【頻譜監(jiān)測(cè)方法探究綜述3400字】

頻譜監(jiān)測(cè)方法研究綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u24634頻譜監(jiān)測(cè)方法研究綜述 1191451.1頻譜監(jiān)測(cè)基本理論 1295421.1.1快速傅里葉變換 1200721.1.2功率譜估計(jì) 1219591.1.3短時(shí)傅里葉變換 2290981.2信號(hào)檢測(cè)與分離 2221271.2.1能量檢測(cè) 3213811.2.2功率譜檢測(cè) 371641.2.3信號(hào)分離 4本章研究了頻譜監(jiān)測(cè)的方法，為后續(xù)的信號(hào)處理提供了理論依據(jù)。首先介紹了頻譜監(jiān)測(cè)的基本理論，然后研究了信號(hào)檢測(cè)與分離的方法，采用功率譜檢測(cè)法和頻域?yàn)V波法通過仿真實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的檢測(cè)與分離，最后研究了基于決策樹的調(diào)制識(shí)別方法，并通過仿真驗(yàn)證了方法的有效性。1.1頻譜監(jiān)測(cè)基本理論1.1.1快速傅里葉變換對(duì)于一個(gè)離散的時(shí)間信號(hào)x(n)做一個(gè)作為離散的時(shí)間傅里葉變換(discretetimefouriertransformation,

DTFT),可以得到信號(hào)的頻譜X(w),但在數(shù)字處理時(shí),希望頻譜是離散的,因此需要對(duì)X(w)進(jìn)行離散化,可以得到X(k),X(k)是對(duì)X(w)以2N為間隔采樣得到的離散化頻譜(N為離散信號(hào)序列長(zhǎng)度),方便了計(jì)算機(jī)對(duì)頻譜的處理,時(shí)域信號(hào)表現(xiàn)為周期延拓。這種變換方式也被稱為二階離散傅里葉變換(discretefouriertransform,dft)?？焖俑道锶~變換(fastfouriertransformation,fft)通常是用于dft的快速方程計(jì)算中的分析方法。因?yàn)樗谟?jì)算機(jī)中所進(jìn)行的的乘法和除數(shù)運(yùn)算的持續(xù)時(shí)間一般要遠(yuǎn)長(zhǎng)于進(jìn)行加法和其他乘數(shù)式的運(yùn)算,故二者計(jì)算量之比可近似為乘法次數(shù)之比。FFT的計(jì)算量遠(yuǎn)小于DFT,因此實(shí)際上常利用FFT代替DFT來做信號(hào)分析。1.1.2功率譜估計(jì)為了觀察信號(hào)頻域的變化，對(duì)于確定信號(hào)可以直接作傅里葉變換，但對(duì)于隨機(jī)信號(hào)需要利用信號(hào)序列來作功率譜的估計(jì)。功率譜估計(jì)方法常常用于濾波、信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)識(shí)別、信號(hào)分離等過程，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本節(jié)介紹了周期圖法、BT法和改進(jìn)的周期圖法。1.1.3短時(shí)傅里葉變換傅里葉變換通常只能用來反映一個(gè)信號(hào)的能量隨頻率的變化,沒有任何一個(gè)時(shí)間信息,對(duì)于不太平穩(wěn)的信號(hào),它們的頻率也會(huì)隨著一段時(shí)間發(fā)生變化,而這種變化正是需要關(guān)注的地方,因此分析非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)就需要采用其他方法。D.gaboran在1946年后他首次正確提出了短時(shí)傅里葉函數(shù)變換(shorttimefouriertransform,stft)這一計(jì)算方法,它的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想理念和工作思路其實(shí)就是:為了快速方便地準(zhǔn)確提取一個(gè)短時(shí)信號(hào)的特定時(shí)間和長(zhǎng)度信息,可以通過變換利用一個(gè)信號(hào)具有一定時(shí)間長(zhǎng)度限制的窗口波函數(shù)與一個(gè)新的信號(hào)時(shí)間進(jìn)行短時(shí)相乘,然后通過反向滑動(dòng)對(duì)一個(gè)新的信號(hào)時(shí)間進(jìn)行短時(shí)分段,后來就叫做傅里葉變換,得到一組頻譜圖,可以同時(shí)反映信號(hào)的頻率和時(shí)間信息。STFT作為一種線性時(shí)頻分析方法,具有不產(chǎn)生虛假信號(hào)、計(jì)算復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)分辨率較好,是一種良好的時(shí)頻分析方法。