基于高阶循环累积量的单通道混合通信信号干扰检测方法与流程

1.本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于高阶循环累积量的单通道混合通信信号干扰检测方法。


背景技术：

2.目前，城市轨道交通各类型车地无线通信系统所用制式及频段主要包括800mhz tetra系统、2.4ghz wi-fi系统、5.8ghz wi-fi系统、1.8ghz lte-m系统，分别用于无线集群调度系统、信号cbtc系统、乘客信息系统的车地通信业务。其中2.4g和5.8g频段属于公用频段，用于承载轨道交通运营业务后必然时刻面临来自外部公众用户设备的干扰。城市轨道交通新建线路的信号cbtc业务主要采用1.8ghz的lte-m系统承载，此频段属于专用共享频段，除轨道交通外，如电力、机场、重载铁路、石油等行业也可使用该频段，因此也存在同频干扰风险。同时lte-m系统与相邻频段的运营商系统易产生干扰，如中国电信fdd-lte和中国移动dcs1800系统，从而对lte-m系统基站及终端使用造成影响。
3.对于窄带无线通信系统，超过干扰门限的同频/邻频干扰，将导致通信中断。而wi-fi、lte-m是基于ofdm的宽带无线通信系统，业务数据由带内若干个离散的子载波承载，因此面临的干扰是随机干扰、随机碰撞。较低程度的同频/邻频干扰将导致吞吐量降低，严重时则导致通信中断。地铁通信系统终端多为单天线或两天线，无法采用传统阵列信号处理方法来进行干扰检测，因此单通道时频重叠信号的干扰检测是保障地铁通信系统正常运行的关键技术，如何提升无线通信系统的干扰监测能力，寻找能够有效检测出无线通信同频/邻频干扰的手段成为工程领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于高阶循环累积量的单通道混合通信信号干扰检测方法，以至少解决提升无线通信系统干扰监测能力、以及有效检测出无线通信同频/邻频干扰的问题。
5.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
6.基于高阶循环累积量的单通道混合通信信号干扰检测方法，所述方法包括以下步骤：
7.生成多个调制信号；
8.对调制信号进行过采样处理；
9.对过采样处理后的信号进行成形滤波处理；
10.对成形滤波处理后的信号进行上载波调制处理；
11.对上载波调制处理后的多个信号进行混合，得到的混合信号为实验信号，并规定其中一个信号为期望信号；
12.对实验信号和期望信号加入加性高斯白噪声后进行四阶循环累积量计算，得到实验信号的四阶循环累积量和期望信号的四阶循环累积量；
13.用实验信号的四阶循环累积量减去期望信号的四阶循环累积量，得到处理后的四阶循环累积量，设置判决门限对处理后的四阶循环累积量进行离散谱线检测，若还存在突出的离散谱线，则说明干扰存在。
14.进一步地，生成多个调制信号包括：
15.对发射端单极性二进制比特序列bn进行bpsk、qpsk、16qam和64qam调制，生成相应的bpsk调制信号、qpsk调制信号、16qam调制信号和64qam调制信号；
16.其中，
17.bn∈[0,1]
[0018]
n为二进制数据的序号。
[0019]
进一步地，对调制信号进行过采样处理包括：
[0020]
对bpsk调制信号、qpsk调制信号、16qam调制信号和64qam调制信号进行过采样处理，采样频率为19200hz，得到过采样时间序列s(t)。
[0021]
进一步地，对过采样处理后的信号进行成形滤波处理包括：
[0022]
采用滚降系数为0.35的根升余弦成形滤波器对s(t)进行滤波，得到输出信号u(t)。
[0023]
进一步地，对成形滤波处理后的信号进行上载波调制处理包括：
[0024]
对u(t)进行上载波调制，得到上载波调制处理后的信号x(t)，表达式如下：
[0025]
x(t)＝u(t)exp(j2πfct)
[0026]
式中：
[0027]
fc为载波频率；
[0028]
j为虚部单位；
[0029]
t为时间。
[0030]
进一步地，对上载波调制处理后的多个信号进行混合，得到的混合信号为实验信号，并规定其中一个信号为期望信号包括：
[0031]
基于四个调制信号得到xi(t)，i＝1,2,3,4；
[0032]
对其中p个进行混合，1≤p≤3，得到混合信号y(t)，作为实验信号；
[0033][0034]
