电台背景噪音检测基于时频域电磁波谱

文摘

电磁频谱资源是一种重要的国家资源。这是一个物理信道之间的船只和船舶之间的无线通信和广播电台。必须保证良好的沟通质量,因此迫切需要监视和分析环境电磁波谱的背景噪音。无线电频率的估计信号覆盖的目标区域在监控过程中具有重要意义的研究电磁频谱资源管理和控制。本文估计上面的信封,信封的背景噪音低目标频段基于时频域电磁波谱数据,结合了不同算法来估计背景噪声包络曲线。我们建立了固定检测节点和移动检测节点为特定电磁波谱施工区域和收集时频光谱数据在多个位置。瞬时频谱和收集数据的特定频率点进行比较,这是很难判断是否有一个有效的信号。本文是基于时频域电磁波谱数据项目的建筑面积和估计的背景噪音海岸电台频率乐队在当前环境下。它是基于时频域频谱的能量梯度估计,并得到目标的有效信号频带和结合噪声包络和有效信号的位置提高评估结果的背景噪音的信封。实验结果表明,背景噪声估计算法能反映变化的不同的目标频段的噪声地板。

1。介绍

电磁频谱资源是不可再生的资源。频谱资源的合理管理和控制无线通信服务的基本保证和安全。海事和船舶交通安全管理尤为重要,和海事通信服务从电磁频谱资源的支持是分不开的。为了确保船舶交通安全,满足不断增长的海上通信的需求,海上无线电起着非常关键的作用。之间进行无线通信的无线对讲机,船在海上和岸上被称为海洋无线对讲机。它也被称为一个海岸站。电台的背景噪音检测是确保接收站之间的通信质量和发送站。我们需要检测的背景噪音接收站找到附近的干扰来源广播频道。我们在海岸和收集谱数据估计环境背景噪音。估计结果起到至关重要的作用在研究如何提高沟通质量在海洋和海岸,可以有效改善海上航行的安全。

2。相关的

海岸站是指土地站致力于船舶运输和航运管理服务。它的主要功能是及时检测从船舶遇险报警,迅速转移警报有关搜救协调中心。它启动一个shore-to-ship遇险报警,搜救协调中心或搜救部门可以快速获得预警信息。它使用无线电接口之间的土地公共通信网络或专用通信网络和船站起到开关作用在搜索和救援协调沟通。常用的电磁频谱感知方法包括匹配滤波器检测,检测周期平稳特性,能量检测(ED)。与其他两种方法相比,ED的方法具有较高的实时性和可靠性。由于其简单性和适用性及其计算和实现成本低,ED构成了认知无线电频谱感知的首选方法1]。为了提高检测概率,它使用先验信息与主用户的频谱使用用于提高频谱感知性能。(2)提出了一种基于近似分析的阈值设定方法实现目标检测概率和虚警概率。(3]研究能量探测器基于双阈值的合作频谱感知机制在认知无线电网络中。噪声能量阈值的设置方法决定了有效信号的检测概率。(4]研究能量探测器基于双阈值的合作频谱感知机制在认知无线电网络中。作者提高频谱感知的探测概率提高频谱检测的空间维度。我们建议联合协作频谱检测方法来减少背景噪音的整体检测系统(5]。在二级用户无法大规模的认知无线电网络,共享公共谱由于有限覆盖的主要用户。(6扩散)提出了一个基于关联熵的自适应学习算法合作策略来实现公共频谱估计。

除了能量检测方法,许多学者也研究其他光谱传感方法。(7)提出了一种频谱感知方案基于自适应双阈值。作者比较了它与探测器光谱传感技术基于周期平稳特性。8分贝信噪比(信噪比),地中海的探测概率是36.1%高于周期平稳特性检测方法。(8)提出,工作周期(DC)和通道占用(软木)测量是用来描述的可用性空白在认知无线电系统(CRS)。(9]研究了联合射频损伤对频谱感知的影响CR系统基于能量检测的多通道的环境。特别是,如果瑞利衰落,作者提供了新颖的封闭表达式的概率评估检测和假警报。(10)提出了一种改进的信道占用估计(iCOR)方法,使用高虚警概率增加的敏感性没有高估通常与高虚警概率有关。基于时频域电磁波谱分析方法可以有效地提高估计的背景噪音。(11)提出了一种随机多径接收信号模型,发射机和接收机的定向天线和位于相同的矩形空间。在室内定位应用程序中,有必要消除家用电器的电磁干扰和背景噪音估计更重要。一些学者认为现有的频谱感知算法很难应用于实际应用,导致浪费渠道和能源资源,和[12)提出了一个节能算法去除频谱感应。该算法可以最大化能量利用率的前提下足够的通道可用时间,检测具有重要意义为减少网络部署的成本。

