电磁频谱监测方法及系统 【技术领域】
本发明涉及电磁频谱监测技术领域， 具体涉及一种电磁频谱监测方法及系统。背景技术 随着电子技术的不断发展和进步， 无线电业务的应用领域迅速扩大， 各种移动通 信、 卫星通信、 广播电视、 雷达导航、 遥测遥控、 射电天文等应用遍及国防、 公共安全、 商用和 工业等各个部门， 其业务量在日益增大。无线电业务的迅猛发展对无线电频谱的管理和监 测提出了新的挑战和更高要求。
电磁频谱监测是指对空间中的无线电信号进行监控普查， 它主要包括信号检测、 调制方式识别和参数估计三个主要环节， 即首先检测监测频段内信号的有无和数量， 在有 信号的情况下识别出信号的调制方式， 并估计信号的载频、 带宽、 波特率等参数。
目前， 面向电磁传感网应用的电磁频谱监测系统主要是依靠多个可任意布设的小 型传感器节点以协同的方式来完成对一定区域内的电磁信号监测， 其监测节点体积较小，
能量有限， 因而其处理能力也有限， 这就对电磁频谱监测的处理方法提出了更高的要求， 即 处理算法必须简便、 快速， 所需的存储和处理能力都比较小等。
在现有技术中， 电磁频谱监测采用的方法主要有时域、 时频域混合两大类。其中 ： 时域方法需要存储大量的时域信号， 给节点的存储和处理能力带来很大的压力， 且时域方 法大多都比较复杂， 不适于在能量有限的小型传感器节点上实现 ； 时频域混合使用的电磁 频谱监测方法一般是利用频域方法进行信号检测， 利用时域方法和频域方法相结合的思路 进行参数估计和调制方式识别等， 这种方案一方面需要存储时域信号样本， 另一方面在处 理过程中需要时频域数据的来回转换， 实现方案复杂， 不利于算法的进一步开发加载， 因此 也不适合在传感器节点上实现。 发明内容
本发明实施例提供一种电磁频谱监测方法及系统， 以完全在频域内实现电磁频谱 监测处理， 简单、 有效地在应用在传感器节点上。
为此， 本发明实施例提供如下技术方案 ：
一种电磁频谱监测方法， 包括 ：
获取中频接收机输出的时域信号 ；
将所述时域信号转换为频域信号 ；
计算所述频域信号循环谱的各特征截面 ；
利用信号转换结果和 / 或计算得到的循环谱的各特征截面进行电磁频谱监测。
优选地， 所述将所述时域信号转换为频域信号包括 ：
利用快速傅里叶变换将所述时域信号转换为频域信号。
可选地， 所述利用信号转换结果和 / 或计算得到的循环谱的各特征截面进行电磁 频谱监测包括以下任意一项或多项 ：利用信号转换结果或其循环谱的各特征截面进行信号检测 ； 利用转换的频域信号和其循环谱的各特征截面识别信号调制方式 ； 利用信号循环谱的各特征截面进行信号参数估计。 可选地， 所述利用信号转换结果或其循环谱的各特征截面进行信号检测包括 ： 对信号转换结果进行功率检测 ； 或者 提取所述循环谱的频率为 0 的 α 截面谱峰位置信息进行检测。 优选地， 所述利用转换的频域信号和其循环谱的各特征截面识别信号调制方式包括： 提取信号循环谱的各特征截面的特征来区分不同调制类型的信号。
优选地， 所述利用信号循环谱的各特征截面进行信号参数估计包括以下任意一项 或多项 ：
提取信号循环谱特征截面中包含信号载频信息的谱峰位置信息， 利用该谱峰位置 信息计算得到信号的载频 ；
提取信号循环谱特征截面中包含信号波特率信息的次峰位置信息， 利用该次峰位 置信息计算得到信号的波特率。
一种电磁频谱监测全频域的系统， 包括 ：
信号获取单元， 用于获取中频接收机输出的时域信号 ；
信号转换单元， 用于将所述时域信号转换为频域信号 ；
计算单元， 用于计算所述频域信号循环谱的各特征截面 ；
监测单元， 用于利用信号转换结果和 / 或计算得到的循环谱的各特征截面进行电 磁频谱监测。
可选地， 所述监测单元包括以下任意一个或多个子单元 ：
信号检测子单元， 用于利用信号转换结果或其循环谱的各特征截面进行信号检 测；
调制方式识别子单元， 用于利用转换的频域信号及其循环谱的各特征截面识别信 号调制方式 ；
参数估计子单元， 用于利用信号循环谱的各特征截面进行信号参数估计。
可选地， 所述信号检测子单元包括 ：
第一检测子单元， 用于对信号转换结果进行功率检测 ； 或者
第二检测子单元， 用于提取所述循环谱的频率为 0 的 α 截面谱峰位置信息进行检 测。