将进行混合的其中一个信号作为期望信号，记为q(t)。
[0035]
进一步地，对实验信号和期望信号加入加性高斯白噪声后进行四阶循环累积量计算，得到实验信号的四阶循环累积量和期望信号的四阶循环累积量包括：
[0036]
将y(t)加入加性高斯白噪声，进行四阶循环累积量计算，包括：
[0037]
将y(t)加入加性高斯白噪声，得到循环平稳信号r(t)；
[0038][0039]
式中：
[0040]
n(t)为加性高斯白噪声；
[0041]
循环平稳信号r(t)的二阶时变矩、共轭时变矩、四阶时变矩分别为：
[0042]mr,21
(t,τ)＝e{r(t)r
*
(t τ)}
[0043]mr,20
(t,τ)＝e{r(t)r(t τ)}
[0044]mr,40
(t,τ)＝e{r(t)r(t τ1)r(t τ2)r(t τ3)}
[0045]
式中：
[0046]r*
(t)为r(t)的共轭序列；
[0047]
τ，τ1，τ2，τ3为固定时延；
[0048]
e{}为均值操作；
[0049]
根据时变矩和时变累积量的关系，对于零均值的循环平稳信号，其二阶时变量和共轭时变累积量分别与二阶时变矩和共轭时变矩相同，即
[0050]cy,21
(t,τ)＝m
y,21
(t,τ),c
y,20
(t,τ)＝m
y,20
(t,τ)
[0051]
而四阶时变累积量为：
[0052]cy,40
(t,τ1,τ2,τ3)＝m
y,40
(t,τ1,τ2,τ3)-m
y,20
(t,τ1)m
y,20
(t τ2,t τ3)-m
y,20
(t,τ2)m
y,20
(t τ1,t τ3)-m
y,20
(t,τ3)m
y,20
(t τ2,t τ1)
[0053]
y(t)的四阶循环累积量为
[0054]cy,40
(α,τ1,τ2,τ3)＝《c
y,40
(t,τ1,τ2,τ3)e-j2παt
》
t
[0055]
式中：
[0056]
《》
t
为时间平均；
[0057]
α为循环频率；
[0058]
将期望信号加入加性高斯白噪声，进行四阶循环累积量计算，包括：
[0059]rq
(t)＝q(t) n(t)
[0060]rq
(t)四阶循环累积量为：
[0061][0062]
进一步地，用实验信号的四阶循环累积量减去期望信号的四阶循环累积量，得到处理后的四阶循环累积量，设置判决门限对处理后的四阶循环累积量进行离散谱线检测包括：
[0063]
用c40_mixed表示实验信号的四阶循环累积量，用c40_ex表示期望信号的四阶循环累积量，用实验信号的四阶循环累积量减去期望信号的四阶循环累积量，得到处理后的四阶循环累积量，即进行检测的循环累积量，用c40_test表示
[0064]
c40_test＝c40_mixed-c40_ex
[0065]
设置判决门限为
[0066]
δ＝10e{c40_test} 8σ{c40_test}
[0067]
式中：
[0068]
e为均值，σ为标准差；
[0069]
定义|c
y,40
(α)|/mean|c
y,40
|为四阶循环累积量在循环频率α处谱线的突出程度，其中mean|c
y,40
|为c
y,40
幅度的平均值，用突出程度与设置的判决门限进行比较，若谱线的突出程度大于判决门限，说明在该循环频率处存在离散谱线，即存在干扰。
[0070]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0071]
本发明的方法基于高阶循环累积量实施，高阶循环累积量基于信号的统计特性，该特性只需知道信号序列值而不需要已知载波频率、带宽等信号特征，其对于信道中的加
性高斯或非高斯白噪声具有良好的抑制能力，且循环累积量满足线性可加性，因此对接收信号进行循环累积运算可以很好地反映每个源信号的循环特性，通过检测循环累积量幅度谱图是否存在突出的离散谱线，进而实现在已知期望信号特征的情况下检测接收到的信号中是否存在同频/邻频干扰信号的目的。
[0072]
本发明能够在除了已知混合信号的序列值外，不需要任何先验知识的情况下对混合信号进行同频/邻频干扰检测，在地铁运行环境要求的信噪比条件下具有良好的抗噪性能，检测正确率高，计算复杂度低。
附图说明
[0073]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
[0074]
图1是本发明的方法原理图。
[0075]
