一种信号中心频点和带宽的估算方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种信号中心频点和带宽的估算方法。

背景技术：

在无线通信技术领域内，接收机有可能在接收信号带宽范围内同时接收若干个不同的信号。这些信号可能采用不同的调制方式，具有不同的载频和信号带宽。因此，在对这些信号进行参数估计、调制识别和解调之前，首先必须估计信号的中心频点和带宽。

已有的信号带宽估计方法都是直接在信号的频谱或者功率谱上进行估计，由于信号谱本身起伏剧烈，毛刺很多，在信噪比较低的情况下很难将信号与噪声区分出来。

技术实现要素：

本发明旨在解决上述技术问题。

为此，本发明的目的在于提出一种信号中心频点和带宽的估算方法，通过对信号频谱平滑滤波以解决频谱起伏剧烈、毛刺很多的问题；通过峰值搜索以准确确定信号的中心频点和带宽，从而解决了在低信噪比环境下信号中心频点及带宽估计难题。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种信号中心频点和带宽的估算方法，包括以下步骤：S1：对接收机天线进行测量，得到接收频段内天线的增益曲线；S2：对每次接收到的信号傅里叶变换得到接收信号的频谱；根据所述天线的增益曲线对每次接收到的信号进行补偿，以消除天线增益对信号频谱的影响；S3：多次执行步骤S2，取多次补偿后信号的绝对值的平均值；S4：将所述多次补偿后信号的绝对值的平均值进行第一次平滑滤波得到第一频谱，左右翻转，再次平滑滤波得到第二频谱，以此类推得到第N频谱，其中N为偶数；S5：获取所述第N频谱中的所有尖峰峰值和所有尖峰所在的位置，对于任一尖峰，根据设定阈值从尖峰所在位置开始分别向左向右对第N频谱进行搜索，找到第N频谱首次下降到尖峰峰值所述设定阈值倍数的位置，记为第一位置和第二位置，根据所述第一位置和所述第二位置计算尖峰的延伸区间长度，去掉延伸区间等于零的尖峰；计算任意保留下来尖峰的中心频点和带宽。

根据本发明实施例的信号中心频点和带宽的估算方法，通过对信号频谱平滑滤波以解决频谱起伏剧烈、毛刺很多的问题；通过峰值搜索以准确确定信号的中心频点和带宽，从而解决了在低信噪比环境下信号中心频点及带宽估计难题。

另外，根据本发明上述实施例的信号中心频点和带宽的估算方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，使用矢量网络分析仪对所述接收机天线进行测量。

进一步地，根据所述天线的增益曲线和所述接收信号的频谱对所述接收信号的频谱进行补偿。

进一步地，步骤S4进一步包括：S401：将F(k)通过平滑滤波器得到Y(k)，其中，F(k)为补偿后信号的绝对值的平均值，Y(k)为经过所述平滑滤波器处理得到的频谱；S402：将平滑后的频谱Y(k)进行左右翻转得到Y′(k)，并将Y′(k)重新赋值给Y(k)；S403：重复执行S401和S402得到第N频谱。

进一步地，步骤S5进一步包括：找到平滑后频谱的所有尖峰峰值Peak(j)和尖峰所在的位置Posi(j),j＝1,2,…,K，K为尖峰的个数，对于任意一个尖峰Peak(j)：从尖峰所在的位置Posi(j)开始，分别向左向右搜索首次低于C×Peak(j)的点,其所在位置分别记为bandL(j)和bandR(j)，其中C为设定的阈值，0<C<1；如果尖峰左侧未搜索到低于C×Peak(j)的点，或者尖峰左侧搜索过程中出现了频谱取值大于尖峰peak(j)的情况，令bandL(j)等于posi(j)；如果尖峰右侧未搜索到低于C×Peak(j)的点，或者尖峰右侧搜索过程中出现了频谱取值大于尖峰peak(j)的情况，则令bandR(j)等于posi(j).

