基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测方法及系统与流程

1.本发明涉及通信信号检测技术领域，尤其涉及基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测方法及系统。


背景技术：

2.为了实现无线通信的抗干扰，干扰检测技术是信号检测领域中的重要环节，目的是判断干扰是否存在，为后续的抗干扰措施提供必需的先验信息。
3.典型的干扰检测技术包括：能量检测算法、匹配滤波检测算法、循环平稳检测方法、协方差矩阵分解算法等。
4.能量检测算法，首先根据干扰信号存在与否做两种检验假设（h1/h0），然后计算接收信号的检测统计量，与设定的门限值进行比较，判断干扰信号是否存在。能量检测作为一种二元检测方法，不需要干扰信号的先验信息，是一种较为简便有效的盲干扰检测方法。能量检测不能给出干扰信号的频点位置以及属于什么类型的干扰，受背景噪声的影响较大，若噪声不平稳则检测性能会下降。
5.匹配滤波检测算法，根据主用户信号的某些先验信息，利用线性滤波器与待检测信号完成在时域以及频域上的同步，从而对主用户信号进行解调。如果主用户信号的先验信息未知，则该检测方法无效。
6.循环平稳检测方法，利用信号的循环平稳特性进行检测，主用户信号和有意干扰信号一般都存在循环频率，属于循环平稳信号，在非零的循环频率处，具有明显的谱相关函数幅值，并且二者的循环频率相异。噪声的自相关函数不具有周期性，不存在循环平稳特性，其谱相关函数在非零循环频率处幅值为零。因此，可以利用干扰信号与主用户信号的循环频率相异特性，实现干扰信号检测和分离。该方法是一种有效的干扰检测算法，但算法复杂度过高。
7.协方差矩阵分解算法，首先对接收信号进行采样，并求得自相关函数，根据得到的自相关函数组成协方差矩阵，对协方差矩阵进行特征分解，求得最大特征值λmax和最小特征值λmin。将λmax/λmin作为检测统计量，若大于门限值，则存在主用户信号，否则不存在主用户信号。该方法局限于相关性良好的主用户信号，对独立信号的检测效果欠佳。
8.上述干扰检测方法，对于干扰信号的频点位置识别效果均欠佳，能量检测是一种适用范围较广的信号检测方法，该算法实现简便并且在一定条件下可以较为准确的检测出干扰信号的有、无。
9.单纯的能量检测存在两个缺点：一方面，无线通信系统存在远近效应，单纯的能量检测不能有效区分大信号和干扰信号，造成干扰误判；另一方面，作为二元检测，单纯的能量检测不能准确地定位窄带干扰的具体频点位置。


技术实现要素：

10.因此，本发明的目的在于提供一种基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测方法及
系统，应对无线通信的远近效应，在接收信号能量大范围波动条件下，对宽带无线通信系统中干扰信道的具体频点位置进行定位，基于宽带信道化接收机、连续均值检测量估计和动态阈值检测算法进行窄带噪声能量估计和干扰位置检测，从而获得准确的信道干扰检测结果。
11.为了实现上述目的，本发明的一种基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测方法，包括以下步骤：获取多个窄带信道的并行信号，获取工作频带内多个窄带信道的接收信号能量测量值rssif和解调信干噪比测量值sinrf；对各窄带信道的接收信号能量测量值rssif进行独立估计，并进行连续均值滤波，作为当前信道的干扰检测量估计值rssif_est；将解调信干噪比测量值sinrf与预设的解调信干噪比门限值sinr_thr相比较，筛选有效接收信道；将选出的有效接收信道的接收信号能量均值作为有效信号能量标准值rssi_signal，根据有效信号能量标准值设定能量检测阈值；将各窄带有效接收信道中的干扰检测量估计值rssif_est与能量检测阈值相比较，判断是否有干扰信号存在。
12.进一步优选的，在筛选有效接收信道时，包括，将解调信干噪比测量值sinrf与预设的解调信干噪比门限值sinr_thr进行对比，超过解调信干噪比门限值sinr_thr的信道作为有效接收信道ch_signal，低于解调信干噪比门限值sinr_thr的接收信道为无效接收信道ch_interfer。
13.进一步优选的，所述能量检测阈值为，有效信号能量标准值rssi_signal与虚警容限之和。
14.进一步优选的，所述能量检测阈值按照如下公式进行计算：式中，rssi_thr为能量检测阈值；p
fa
为虚警概率，取值为0.001；n为显著统计量的统计次数；rssi_signal为有效信号能量标准值；q函数表达式为。