時(shí)間的長(zhǎng)度分辨率和窗反射函數(shù)的時(shí)間長(zhǎng)度l和l之間是一個(gè)函數(shù)成正的反比,l越大的最高時(shí)間長(zhǎng)度分辨率就可能會(huì)顯得更差;最高頻率時(shí)間分辨率和窗反射函數(shù)的時(shí)間長(zhǎng)度l和l之間是成正比,l越大的最高頻率時(shí)間分辨率就可能會(huì)更優(yōu)秀。根據(jù)海森堡的短時(shí)不確定性變換原理,短時(shí)傅里葉級(jí)數(shù)變換并且我們無法同時(shí)能夠獲得良好的持續(xù)頻率變換分辨率和較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間變換分辨率,這就非常需要我們根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況對(duì)其數(shù)值進(jìn)行一些相應(yīng)的數(shù)值取舍。同時(shí)窗函數(shù)的類型也會(huì)影響短時(shí)傅里葉變換的效果,需要選取適合的窗函數(shù),通?？蛇x取Hamming窗。短時(shí)傅里葉變換的實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以簡(jiǎn)單地使用譜圖公式來描述和表示,該曲線的平方為短時(shí)傅里葉變換模型的一個(gè)平方,利用這種曲線可以直觀地看到一個(gè)信號(hào)的頻率和其隨一段時(shí)間變化的趨勢(shì)。通常STFT可以通過計(jì)算多段加窗信號(hào)的快速傅里葉變換來實(shí)現(xiàn),窗口需要隨時(shí)間滑動(dòng)。1.2信號(hào)檢測(cè)與分離在信號(hào)調(diào)制識(shí)別之前，需要判斷信號(hào)的存在性，通過信號(hào)檢測(cè)可以判斷出信號(hào)的個(gè)數(shù)，大致估計(jì)各信號(hào)的頻率和帶寬，信號(hào)檢測(cè)是信號(hào)分離和調(diào)制識(shí)別的基礎(chǔ)。接收到信號(hào)后，需要先對(duì)信號(hào)作預(yù)處理，如簡(jiǎn)單的放大、濾波操作，然后開始檢測(cè)信號(hào)是否存在，需要提取判決統(tǒng)計(jì)量并設(shè)置判決門限，當(dāng)統(tǒng)計(jì)量大于門限時(shí)，信號(hào)存在；當(dāng)統(tǒng)計(jì)量小于門限時(shí)，則判為信號(hào)不存在，只有噪聲。1.2.1能量檢測(cè)能量檢測(cè)技術(shù)是h.urkowitz在1967年首次提出起源于波音頻的檢測(cè)技術(shù),通過計(jì)算信號(hào)一段時(shí)間內(nèi)所有接收到的信號(hào)的能量來準(zhǔn)確地判斷接受到的信號(hào)之間是否有相干性,能量檢測(cè)技術(shù)是最基本的一種對(duì)于傳統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的方法,它可以說是作為一種非相干性的檢測(cè)技術(shù),不用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行先驗(yàn)證信息,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)算方便的優(yōu)勢(shì)。所以如果當(dāng)信噪比相對(duì)起來較好時(shí),積累的噪聲時(shí)間就越長(zhǎng),能量濾波檢測(cè)的信號(hào)穩(wěn)定性就相對(duì)越好,但是如果當(dāng)信號(hào)的噪比太低時(shí),信號(hào)就可能會(huì)被逐漸淹沒在大量的高頻噪聲之中,能量濾波檢測(cè)的信號(hào)穩(wěn)定性就可能會(huì)因此而逐漸變得非常糟糕,此時(shí)即便增加積累時(shí)間也無濟(jì)于事。而且能量式檢測(cè)的抵抗噪聲性能較弱,限制了其在低信噪比情況下的實(shí)際應(yīng)用。1.2.2功率譜檢測(cè)功率譜檢測(cè)法以功率譜估計(jì)為基礎(chǔ)，根據(jù)信號(hào)的功率譜來檢測(cè)是否存在信號(hào)。上一節(jié)介紹的周期圖法、BT法和改進(jìn)的周期圖法都能用于功率譜檢測(cè)，其中Welch法的功率譜是對(duì)信號(hào)分段加窗平均得到的，具有較好的平滑程度，方差較小，因此選取Welch法用于功率譜檢測(cè)可以取得較好的信號(hào)檢測(cè)效果。功率譜檢測(cè)作為一種頻域信號(hào)檢測(cè)方法，可以檢測(cè)時(shí)域混疊的信號(hào)，但是要求信號(hào)在頻域上可分，具有一定的局限性。首先根據(jù)Welch法得到信號(hào)的功率譜估計(jì)，然后對(duì)功率譜作底噪估計(jì)，求得判決門限，當(dāng)功率大于判決門限時(shí)信號(hào)存在，估計(jì)出信號(hào)的個(gè)數(shù)和帶寬及中心頻率，有助于后續(xù)的信號(hào)分離。Welch法的功率譜估計(jì)在本節(jié)不再過多描述，重點(diǎn)研究判決門限估計(jì)和信號(hào)的帶寬及中心頻率估計(jì)。