进一步地,如果bandL(j)等于posi(j)并且bandR(j)不等于posi(j)，则令bandR(j)等于posi(j)；如果bandR(j)等于posi(j)并且bandL(j)不等于posi(j)，则令bandL(j)等于posi(j)。

进一步地，步骤S6进一步包括：计算尖峰peak(j)延伸的区间长度bandW(j)等于bandR(j)减去bandL(j)；去掉bandW(j)等于零的尖峰；对于任意保留下来的尖峰，结合扫频的频带范围，根据尖峰延伸区间计算该尖峰对应信号的中心频点和带宽。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的信号中心频点和带宽的估算方法的流程图。

图2是860MHz～880MHz频带内200次扫频得到的信号经过傅里叶变换并补偿之后的频谱绝对值的平均值。

图3是图2的频谱经过多次平滑滤波和翻转之后的第12频谱。

图4为图3所示平滑后频谱所有的尖峰以及所有尖峰对应的延伸区间。

图5是去掉图4中尖峰延伸区间长度为零的尖峰之后，得到的最终中心频点和带宽估计的结果。

图6是950MHz～970MHz频带内200次扫频得到的信号经过傅里叶变换并补偿之后的频谱绝对值的平均值。

图7是图6的频谱经过多次平滑滤波和翻转之后的第12频谱。

图8为图7所示平滑后频谱所有的尖峰以及所有尖峰对应的延伸区间。

图9是去掉图8中尖峰延伸区间长度为零的尖峰之后，得到的最终中心频点和带宽估计的结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述本发明。

图1是本发明一个实施例的信号中心频点和带宽的估算方法的流程图。

S1：对接收机天线进行测量，得到接收频段内天线的增益曲线。

在本发明的一个实施例中，使用矢量网络分析仪对接收机天线进行测量。矢量网络分析仪可以同时测量幅度信息和相位信息，能够有效抑制干扰和杂散、动态范围大。

S2：对每次接收到的信号做傅里叶变换得到接收信号的频谱；根据天线的增益曲线对得到的频谱进行补偿，以消除天线增益对信号频谱的影响。

在本发明的一个实施例中，使用以下公式进行信号补偿：

F′_m(k)＝F_m(k)/s₂₁(k),k＝1,2,…,K

其中，F_m(k)为所述第m次接收到信号的频谱，F′_m(k)为补偿后的频谱，K为接收信号频谱点数，s₂₁(k)为所述天线的增益曲线。

S3：多次执行步骤S2，取多次补偿后信号的绝对值的平均值。

在本发明的一个实施例中，通过以下公式计算补偿后信号的绝对值的平均值：

其中，M为重复次数，F(k)为补偿后信号的绝对值的平均值。图2为中心频点为870Hz，带宽为20MHz(即860MHz～880MHz)频带内扫频200次得到的信号经过补偿之后频谱绝对值的平均值。可以看出，860MHz～880MHz带宽内存在若干个窄带信号和一个宽带信号，而这个宽带信号有可能是由多个子带构成；由于噪声的影响，使得信号的频谱存在大量的毛刺。