频谱使用为了提供有意义的数据,占用测量描述特定频带的利用率应该执行在一个特定区域而不是一个单一的位置。(13)描述了一种全面的方法来测量和分析频谱占用。(14)提出了一个基于贝叶斯推理的光谱扫描方法来估计信道占用。该方法考虑了错误检测概率和探测概率的光谱传感器通道占用更准确的估计。(8]分析的问题估计的主要通道和基于光谱传感决定和派生的封闭表达式所需的遥感样本大小。然而,将生成不同的背景噪声分布在不同的环境中,这将直接影响信道估计的准确性。的一个重要判断条件频谱占用噪声阈值估计,也称为背景噪声估计。电磁波谱数据库描述电磁环境作为一种重要的手段。(15)优化频谱感知基于IEEE 1900.6标准光谱数据库的支持。特别是在复杂的环境中,背景噪声估计的可靠性将直接影响电磁波谱数据库。背景噪声的精确估计的一个重要指标,提高频谱感知的准确性。(16)结合时频域电磁波谱数据解决问题的准确建模的频谱占用模式真正的无线电通信系统,这是认知无线电(CR)网络的一个重要方面的研究。(17]研究了时空机会检测的认知无线电网络频谱异构问题。作者提出,在给定的时间,二级用户(超自然)在不同的位置可能会遇到不同的频谱访问机会。背景噪声的估计信封的时频域频谱将直接影响目标的占用频带由二级用户。

3所示。工作

我们专注于电磁频谱检测方法基于时频域能量检测数据。方法简单和适用,具有较高的实时性和可靠性。我们提出一个目标频段背景噪音估计基于时频域电磁频谱检测方法。估计背景噪音的波动范围根据最大保存方法和最低保存方法,结合了不同算法来估计背景噪声包络曲线。最后,结合收集到的电磁波谱数据分析和估计目标的背景噪声频带。

4所示。基于时频域电磁频谱检测

海岸电台为船只提供日常公共通信服务,充当中继用户和船舶之间,广播航行警告、天气预报、船舶和其他海上应急和安全信息。其操作频率是由国际电信联盟(ITU)和识别海岸电台由9 00开始小数位数。频谱分布由每个频率点的能量,它是影响自由空间传播损耗和特殊的地理环境,以及检测瞬时电磁波谱数据波动在一定程度上。有必要进行预处理中的电磁波谱数据时频域精确获得目标的背景噪声频带。

4.1。能量检测和预处理

收集到的无线电频率数据进行快速傅里叶变换(FFT)获得能源值在不同频率点。能量检测方法可以表示为 在哪里被定义为噪音,然后呢被定义为有效信号。是噪声数据,是信号数据,是信道参数。代表一个特定的频率点。代表了能量检测频率值后目标频段经过FFT。

(1)代表一个能量检测的结果目标频段。可以区分有效信号和背景噪声阈值设定方法。当处理频带的能量分布数据目标,许多研究人员将使用水平线阈值方法来区分噪声和有效信号。阈值的选择直接影响错误检测的概率( )和错过的概率检测( )的频谱感知。假设设置阈值 。当略大于 ,大部分的噪声可以准确地确定。然而,将因环境因素波动,有差异吗在不同的频段。作为增加,弱信号被判定为噪声的概率增加。作为减少,噪声被判断为一个有效信号的概率增加(见图1)。因此,它设置一个合适的确保低和 ,如阴影部分,如图所示1。通过这种方式,可以提高频谱感知的检测概率。

在复杂的环境中,噪声频谱能量的波动频率乐队将会相对较大。这将导致更高的在频谱检测。在无线通信系统中,噪声可以被描述为一个正态分布。因此,波动可以平滑噪声的平均频谱检测的多个帧的数据。它假设帧的时频域频谱数据收集。它可以表示为 在哪里定义了光谱数据的时频域频谱 - - - - - -框架。

为了计算目标的背景噪音信封频带在当前环境下,我们建议的下包络估计背景噪音的最低持有电磁波谱的方法在时频域估计的上包络背景噪音和电磁波谱的最大保存方法在时频域。背景噪音的上包络估计可以表示为