优选地， 所述调制方式识别子单元， 具体用于提取信号循环谱的各特征截面的特 征来区分不同调制类型的信号。
可选地， 所述参数估计子单元包括以下任意一个或多个子单元 ：
载频估计子单元， 用于提取信号循环谱特征截面中包含信号载频信息的谱峰位置 信息， 并利用该谱峰位置信息计算得到信号的载频 ；
波特率估计子单元， 用于提取信号循环谱特征截面中包含信号波特率信息的次峰 位置信息， 并利用该次峰位置信息计算得到信号的波特率。
本发明实施例电磁频谱监测方法及系统， 针对电磁传感网应用的需求， 利用信号
离散傅立叶变换 (DFT) 结果和循环谱结果， 完全基于信号频域信息来完成信号检测、 参数 估计、 调制方式识别等电磁频谱监测任务。 无需存储大量的时域信号样本， 也无需时频域信 号的来回转换， 大大简化了电磁频谱监测的实现复杂度， 也易于进行硬件实现， 同时还能够 保证较灵活的算法可加载性， 可以较好地应用在传感器节点上， 实现面向电磁传感网的电 磁频谱监测。 附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例中所 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中记载的一 些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图 1 是本发明实施例电磁频谱监测方法的流程图 ；
图 2 是本发明实施例电磁频谱监测方法的一个具体应用示意图 ；
图 3 是本发明实施例电磁频谱监测系统的结构示意图。 具体实施方式 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案， 下面结合附图和实施 方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
如图 1 所示， 是本发明实施例电磁频谱监测方法的流程图， 包括以下步骤 ：
步骤 101， 获取中频接收机输出的时域信号。
假定中频接收机接收的信号已经完成模数转换、 下变频、 下抽取和预处理等步骤， 经过这些处理后的信号是一个具有更低频率和更低抽样速率的带通数字信号。其中 ：
模数转换是指将模拟信号转换为数字信号 ；
下变频处理是指将具有一定频率的输入信号， 转换成具有更低频率的输出信号， 通常不改变信号的信息内容和调制方式的过程 ；
下抽取处理是指以更低的速率对信号重新采样的过程 ；
预处理主要完成信号的分离及带宽、 载频等的粗估计。
上述这些处理也是现有技术中电磁频谱监测通常需要经历的处理步骤， 具体各处 理过程在此不再一一详细描述。
步骤 102， 将所述时域信号转换为频域信号。
具体地， 假设中频接收机输出的时域信号为 x(n)， 可以利用快速傅里叶变换算法 (FFT) 计算信号 x(n) 的 DFT 结果 X(k)。
步骤 103， 计算所述频域信号循环谱的各特征截面通常， 将统计特性呈周期或多周期平稳变化的信号统称为循环平稳或周期平稳信 号， 循环谱理论是研究分析周期平稳信号的主要方法。 循环谱密度函数 表示信号 x(t) 在频率 f+α/2 和 f-α/2 处的谱分量的相关 密度， 其中， f 是经典傅氏频谱中的频率， α 是循环频率变量。循环谱特征截面是指固定 f 所对应的 α 截面， 或者是固定 α 所对应的 f 截面。
比如， 可以计算得到信号循环谱 f ＝ 0 的 α 截面 等。6信号循环谱 f ＝ fc 的 α截面101977091 A CN 101977096
说明书4/6 页步骤 104， 利用信号转换结果和 / 或计算得到的循环谱的各特征截面进行电磁频谱监测。 可以进行的电磁频谱监测主要有以下任意一种或多种 ：
利用信号转换结果或其循环谱的各特征截面进行信号检测 ；
利用转换的频域信号和其循环谱的各特征截面识别信号调制方式 ；
利用信号循环谱的各特征截面进行信号参数估计。
下面分别对上述各种监测进行详细说明。
(1) 信号检测
在本发明实施例中， 可以通过多种方式实现对信号的检测。
比如， 可以通过对信号转换结果的功率检测， 完成电磁频谱监测所需的信号检测。