判決門限的正確估計(jì)在信號(hào)檢測(cè)中至關(guān)重要，如果門限過低，虛警概率會(huì)增大，相反門限過高，漏警概率也會(huì)變大。本文中判決門限可由底噪加4dB得到，因此需要根據(jù)功率譜估計(jì)出底噪。經(jīng)計(jì)算得到功率譜后，對(duì)功率譜進(jìn)行排序，根據(jù)信號(hào)帶寬占比取功率譜較小的一部分看為噪聲，求其平均值來估計(jì)底噪。將功率譜與判決門限逐一比較，當(dāng)功率值大于門限時(shí)得到一組信號(hào)點(diǎn)，此時(shí)根據(jù)信號(hào)點(diǎn)的間隔對(duì)結(jié)果劃分，當(dāng)間隔大于一定程度時(shí)，判為兩個(gè)信號(hào)，否則判為一個(gè)信號(hào)，可以估計(jì)出信號(hào)的個(gè)數(shù)。然后根據(jù)各信號(hào)的起始和截止索引計(jì)算對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)，可以得到各信號(hào)的起始頻率和截止頻率。功率譜檢測(cè)以功率譜估計(jì)為基礎(chǔ)，過程清晰，運(yùn)算較為簡(jiǎn)單，有一定的抗噪性能，同時(shí)不需要信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)。因此本文選用功率譜檢測(cè)來做信號(hào)檢測(cè)。1.2.3信號(hào)分離信號(hào)分離就是將信道中包含的各個(gè)信號(hào)分離出來,便于對(duì)各信號(hào)的后續(xù)分析。近些年,盲信號(hào)分離算法是比較普遍和流行的一種信號(hào)分離算法,目的主要是在不明確信號(hào)前后進(jìn)行先驗(yàn)信息的情況下,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的盲分離,適用于非合作通信。獨(dú)立信號(hào)分量分析(independentcomponentanalysis,ica)主要是在盲信號(hào)分離的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而成的一種信號(hào)分離算法,該分析方法基于信號(hào)源之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)和特性上的差異和獨(dú)立性,能夠有效地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的盲分離,但是計(jì)算復(fù)雜。本文僅僅考慮了在頻域上能夠區(qū)分的混合信號(hào),可以通過運(yùn)用傳統(tǒng)頻域?yàn)V波技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的區(qū)分,計(jì)算簡(jiǎn)單便于工程實(shí)現(xiàn)。根據(jù)信號(hào)檢測(cè)中估計(jì)得到的各信號(hào)中心頻率和帶寬,可以設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)濾波將各信號(hào)從混合信號(hào)中分離出來。數(shù)字信號(hào)濾波器大致來說可以劃分為兩種類型fir(finiteimpulseresponse)數(shù)字濾波器和一種iir(infiniteimpulseresponse)數(shù)字濾波器,這兩種數(shù)字濾波器的主要不同之處就表現(xiàn)在于兩種fir濾波器中所采用的全都是新型線性數(shù)字相位位置濾波器,不會(huì)直接損壞數(shù)字信號(hào)的線性相位位置信息,系以使系統(tǒng)穩(wěn)定,而IIR濾波器不能得到線性相位,但是相比FIR濾波器能夠取得比較好的衰減特性?？紤]到后續(xù)信號(hào)分析可能需要信號(hào)的相位信息,因此本文選用FIR濾波器。設(shè)計(jì)fir濾波器時(shí),窗函數(shù)的設(shè)計(jì)方法相對(duì)簡(jiǎn)單,可以考慮利用窗函數(shù)來減少吉布斯的現(xiàn)象,但是由于通帶和阻帶的邊緣頻率并不容易得到控制,頻率采樣法也就具有這樣的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn),而頻率逼近濾波器則是基于切比雪夫(chebyshev)逼近理論,能夠促使濾波器的頻率響應(yīng)在一個(gè)通帶和阻帶內(nèi)的波紋都保持頻率值的相等,實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻率響應(yīng)的最優(yōu)逼近,精確地控制了通帶與阻帶之間的邊緣頻率。實(shí)際中,需要考慮通帶和阻帶的波紋,因此等波紋逼近法得到了越來越廣泛的應(yīng)用?？紤]到等波紋逼近法相對(duì)復(fù)雜,不利于FIR數(shù)字濾波器的編程實(shí)現(xiàn),因此本文通過FDATool工具來設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的等波紋FIR濾波器。在選擇參數(shù)時(shí),因?yàn)閹?/p>