的下包络估计可以表示为背景噪音

如果信号中存在目标频段是一个不连续的信号,最低持有方法用于估计噪声包络。最大的保存方法估计的最大噪声阈值的波动,这可以避免设置过高噪音阈值导致更高 。

4.2。背景噪声估计

后获得上信封,信封的背景噪音较低,有效信号需要过滤掉。向前差分算法来估计自适应阈值曲线(ATC)用于估计噪声包络(5]。信封的信号实际上是透过调整变量 。根据(2),计算的平均值帧的数据平滑瞬时频谱。瞬时频谱的有效信号可以被视为一个脉冲波形。有两个大的斜坡绝对值之前和之后的中心频率。它假设相邻光谱数据被定义为之间的区别 ,提出计算相邻频点之间的光谱差异分布。它可以表示为

它集频谱的不同阈值,并在比较和计算相邻频率光谱之间的区别,这法官的前后边缘脉冲信号。的光谱能量信号过滤掉,和输出噪声曲线。它可以表示为 频点的定义是在哪里 ,阈值被定义为的区别 ,和输出对应于每个频率点的噪声曲线被定义为 。

瞬时频谱数据很难提高有效信号的探测效率。为了有效地估计出背景噪音,我们提出一个识别和定位方法结合有效信号来提高光谱的探测概率。根据时频域谱数据,计算相邻谱的梯度,边缘上升和下降沿边界的有效信号。它假设RSSI的频率和时间 ,和时频域能量矩阵可以得到。它可以表示为

通常有两种方法对梯度计算,包括水平梯度和垂直梯度。它可以表示为

随着时间的变化,信号的频谱主要分布在某些频率点。因此,我们使用横向梯度能量梯度矩阵。它可以表示为

最后,法官是否有效信号的上边缘或较低的边缘梯度值的大小。目标的有效信号频带可以标记,和背景噪声区域可以同时获得。

5。检测和分析

海岸电台34工作频率点,分布2 MHz至23 MHz频带。测试设备是安捷伦N9342C射频分析仪,便携式手持场强计,北斗定位终端、笔记本电脑和其他相关设备。试验场地的条件如下:(1)1天线领域,建立一个固定的测试点,继续测试(2)在建设工程领域,移动测试点设置共有3 a / B / C,主要测试临时天线区域的背景噪声建成(a / B)和短途建筑面积(C点)。a / B / C计划测试位置,可以选择和一个合适的位置附近来测试根据网站的实际情况(3)根据实际情况,最终确定和固定测试点设置无线电室(因为它需要连接到收音机的短波天线)。有4个移动测试点(包括站内)。测试点的收音机(4)计算机房,点建设项目在西南端,点B东南一侧的建设项目,和C点东北的建设项目

移动监控的点,一个手持式射频场强计用于测试。每四小时,便携式场强计用于测试各种移动监视点。移动测量记录每个频率点的信号强度。背景噪音的影响决定根据不同能量波动的频率点(见图2)。测试结果如表所示1。2 MHz-8 MHz频带的信号强度是-90 dBm - -100 dBm,和12 MHz-22 MHz频带的信号强度是-100 dBm - -110 dBm。它是基于测试数据的分析,其他三个移动点,和整个测试频段的信号强度是-100 dBm - -110 dBm。4207.5 kHz的频率移动监控点被选中。测试数据进行比较后,可以初步确定背景噪音约-95 dBm (2 MHz 8 MHz频带)和-105 dBm (12 MHz-22 MHz频带)。我们收集了时频域频谱中心频率为2.1745 MHz, 4.125 MHz, 6.209 MHz, 12.26 MHz, 16.762 MHz,和18.819兆赫,采样带宽230 kHz,采样间隔是0.5 kHz,以确保它可以涵盖所有的信号频率点表1。

2.1745 MHz的背景噪音,4.125兆赫和6.209 MHz频段是-100 dBm(见图3)。频带中的背景噪声包络波动不大。有效信号的频率点的位置也可以清楚地确定从时频域频谱。线性阈值可用于快速确定噪声和有效信号。12.26 MHz的背景噪音,16.762兆赫和18.819 MHz频段是-105 dBm(见图4)。2 MHz-6 MHz频段相比,这个频段的总体背景噪音减少5分贝。如果相同的阈值决定的概率,错过了检测弱信号的频带越高,最终将影响整个检测概率。时频域谱也被称为瀑布图。水平轴代表频率,纵轴代表时间,图中的颜色代表接收到的信号强度(接收信号强度指示)。较暗的颜色(红色),RSSI越强,较轻的颜色(蓝色),RSSI的弱。比较2的RSSI MHz-6 MHz频带和12 MHz-18 MHz频带,整个背景噪音低频段的能量较高。低频带,背景噪音的能量波动随着时间的推移,这将埋葬在噪声和弱信号的概率增加了检测。难以识别的有效信号瞬时频率谱,如红色箭头的位置所示图3 (c)。然而,通过分布的时频域谱图,可以清楚地发现,有一个信号通道,如红色框的位置,如图所示3 (c)。在高频段,背景噪声能量低,所以更容易判断微弱信号。然而,不能设定一个固定的能量阈值,因为它是不适合在完整的频谱信号检测。