15.进一步优选的，判断是否有干扰信号存在时，包括以下方法：将干扰检测量估计值rssif_est与设定的能量检测阈值进行比较，若该信道干扰信号的干扰检测量估计值大于能量检测阈值，则判决该信道有干扰信号，若干扰信号的干扰检测量估计值小于或等于能量检测阈值，则判决该信道无干扰信号。
16.进一步优选的，还包括对检测结果进行统计滤波输出，所述统计滤波输出包括以下步骤：在检测周期内设定多个检测窗口，对多次干扰检测结果进行统计滤波，采用相对统计量进行异常值过滤。
17.进一步优选的，所述获取工作频带内多个窄带信道的接收信号能量测量值rssif时，采用时域积分或频域变换的方式进行能量测量，所述时域积分是对接收信号的多个样点值进行积分和均值量化；所述频域变换的方式是将接收信号进行fft变换，通过频域的窄
带信号能量均值表示该信道的接收信号能量测量值。
18.本发明提供一种基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测系统，包括ad变换模块、rssi测量模块、rssi估计模块、sinr测量模块、pmf有效信道掩模估计模块、动态阈值估计模块和干扰位置检测模块；所述ad变换模块用于接收射频前端输入的宽带无线信号，并输出数字域的宽带无线信号；所述rssi测量模块，用于对数字域的宽带无线信号进行多信道并行能量检测，获得工作频带内多个窄带信道的接收信号能量测量值rssif；所述rssi估计模块，用于对各窄带信道的接收信号能量测量值rssif进行独立估计，并进行连续均值滤波，作为当前信道的干扰检测量估计值rssif_est；所述sinr测量模块，用于对各信道输入的低速脉冲信号进行信干噪比测量，得到解调信干噪比测量值sinrf；所述pmf有效信道掩模估计模块，用于将解调信干噪比测量值sinrf与预设的解调信干噪比门限值sinr_thr相比较，筛选有效接收信道；动态阈值估计模块，将选出的有效接收信道的接收信号能量均值作为有效信号能量标准值rssi_signal，根据有效信号能量标准值设定能量检测阈值；干扰位置检测模块，用于将各窄带有效接收信道中的干扰检测量估计值rssif_est与能量检测阈值相比较，判断是否有干扰信号存在。
19.进一步优选的，还包括同步捕获模块和多路信号抽取模块；所述同步捕获模块用于对输入的宽带无线信号进行滑动自相关，获得各信道的最佳采样时刻，用于各信道的脉冲信号抽取。
20.所述多路信号抽取模块用于获得最佳采样时刻后，抽取输入的高速数字信号，获得各窄带信道的低速数字信号，用于后续的多路信号测量和估计。
21.进一步优选的，还包括统计滤波模块，所述统计滤波模块用于在检测周期内设定多个检测窗口，对多次干扰检测结果进行统计滤波，采用相对统计量进行异常值过滤。
22.本技术公开的基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测方法及系统，相比于现有技术至少包括以下优点：1、本发明提供的基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测方法及系统，采用信道化接收机进行多个窄带信道的并行信号捕获，可以同时获得工作频带内多个窄带信道的接收信号能量测量值和解调信干噪比测量值，相比于扫描式信道检测，并行信道检测的效率更高。
23.2、本发明提供的基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测方法及系统，相较于单纯的能量检测，本发明所述动态阈值检测算法具备优良的环境适应性，能够检测无信号、小信号和大信号条件下的窄带信道干扰，同时给出干扰检测和干扰位置检测结果。
24.3、本发明提供的基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测方法及系统，将超过解调信干噪比门限值的信道作为有效接收信道，将有效接收信道的接收信号能量均值加虚警概率作为干扰检测阈值。由此实现，在存在窄带噪声条件下，动态阈值估计量比全频域能量均值估计更为准确。
附图说明
25.图1为本发明的基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测方法的流程图。
26.图2为本发明提供的基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测系统的结构示意图。
27.图3为本发明的一个具体实施例中基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测流程图。
28.图4为本发明提供的基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测系统的窄带干扰位置检测示意图。
