)的估計值
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟（4)中估計跳變窗口，是根據(jù)窗口的 聚類頻率向量和聚類頻率個數(shù)進行估計，即對于聚類頻率個數(shù)大于源信號個數(shù)估計值的 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個窗口的聚類頻率向量/；L和第q+n個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)中估計每跳信號的載頻向量，是先根 據(jù)跳變窗口對源信號按跳數(shù)進行劃分，再對每跳信號作傅里葉變換，得到每跳信號的載頻 向量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟（4)中估計跳變時刻，按如下步驟進 行： (5a)以第k個跳變窗口作為第一檢測窗口 的初始窗口，設(shè)檢測窗口T:的起點為s， 終點為d，對第一檢測窗口 1\作傅里葉變換得到第一頻譜圖F1; (5b)將第k跳信號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跳信號載頻外幅值的最大值A(chǔ)進行比較，若ek>A，則將第一檢測窗口Tl 的起點s以步長8〖6口1向后移動，并更新第一頻譜圖Fi及所述的兩個最大值ek和A，循環(huán) 執(zhí)行此步直到ek〈A或s>d時停止，記錄移動次數(shù)ni和第一檢測窗口Ti的起點s;否則，直 接執(zhí)行（5c);其中步長stePlS進行短時傅里葉變換時窗口大小的二十分之一； (5c)以第一檢測窗口 的起點s為中心，以2倍的步長skp:為長度構(gòu)造第二檢測窗 口T2，對第二檢測窗口 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跳信號載頻對應(yīng)幅值的均值Xi及第k+1跳信號載頻對 應(yīng)幅值的均值12進行比較，若A，則將第二檢測窗口T2的中心位置以步長^印2向后 移動，并更新第二頻譜圖F2及所述的兩個均值X:和X2，循環(huán)執(zhí)行此步直到X'A2停止， 記錄移動次數(shù)n2并執(zhí)行步驟（5f);否則，執(zhí)行（5e);其中步長step2為步長step十分之 ， (5e)將第二檢測窗口T2的中心位置以步長^印2向前移動，并更新第二頻譜圖F2以及 所述的兩個均值^和X2，循環(huán)執(zhí)行此步直到停止，記錄移動次數(shù)1!2并執(zhí)行（5f); (5f)計算跳變時刻
其中，符號"土"和符號"T"表示取" + "或取當采用步驟（5d)中的循環(huán)時，符號 " 土"取" + "，符號"平"取當采用步驟（5e)中的循環(huán)時，符號" 土"取符號"不"取 " + " ;hk為第k個跳變窗口的窗口編號，L_為進行短時傅里葉變換時的滑窗間隔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟（4)中計算跳變周期，通過以下公式進行 計算：
其中，6為跳變時刻的個數(shù)。
【文檔編號】H04L25/02GK104485979SQ201410751678
【公開日】2015年4月1日 申請日期: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, 劉乃安, 李曉輝, 陳杰虎, 楊博 申請人:西安電子科技大學, 航天恒星科技有限公司