在固定的监视点,安捷伦频谱分析仪用于收集在时频域电磁波谱数据。频谱分析仪的参数设置如下:为了覆盖所有频点,时间跨度设置为230 kHz,分辨率带宽(RBW)是1 kHz,视图带宽(VBW)是1 kHz,参考水平是-40 dBm,衰减是0分贝,采样间隔是100 ms。收集到的光谱数据保存在一个CSV文件大小约为8 MB的1500帧数据。时频域宽带扫描范围的频谱分析仪是2 MHz-23 MHz,结果如图5。在低频段和中间频段,信号接收强度强,和多个信号脉冲可以清楚地观察到。信号环境都伴随着更高的噪声能量,和地板约-80 dBm - -90 dBm。在高频段噪声地板约-100 dBm - -110 dBm。

瞬时频谱的特定频段的高频、甚高频如图6。甚高频的背景噪音频谱高频频谱相对持平。甚高频谱的假设 ,大部分的噪声可以判断,如图6(一)。对高频频谱,假设 ,如图6 (b)。然后,乐队的声音是被认为是一个有效的信号,和较高。弱信号在乐队B都判定为噪声,和较高。传统的线性阈值设定方法不适合宽带频谱扫描任务由于其自己的特点。此外,阈值的值需要大量的先验光谱检测数据来确定,和实际应用过程相对繁琐,费时又费力。

因为移动监测节点及时性差测量瞬时频谱时,它不能准确分析电磁频谱环境。因此,有必要分析目标的背景噪声频带基于时频域电磁波谱数据。为了减少噪声波动的影响,它执行平均平滑处理多帧检测数据根据(2)。平滑后的数据图所示7。

有必要减少噪声频带的能量波动变化。然后计算上信封,信封的背景噪音低(3)和(4)(见图8)。信封背景噪音可以适应背景噪声曲线下的瞬时谱。信封上的背景噪音的最大阈值可以作为背景噪声阈值设置。不同的频段,背景噪声包络估计基于时频域电磁波谱可以动态地估计噪声地板上。

根据(5)和(6),较低的有效信号包络过滤背景噪声下(见图9)。其中,参数的设置为0.282 dBm。

在这个时候,它调整的背景噪音的最大阈值上信封,最后得到目标中的背景噪声包络曲线频带。其中,背景噪音信封是增加了8分贝。获得的背景噪声包络曲线可以描述不同频段的噪声地板(见图10)。

接收的信号,晚上比白天好。从噪声的角度来看,是有区别的大约20分贝噪声地板之间的测试在白天,晚上噪音楼测试。固定的接待情况监测点比移动监控的点,和附近的接待情况更糟糕的是建设测试点,可以从不同的监测节点收到的数据。光谱数据在时频域中,瞬时谱的背景噪音估计有一定的局限性。它结合了时频域能量梯度矩阵,有效目标频段的信号可以迅速和有效地估计。根据(9)和信号边缘估计方法的结果获得有效信号时频域谱估计(见图11)。图(11日)显示了时频域频谱数据的频带。有效信号的上边缘被标识为一个红色的线,和较低的边缘是用蓝线,如图11 (b)。

虽然能量梯度估计方法可以估计的有效信号结合时频域频谱数据,仍有一定的概率错过不连续信号检测的检测。这也是一个将着重解决的问题的后续研究。

6。结论

检测和估计的电磁频谱环境的背景噪音海岸电台发挥重要作用在这个地区测量无线通信的质量。我们建议估计上信封,信封的背景噪音低的最大保存方法和最低保存方法,分别。结合向前差分算法,估计背景噪声包络曲线。时频域电磁波谱数据处理后,不同的目标频段的噪声地板是估计的,和海岸电台的通信质量判断。该方法结合时频域能量梯度估计,目标的有效信号频带可以快速估计,根据估计的背景噪音信封和有效信号,基于时频域的背景噪音频谱可以准确地确定。在后期,我们将研究无线电干扰来源基于时频域数据的检测和识别方法。

数据可用性

本文中涉及到的数据都是通过设备获得的安捷伦N9342C射频分析仪。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢赞助的这项研究是由中国国家自然科学基金(62101166)和研究生创新研究项目在海南省普通高校(hys2020 - 216)。

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