具体实施方式
29.以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
30.如1图所示，本发明一方面实施例提供的本发明的一种基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测方法，包括以下步骤：s1、获取多个窄带信道的并行信号，获取工作频带内多个窄带信道的接收信号能量测量值rssif和解调信干噪比测量值sinrf；s2、对各窄带信道的接收信号能量测量值rssif进行独立估计，并进行连续均值滤波，作为当前信道的干扰检测量估计值rssif_est；s3、将解调信干噪比测量值sinrf与预设的解调信干噪比门限值sinr_thr相比较，筛选有效接收信道；s4、将选出的有效接收信道的接收信号能量均值作为有效信号能量标准值rssi_signal，根据有效信号能量标准值设定能量检测阈值；将各窄带有效接收信道中的干扰检测量估计值rssif_est与能量检测阈值相比较，判断是否有干扰信号存在。
31.在s1中，获取多个窄带信道的并行信号，是基于宽带信道化接收机进行多个窄带信道的并行信号捕获。获取工作频带内多个窄带信道的接收信号能量测量值rssif和解调信干噪比测量值sinrf具体包括以下两方面：a. 获取接收信号能量测量值rssif。
32.窄带信道chf的接收信号能量测量值rssif，是对经过射频放大、ad输出的接收信号yf(t)进行能量测量。可选地，可以采用时域积分或频域变换的方式进行能量测量，时域积分是对接收信号的多个样点值进行积分和均值量化；频域变换的方式是将接收信号进行fft变换，通过频域的窄带信号能量均值表示该信道的接收信号能量。
33.接收信号yf(t)的能量检测过程，用公式表示如下：yf(t) =s(t) n(t) j(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式1）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式2）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式3）式中，s(t)、n(t)、j(t)分别为有用信号、背景噪声和干扰信号；l为采样点数量，i为采样点序号，即任意一个采样点；为任意采样点i处捕获的接收信号；rssif为接收信号能量测量值；在干扰信号j(t)足够大时，可以认为接收信号的总功率近似为干扰信号强度。
34.b. 获取解调信干噪比测量值具体为：对于数字化通信系统，信干噪比测量可以基于已知的脉冲信号结构信息，分别进行信号能量和噪声能量的统计，二者的比值即为信干噪比。
35.可选地，跳频通信系统中的信干噪比的测量方式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式4)式中，sinrf为按频点统计的解调信干噪比测量值，e
fduty
为脉冲占用期能量均值，e
fempty
为脉冲空闲期能量均值，k为频谱检测周期内频率脉冲f出现的次数。
36.在s2中对各窄带信道的接收信号能量测量值rssif进行独立估计，并进行连续均值滤波，得到相对稳定的接收信号能量水平估计，作为当前信道的干扰检测量估计值rssif_est。
37.干扰检测量估计，是对各窄带信道的接收信号能量测量值rssif进行独立估计，并进行连续均值滤波，得到相对稳定的接收信号能量水平估计，作为当前信道的干扰检测量估计值rssif_est。
38.信道干扰检测量的估计过程，用公式表示如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式5）式中，rssif_est为按频点统计的干扰检测估计量，w
detect
为检测窗口长度，n_pulse为每单位检测窗口内的脉冲数量；rssi
if
为第f个频点的第i个脉冲的接收信号能量测量值。
39.s3、根据解调信干噪比测量值sinrf和预设的解调信干噪比门限值sinr_thr，筛选有效接收信道。
40.优选的，在筛选有效接收信道时，包括，将解调信干噪比测量值sinrf与预设的解调信干噪比门限值sinr_thr进行对比，超过解调信干噪比门限值sinr_thr的信道作为有效接收信道ch_signal，低于解调信干噪比门限值的接收信道为无效接收信道ch_interfer。
41.在恒包络调制条件下，各窄带信道的信号能量均值相同，因此可将各有效接收信道的接收信号能量均值作为有效信号能量标准值rssi_signal。