图2是本发明方法使用的bpsk调制信号和qpsk调制信号的单个四阶循环累积量与混合后的信号四阶循环累积量相对于循环频率的幅度谱示意图。
[0076]
图3是本发明使用的bpsk调制信号、qpsk调制信号和16qam调制信号的单个四阶循环累积量与混合后的信号四阶循环累积量相对于循环频率的幅度谱示意图。
[0077]
图4是本发明使用的16qam qpsk混合信号的四阶循环累积量减去期望信号16qam的四阶循环累积量所得的幅度谱图。
[0078]
图5是本发明使用的bpsk qpsk 16qam混合信号的四阶循环累积量减去期望信号16qam的四阶循环累积量所得的幅度谱图。
[0079]
图6是本发明分别使用单个qpsk调制信号、16qam qpsk混合信号、bpsk qpsk 16qam混合信号做干扰检测的检测正确率曲线图。
具体实施方式
[0080]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
[0081]
应注意到，相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个实施例中被定义，则在随后的实施例中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“包括”等以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0082]
还应注意到，虽然在方法描述中涉及了步骤顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行，不应被理解为对步骤顺序的限制。
[0083]
如图1，无线通信系统包括信号发射机、无线信道和信号接收机。信号发射机对数字二进制信息进行mpsk或mqam调制，再通过射频模块将调制信号调制到高频载波上，利用
天线发射出去。发射的信号经过无线信道，被信号接收机所接收，对接收到的信号进行四阶循环累积量处理，得到关于循环频率的幅度谱图，将幅度谱进行突出谱线检测，根据检测结果可得知是否存在干扰信号。
[0084]
通过对四阶循环累积量的理论分析，其关于循环频率的幅度谱图在4fc和4fc
±
k*fb，k＝0,1,2...处会有非零值，此外在其他循环频率处，四阶循环累积量的值均为零，即在4fc和4fc
±
k*fb，k＝0,1,2...处，会出现突出的离散谱线，其中fc为信号载波频率，fb为符号速率，即系统带宽。在非零值中，4fc处的幅度值为最大值，4fc
±
fb处的幅度值为次大值。且四阶循环累积量具有线性可加性，满足若干个信号混合后的和信号的四阶循环累积量等于其单个信号的四阶循环累积量的和。另外在高于三阶的加性高斯或非高斯白噪声的循环累积量为零。
[0085]
根据以上性质，将混合信号的四阶循环累积量值减去期望信号的四阶循环累积量值后，对结果进行离散谱线的条数检测，若检测结果不为零，则说明存在同频/邻频干扰。
[0086]
图3为本发明方法使用的bpsk调制信号，qpsk调制信号和16qam调制信号的单个信号的四阶循环累积量与三个信号混合后的信号的四阶循环累积量相对于循环频率的幅度谱图，信噪比为10db。从图3中可以看出混合信号的四阶循环累积量满足理论分析，为本发明提供了理论支撑。其他任意三个混合信号的四阶循环累积量幅度谱图均与图3相当。
[0087]
基于上述原理，本发明提供了一种基于高阶循环累积量的单通道混合通信信号干扰检测方法，包括以下步骤：
[0088]
s1：生成多个调制信号。
[0089]
对发射端单极性二进制比特序列bn进行bpsk、qpsk、16qam和64qam调制，生成相应的bpsk调制信号、qpsk调制信号、16qam调制信号和64qam调制信号；
[0090]
其中，
[0091]bn
∈[0,1]
[0092]
n为二进制数据的序号。
[0093]
s2：对调制信号进行过采样处理。
[0094]
对bpsk调制信号、qpsk调制信号、16qam调制信号和64qam调制信号进行过采样处理，采样频率为19200hz，得到过采样时间序列s(t)。
[0095]
s3：对过采样处理后的信号进行成形滤波处理。
[0096]
采用滚降系数为0.35的根升余弦成形滤波器对s(t)进行滤波，得到输出信号u(t)。
[0097]
s4：对成形滤波处理后的信号进行上载波调制处理。
[0098]