再比如， 由于噪声不具有循环平稳特性， 而信号则多具有循环平稳特性， 因此在噪 声循环谱 f ＝ 0 的 α 截面最大值位置应该在 α ＝ 0 的位置， 而信号则不然， 因此， 还可以 通过提取所述循环谱的各特征截面频率为 0 的截面谱峰位置信息的检测， 完成电磁频谱监 测所需的信号检测。
(2) 识别信号调制方式
在本发明实施例中， 可以识别的信号类型包括 ASK(Amplitude Shift Keying， 幅 移键控 )、 FSK(Frequency-shift keying， 频移键控 )、 MSK( 最小移频键控 )、 BPSK(Binary Phase Shift Keying， 二相相移键控 )、 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying 四相相移键 控 )、 8PSK(8 Phase Shift Keying， 8 移相键控 )、 QAM(Quadrature Amplitude Modulation， 正交振幅调制 ) 等多种常用的数字调制类型。
由于不同信号在循环谱特征截面上表现出不同特点， 因此可以通过提取信号循环 谱特征截面的特征来区分不同调制类型的信号。如 MSK 信号循环谱在 f ＝ 0 的 α 截面有 两根明显的谱峰， 而 2ASK 信号则只有一根谱峰， 那么通过提取该截面谱峰个数信息就可以 完成 MSK 和 2ASK 信号的识别。
(3) 信号参数估计
由于信号循环谱的 f ＝ fc 的 α 截面中次峰位置包含波特率信息， 而f＝0的α 截面谱峰位置包含信号载频信息， 因此可以通过提取相应截面的谱峰位置和 / 或次峰位置 信息来进行信号参数估计。比如 ：
可以提取信号循环谱特征截面中包含信号载频信息的谱峰位置信息， 利用该谱峰 位置信息计算得到信号的载频 ；
提取信号循环谱特征截面中包含信号波特率信息的次峰位置信息， 利用该次峰位 置信息计算得到信号的波特率 ；
当然， 本发明实施例中可估计的信号参数不仅限于上述载频、 波特率， 还可以进行 其他参数估计， 比如扩频参数等， 在此不再一一列举。
可见， 本发明实施例电磁频谱监测方法， 针对电磁传感网应用的需求， 利用信号离 散傅立叶变换 (DFT) 结果和循环谱结果， 完全基于信号频域信息来完成信号检测、 参数估 计、 调制方式识别等电磁频谱监测任务。 无需存储大量的时域信号样本， 也无需时频域信号 的来回转换， 大大简化了电磁频谱监测的实现复杂度。FFT 作为 DFT 的快速实现算法， 也易 于进行硬件实现， 同时还能够保证较灵活的算法可加载性， 可以较好地应用在传感器节点
上， 实现面向电磁传感网的电磁频谱监测。
本发明实施例电磁频谱监测方法， 主要利用信号的 DFT 结果和循环谱结果来实 现。采用循环谱方法可以带来以下两个方面的好处 ： 一方面由于循环谱特征截面包含丰 富的信息， 包括信号载频、 波特率、 带宽、 调制方式特征等， 为调制识别和参数估计提供了很 大的便利， 比如信号载频所对应的循环谱特征截面包含有信号的波特率信息及扩频参数信 息， f ＝ 0 的循环谱特征截面则包含了信号载频、 检测信号有无的特征和进行调制识别的很 多特征 ； 另一方面循环谱作为一种更加全面的信号分析工具利用信号的循环谱特征可以完 成大多数调制类型， 如 ASK、 FSK、 MSK、 BPSK、 QPSK、 8PSK、 QAM 等通信信号的调制识别与参数 估计。
如图 2 所示， 是本发明实施例电磁频谱监测方法的一个具体应用示意图。
在该示例中， 包括以下步骤 ：
步骤 201， 利用快速傅里叶变换算法 FFT 计算信号 x(n) 的 DFT 结果 ；
步骤 202， 利用信号 x(n) 的 DFT 结果计算信号循环谱特征截面， 如 步骤 203， 利用信号 x(n) 的 DFT 结果或信号循环谱特征截面进行信号检测 ；等；
步骤 204， 利用信号 x(n) 的 DFT 结果、 信号循环谱特征截面， 进行信号调制方式识 别， 信号类型包括 ASK、 FSK、 MSK、 BPSK、 QPSK、 8PSK、 QAM 等多种常用的数字调制类型 ；
步骤 205， 利用信号循环谱特征截面和信号调制方式识别的结果， 进行信号参数估 计， 估计参数包括信号的载频、 带宽、 波特率和扩频码参数等。