42.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式6）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式7）式中，rssi_signal为有效信号能量标准值，f为工作频带内频点集总数；pmff为掩模估计函数，用于提取集合内满足限定条件的有效元素。
43.s4、将选出的有效接收信道的接收信号能量均值作为有效信号能量标准值rssi_signal，根据有效信号能量标准值设定能量检测阈值；将各窄带有效接收信道中的干扰检测量估计值rssif_est与能量检测阈值相比较，判断是否有干扰信号存在。
44.进一步优选的，所述能量检测阈值为，设定有效信号能量标准值rssi_signal与虚警容限之和为能量检测阈值。
45.进一步优选的，在实际通信环境中，无线信号和背景噪声的能量水平会存在波动，干扰检测门限值若完全取决于当前信号能量的估计值会产生一定概率的误检问题，即信号和噪声能量大于干扰检测门限值。为了减少虚警概率(p
fa
)，干扰检测门限值可以用由虚警概率的容限值给出，如下式：所述检测阈值按照如下公式进行计算：（公式8）式中，rssi_thr为能量检测阈值；p
fa
为虚警概率，通常取为0.001；n为显著统计量的统计次数；rssi_signal为有效信号能量标准值；q函数表达式为。
46.进一步优选的，所述检测各窄带信道是否有干扰信号存在时，包括：将各窄带信道的干扰检测量估计值rssif_est与设定的检测阈值进行比较，判断干扰信号是否存在；若干扰信号能量大于检测阈值，则判决该信道有干扰h1，若干扰信号能量小于或等于检测阈值，则判决该信道无干扰h0。
47.窄带信道干扰判决的先验假设h1/h0如下式：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式9）式中，cqif为干扰位置检测结果，表示第f个信道是否存在干扰信号。
48.进一步优选的，还包括对检测结果进行统计滤波输出，所述统计滤波输出包括以下步骤：在检测周期内设定多个检测窗口，对多次干扰检测结果进行统计滤波，滤除异常检测值。
49.为了防止误检，在检测周期内设定多个检测窗口，对m次干扰检测结果进行统计滤波，滤除异常检测值，进一步保证干扰位置检测的可靠性。
50.统计滤波采用相对统计量rel_stat进行异常值过滤，如下式：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式10）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式11）式中，cqif为干扰位置检测输出结果，rel_stat为相对统计量，rel_thr为相对统计量阈值，通常取为0.9~1的数量值, m为检测周期内的干扰检测次数，为第f个干扰检测点第i次干扰检测位置的检测结果。
51.如图2所示，本发明还提供一种基于窄带噪声能量估计的干扰位置检测系统，包括ad变换模块、rssi测量模块、rssi估计模块、sinr测量模块、pmf有效信道掩模估计模块、动态阈值估计模块和干扰位置检测模块；所述ad变换模块用于接收射频前端输入的宽带无线信号，并输出数字域的宽带无线信号；ad变换接收射频前端输入的宽带无线信号，经过低通滤波和模数变换后，输出高速
数字信号。
52.所述rssi测量模块，用于对输出的高速数字信号，进行多信道能量检测，获得工作频带内多个窄带信道的接收信号能量测量值rssif。
53.rssi测量模块对数字域的宽带无线信号进行多信道并行能量检测，输出多信道能量测量结果，能量测量可以采用时域积分和频域变换方法。
54.rssi估计模块，用于对各窄带信道的接收信号能量测量值rssif进行独立估计，并进行连续均值滤波，得到稳定的接收信号能量水平估计值，作为当前信道的干扰检测量估计值rssif_est；还包括，同步捕获模块，在已知通信系统的先验信息（扩/跳频同步序列）条件下，同步捕获模块对输入的宽带无线信号即ad变换模块输出的高速数字信号，进行滑动自相关，获得各信道的最佳采样时刻，用于各信道的脉冲信号抽取。
55.多路信号抽取模块，在获得最佳采样时刻后，多路信号抽取模块以信息速率抽取输入的高速数字信号，获得各窄带信道的低速数字信号，用于后续的多路信号测量和估计，并输出多信道码元信号。
56.sinr测量模块，用于对各信道输入的低速脉冲信号进行多信道的信干噪比测量，得到解调信干噪比测量值sinrf。
57.pmf有效信道掩模估计模块，用于根据解调信干噪比测量值sinrf和预设的解调信干噪比门限值sinr_thr，筛选有效接收信道；完成对无效信道的过滤。