对u(t)进行上载波调制，得到上载波调制处理后的信号x(t)，表达式如下：
[0099]
x(t)＝u(t)exp(j2πfct)
[0100]
式中：
[0101]
fc为载波频率；
[0102]
j为虚部单位；
[0103]
t为时间。
[0104]
s5：对上载波调制处理后的多个信号进行混合，得到的混合信号为实验信号，并规定其中一个信号为期望信号。
[0105]
基于四个调制信号得到xi(t)，i＝1,2,3,4；
[0106]
对其中p个进行混合，1≤p≤3，得到混合信号y(t)，作为实验信号；
[0107][0108]
将进行混合的其中一个作为期望信号，记为q(t)。
[0109]
s6：对实验信号和期望信号加入加性高斯白噪声后进行四阶循环累积量计算，得到实验信号的四阶循环累积量和期望信号的四阶循环累积量。
[0110]
将y(t)加入加性高斯白噪声，进行四阶循环累积量计算，包括：
[0111]
将y(t)加入加性高斯白噪声，得到循环平稳信号y(t)；
[0112]
将y(t)加入加性高斯白噪声，得到循环平稳信号r(t)；
[0113][0114]
式中：
[0115]
n(t)为加性高斯白噪声；
[0116]
循环平稳信号r(t)的二阶时变矩、共轭时变矩、四阶时变矩分别为：
[0117]mr,21
(t,τ)＝e{r(t)r
*
(t τ)}
[0118]mr,20
(t,τ)＝e{r(t)r(t τ)}
[0119]mr,40
(t,τ)＝e{r(t)r(t τ1)r(t τ2)r(t τ3)}
[0120]
式中：
[0121]r*
(t)为r(t)的共轭序列；
[0122]
τ，τ1，τ2，τ3为固定时延；
[0123]
e{}为均值操作。
[0124]
根据时变矩和时变累积量的关系，对于零均值的循环平稳信号，其二阶时变量和共轭时变累积量分别与二阶时变矩和共轭时变矩相同，即
[0125]cy,21
(t,τ)＝m
y,21
(t,τ),c
y,20
(t,τ)＝m
y,20
(t,τ)
[0126]
而四阶时变累积量为：
[0127]cy,40
(t,τ1,τ2,τ3)＝m
y,40
(t,τ1,τ2,τ3)-m
y,20
(t,τ1)m
y,20
(t τ2,t τ3)-m
y,20
(t,τ2)m
y,20
(t τ1,t τ3)-m
y,20
(t,τ3)m
y,20
(t τ2,t τ1)
[0128]
y(t)的四阶循环累积量为
[0129]cy,40
(α,τ1,τ2,τ3)＝《c
y,40
(t,τ1,τ2,τ3)e-j2παt
》
t
[0130]
式中：
[0131]
《》
t
为时间平均；
[0132]
α为循环频率；
[0133]
将期望信号加入加性高斯白噪声，进行四阶循环累积量计算，包括：
[0134]rq
(t)＝q(t) n(t)
[0135]rq
(t)四阶循环累积量为：
[0136][0137]
s7：用实验信号的四阶循环累积量减去期望信号的四阶循环累积量，得到处理后
的四阶循环累积量，设置判决门限对处理后的四阶循环累积量进行离散谱线检测，若还存在突出的离散谱线，则说明干扰存在。
[0138]
用c40_mixed表示实验信号的四阶循环累积量，用c40_ex表示期望信号的四阶循环累积量，用实验信号的四阶循环累积量减去期望信号的四阶循环累积量，得到处理后的四阶循环累积量，即进行检测的循环累积量，用c40_test表示
[0139]
c40_test＝c40_mixed-c40_ex
[0140]
设置判决门限为
[0141]
δ＝10e{c40_test} 8σ{c40_test}
[0142]
式中：
[0143]
e为均值，σ为标准差；
[0144]
定义|c
y,40
(α)|/mean|c
y,40
|为四阶循环累积量在循环频率α处谱线的突出程度，其中mean|c
y,40
|为c
y,40
幅度的平均值，用突出程度与设置的判决门限进行比较，若谱线的突出程度大于判决门限，说明在该循环频率处存在离散谱线，即存在干扰。
[0145]
在检测中，首先检测最高谱线，若最高谱线的突出程度大于判决门限，则说明存在干扰，并将该谱线置零，进行检测下一次最高谱线，直至最高谱线的突出程度小于判决门限，则谱线检测过程结束。若检测结果中突出的谱线条数为0，则说明没有干扰；否则突出谱线的条数即为干扰信号的个数。
[0146]