S4：将多次补偿后信号的绝对值的平均值进行第一次平滑得到第一频谱，左右翻转，再次平滑滤波得到第二频谱，以此类推得到第N频谱，其中N为偶数且为可调参数。

在本发明的一个实施例中，步骤S4进一步包括：

S401：将F(k)通过一个长度为M的平滑滤波器得到Y(k)，Y(k)的一种计算方法为：

S402：为防止平滑滤波导致中心频点发生偏移，将平滑后的频谱Y(k)进行左右翻转得到Y′(k)，并将Y′(k)重新赋值给Y(k)；

S403：重复执行S401和S402得到第N频谱。

图3给出了图2所示频谱的经过12次平滑滤波和翻转得到的第12频谱。可以看出，经过平滑滤波之后的频谱受毛刺的影响明显减少。

S5：获取第N频谱中的所有尖峰峰值和所有尖峰所在的位置，对于任一尖峰，根据设定阈值从尖峰所在位置开始分别向左向右对第N频谱进行搜索，找到第N频谱首次下降到尖峰峰值所述设定阈值倍数的位置，记为第一位置和第二位置，根据第一位置和第二位置计算尖峰的延伸区间长度，去掉延伸区间等于零的尖峰。图4给出了图3第12频谱的所有尖峰以及尖峰的延伸区间长度，其中比较粗的长方形框表示延伸区间大于零的尖峰对应的延伸区间，其它竖线表示延伸区间等于零的尖峰的对应的延伸区间(为了在图中表示出延伸区间为零的尖峰对应的的延伸区间，作图时令延伸区间等于零的尖峰对应的延伸区间长度为1)。

在本发明的一个实施例中，步骤S5进一步包括：找到平滑后频谱的所有尖峰峰值Peak(j)和尖峰所在的位置Posi(j),j＝1,2,…,K，K为尖峰的个数，对于任意一个尖峰Peak(j)：

从尖峰所在的位置Posi(j)开始，分别向左向右搜索首次低于C×Peak(j)的点，其所在位置分别记为bandL(j)和bandR(j)，其中C为设定的阈值，0<C<1。如果尖峰左侧未搜索到低于C×Peak(j)的点，或者尖峰左侧搜索过程中出现了频谱取值大于尖峰peak(j)的情况，令bandL(j)等于posi(j)；通过尖峰右侧未搜索到低于C×Peak(j)的点，或者尖峰右侧搜索过程中出现了频谱取值大于尖峰peak(j)的情况，则令bandR(j)等于posi(j)。

为排除频谱左右两侧可能出现的多检情况，如果bandL(j)等于posi(j)并且bandR(j)不等于posi(j)，则令bandR(j)等于posi(j)；如果bandR(j)等于posi(j)并且bandL(j)不等于posi(j)，则令bandL(j)等于posi(j)。

S6：对于任意保留下来的尖峰，结合扫频的频带范围，根据尖峰延伸区间计算该尖峰对应信号的中心频点和带宽。

在本发明的一个实施例中，步骤S6进一步包括：计算尖峰peak(j)延伸的区间长度bandW(j)＝bandR(j)-bandL(j)，去掉bandW(j)等于零的那些尖峰。假设接收机接收的频带范围为[W_L,W_R]，则对于保留下来的尖峰，带宽bandwidth(j)根据以下公式计算得到：

中心频点freq_center(j)根据以下公式计算得到：

图5给出了图2所示频谱的所有估计得到的中心频点和带宽。其中的长方形框就表示在860MHz～880MHz带宽内检测到各个信号的中心频点和带宽。其中的宽带信号被划分成了4个相对较窄的窄带信号，这对应实际中的两种情况，第一种情况是：860MHz～880MHz确实存在一个有多个子带构成的宽带信号；第二种情况是：860MHz～880MHz范围内确实存在一个宽带信号，但是由于信噪比过低，噪声的影响过大，导致它被划分成了多个相对较窄的窄带信号。

为了进一步说明本发明所涉及算法的高效性，图6～图9给出了本发明涉及的信号中心和带宽估计算法的另一组实测结果。设置接收机的扫频中心频点为960MHz，图6给出了200次接收信号频谱经过补偿之后的绝对值的平均值，可以看出在该频带范围内存在着两个窄带信号。图7给出了图6所述频谱经过12次平滑滤波和翻转之后的第12频谱，可以看出经过平滑之后的频谱受噪声的影响明显降低。图8给出了图7所述第12频谱所有尖峰以及对应的尖峰延伸区间，可以看出有两个延伸区间大于零的尖峰和若干个延伸区间等于零的尖峰。图9给出了去掉图8所述延伸区间等于零的尖峰之后，最终检测到的信号中心频点以及对应带宽。

另外，本发明实施例的信号中心频点和带宽的估算方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。