58.pmf有效信道掩模估计模块对各信道解调信干噪比测量值进行门限判决，若sinrf≥sinr_thr，判决为1，说明该传输信道有效；若sinrf＜sinr_thr，判决为0，说明该传输信道无有效信号。sinrf为解调信干噪比测量值；sinr_thr为预设的解调信干噪比门限值；pmf有效信道掩模估计模块的作用是过滤掉无效信道，用于有效信号能量统计。
59.动态阈值估计模块，用于将选出的有效接收信道的接收信号能量均值作为有效信号能量标准值rssi_signal，设定检测阈值；经过pmf无效信道过滤后，动态阈值估计模块各有效接收信道的接收信号能量均值作为有效信号能量标准值rssi_signal。为了减少无线信号能量波动带来的虚警概率p
fa
，能量检测阈值rssi_thr可以用由虚警概率的容限值给出估计值。
60.干扰位置检测模块，用于根据检测阈值，检测各窄带信道是否有干扰信号存在。在检测窗口内，干扰位置检测模块，接收干扰检测量估计值rssif_est和能量检测阈值rssi_thr2个检测输入，并进行干扰判决。
61.进一步优选的，还包括统计滤波模块，所述统计滤波模块用于在检测周期内设定多个检测窗口，对多次干扰检测结果进行统计滤波，滤除异常检测值。对多次检测结果进行相对统计量估计，若相对统计量大于门限值才输出确定的检测结果，用于去除异常检测值；输出多信道干扰检测结果。经过上述测量模块和滤波模块的处理，干扰位置检测系统能够输出相对灵敏、可靠的干扰位置检测结果。
62.如图3为在本发明提供的检测方法与系统的典型实施例中，实施时的流程图，包括以下步骤：开始后先检测统计滤波窗口是否结束，若统计滤波窗口为y时，则多次检测，统计滤波；检查信道检测窗口是否结束；若信道检测窗口为y，则对干扰检测量估计值，进行动态
阈值估计，实施干扰位置检测，若都未结束，则开始进行以下步骤：1）接收信号能量测量接收信号能量测量是对数字域的宽带无线信号进行多信道并行能量检测，输出接收信号能量测量值。接收信号能量测量可以采用时域积分和频域变换方法，时域积分和频域变换方法如前述方法实施例所述。
[0063] 2）信道干扰检测量估计在检测窗口内，信道干扰检测量估计对各信道输入的能量测量进行连续均值滤波，得到相对稳定的接收信号能量水平估计，作为干扰检测量估计值rssif_est；信道干扰检测量估计方法如前述方法实施例所述。
[0064]
3）接收信号同步捕获在已知通信系统的先验信息（扩/跳频同步序列）条件下，同步捕获对输入的宽带无线信号进行滑动自相关，获得各信道的最佳采样时刻，用于各信道的脉冲信号抽取，若信号同步捕获为n时，表示未捕获到同步信号则以背景噪声作为掩模估计阈值，若为y表示捕获到信号，则进行多路信号抽取。
[0065]
4）多路信号抽取在获得最佳采样时刻后，多路信号抽取以信息速率抽取输入的高速数字信号，获得各窄带信道的低速数字信号，用于后续的多路信号测量和估计。
[0066]
5）解调信干噪比测量解调信干噪比测量对各信道输入的低速脉冲信号进行信干噪比测量，基于已知的脉冲信号结构信息，分别进行信号能量和噪声能量的统计，二者的比值即为信干噪比。可选地，解调信干噪比测量方法如前述方法实施例所述。
[0067]
6）有效信道掩模pmf估计pmf有效信道掩模估计对解调信干噪比测量值进行门限判决，若sinrf≥sinr_thr，判决为1，说明该传输信道有效；若sinrf＜sinr_thr，判决为0，说明该传输信道无有效信号。pmf有效信道掩模估计模块的作用是过滤掉无效信道，用于有效信号能量统计。
[0068]
7）有效信号能量估计经过pmf无效信道过滤后，有效信号能量估计采用各有效接收信道的接收信号能量均值作为有效信号能量标准值rssi_signal。
[0069]
8）动态阈值估计为了减少无线信号能量波动带来的虚警概率p
fa
，能量检测阈值rssi_thr可以用由虚警概率的容限值给出估计值。动态阈值估计方法，如前述方法实施例所述。
[0070]
9）干扰位置检测在检测窗口内，干扰位置检测时，接收干扰检测量估计值rssif_est和能量检测阈值rssi_thr2个检测输入，并进行干扰判决。干扰位置检测方法，如前述方法实施例所述。
[0071]
10）统计滤波为了最大程度地消除干扰误检和虚警问题，本发明还提供了统计滤波技术，对n次检测结果进行相对统计量估计，若相对统计量大于门限值才输出确定的检测结果，用于去除异常检测值。统计滤波方法，如前述方法实施例所述。
[0072]
经过上述测量模块和滤波模块的处理，干扰位置检测系统能够输出相对灵敏、可
靠的干扰位置检测结果。
[0073]
如图4所示，为窄带干扰位置检测示意图，图中深灰色带3个波峰的信号为检测的干扰信号，虚线下方均匀的浅灰色波形为有效信号，干扰信号与有效信号重叠处，为干扰位置。
[0074]
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。