本发明利用mpsk、mqam调制信号的统计特性，对混合信号进行四阶循环累积量的计算，不需要除信号序列外的任何先验信息，对同频/邻频干扰进行检测。在信噪比大于6db的情况下，其检测正确率可以达到100％，抗噪性能优越，计算复杂度较低。
[0147]
以下通过仿真试验验证本发明的准确性：
[0148]
为了更好的展示基于四阶循环累积量的单通道时频重叠信号干扰检测方法的仿真实验结果，将仿真参数设置如下：采样频率为19200hz；载波频率分别为1600hz，1000hz，1800hz；码元速率分别为1200baud，1600baud，1920baud；数据长度为30720字节；根升余弦滤波器滚降系数为0.35；信噪比从6db到20db，步长为2db，进行不同信噪比下的干扰检测仿真验证，每个信噪比进行100次monte carlo试验，以干扰检测正确率为评判标准。
[0149]
实验一：单信号干扰检测仿真实验验证
[0150]
以载波频率1600hz，码元速率1200baud，生成qpsk调制信号。以单个qpsk信号为实验混合信号，同时以生成的qpsk信号为期望信号。分别对其进行四阶循环累积量计算，使用c40_mixed减去c40_ex，得到c40_test，对c40_test进行突出谱线检测，干扰检测正确率如图6所示，正确率为100％。根据图6的干扰检测正确率可以说明，本发明方法对于是否存在干扰信号的检测是可行的，且在不同的信噪比下其正确率均能达到100％，抗噪能力优越。
[0151]
以载波频率1600hz，码元速率1200baud，分别生成bpsk，16qam和64qam调制信号，以其单个信号本身为混合信号，单个信号本身为期望信号进行干扰检测仿真实验，其干扰检测正确率均可达到100％，仿真结果理想。
[0152]
实验二：两信号混合干扰检测仿真实验验证
[0153]
以载波频率分别为1600hz，1000hz，码元速率分别为1200baud，1600baud，分别生成bpsk，qpsk，16qam，64qam信号。任意两个信号的和为混合信号，其中一个信号为期望信号，进行干扰检测仿真实验。图4是以16qam和qpsk信号混合，其中16qam为期望信号，在信噪
比为10db条件下的c40_test幅度谱图，检测出图中谱线的最大值，即存在的突出的一根谱线说明混合信号中存在一个干扰信号。进行100次仿真实验，其干扰检测结果见图6，其正确率为100％。图4是本发明使用的16qam和qpsk混合信号的四阶循环累积量减去期望信号16qam的四阶循环累积量所得的幅度谱图，检测出图中谱线的最大值，即证明存在干扰。
[0154]
后续实验中，任意两个信号混合后在信噪比为6db到20db，步长为2db的条件下进行干扰检出的正确率均可达到100％。其结果表明，本发明所使用的方法对于两个信号的混合，其干扰检测正确率高，本发明方法具有良好的稳定性。
[0155]
实验三：三信号混合干扰检测仿真实验验证
[0156]
以载波频率分别为1600hz，1000hz，1800hz，码元速率分别为1200baud，1600baud，1920baud，分别生成bpsk，qpsk，16qam，64qam信号。任意三个信号相加为混合信号，其中任意一个信号为已知期望信号，进行同频干扰检测仿真实验。图5是以bpsk qpsk 16qam信号进行混合，期望信号16qam，在信噪比为10db条件下的c40_test幅度谱图，检测出图中谱线的最大值和次大值，即其突出的两根谱线图，说明有两个干扰信号存在。进行100次仿真实验，干扰检测结果见图6，其正确率为100％。图5是本发明使用的bpsk，qpsk和16qam混合信号的四阶循环累积量减去期望信号16qam的四阶循环累积量所得的幅度谱图，检测出图中谱线的最大值和次大值，即证明存在干扰。
[0157]
后续实验中，任意三个信号混合后在信噪比为6db到20db，步长为2db的条件下，进行干扰检出仿真实验，其干扰检测正确率均能达到100％。
[0158]
对比上述各个实验结果可见，本发明方法对于单通道时频重叠信号的干扰信号检测具有较高的正确率，在不同的信噪比下，其结果具有更强的稳定性和鲁棒性，其方法可以适用于地铁车地无线通信中的lte-m系统提高系统的无线信号监测能力，检测是否存在同频/邻频干扰，并根据结果及时进行干扰预警。
[0159]
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。