需要说明的是， 图 2 所示示例表示的仅仅是一个具体流程， 在实际应用中， 电磁频 谱的监测也可以只进行其中的一项或某几项监测， 而不限定必须按照上述流程来处理。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以 通过程序来指令相关的硬件来完成， 所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中， 所述的存储介质， 如： ROM/RAM、 磁碟、 光盘等。
相应地， 本发明实施例还提供了一种电磁频谱监测全频域的系统， 如图 2 所示， 是 该系统的一种结构示意图。
在该实施例中， 所述系统包括 ：
信号获取单元 301， 用于获取中频接收机输出的时域信号 ；
信号转换单元 302， 用于将所述时域信号转换为频域信号 ； 计算单元 303， 用于计算所述频域信号循环谱的各特征截面 ；
监测单元 304， 用于利用信号转换结果和 / 或计算得到的循环谱的各特征截面进 行电磁频谱监测。
其中， 所述监测单元 304 可以包括以下任意一个或多个子单元 ：
信号检测子单元， 用于利用信号转换结果或其循环谱的各特征截面进行信号检 测；
调制方式识别子单元， 用于利用转换的频域信号和及其循环谱的各特征截面、 识 别信号调制方式 ；
参数估计子单元， 用于利用信号循环谱的各特征截面进行信号参数估计。
其中， 各子单元可以有多种方式实现， 比如 ：
所述信号检测子单元包括 ： 第一检测子单元、 或者第二检测子单元。 所述第一检测 子单元用于对信号转换结果进行功率检测 ； 第二检测子单元用于提取所述循环谱的频率为 0 的 α 截面谱峰位置信息进行检测。
所述调制方式识别子单元， 可以通过提取信号循环谱的各特征截面的特征来区分 不同调制类型的信号。
所述参数估计子单元可以包括以下任意一个或多个子单元 ：
载频估计子单元， 用于提取信号循环谱特征截面中包含信号载频信息的谱峰位置 信息， 并利用该谱峰位置信息计算得到信号的载频 ；
波特率估计子单元， 用于提取信号循环谱特征截面中包含信号波特率信息的次峰 位置信息， 并利用该次峰位置信息计算得到信号的波特率。
当然， 本发明实施例中， 所述参数估计子单元并不仅限于上述结构， 还可以包含其 他参数估计子单元， 利用信号循环谱特征截面， 完成相应信号参数的估计， 比如带宽、 扩频 码参数等。
本发明实施例电磁频谱监测系统， 针对电磁传感网应用的需求， 利用信号离散傅 立叶变换 (DFT) 结果和循环谱结果， 完全基于信号频域信息来完成信号检测、 参数估计、 调 制方式识别等电磁频谱监测任务。无需存储大量的时域信号样本， 也无需时频域信号的来 回转换， 大大简化了电磁频谱监测的实现复杂度。FFT 作为 DFT 的快速实现算法， 也易于进 行硬件实现， 同时还能够保证较灵活的算法可加载性， 可以较好地应用在传感器节点上， 实 现面向电磁传感网的电磁频谱监测。
需要说明的是， 对于系统实施例而言， 由于其基本相似于方法实施例， 所以描述得 比较简单， 相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示 意性的， 其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的， 作为单 元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元， 即可以位于一个地方， 或者也可以分布到 多个网络单元上。 可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案 的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下， 即可以理解并实施。
以上对本发明实施例进行了详细介绍， 本文中应用了具体实施方式对本发明进行 了阐述， 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备 ； 同时， 对于本领域的 一般技术人员， 依据本发明的思想， 在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处， 综上所 述， 本说明书内容不应理解为对本发明的限制。