软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计方法与系统

技术领域

本发明属于通信传输技术领域，涉及一种软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计方法与系统。

背景技术

数字信号调制识别技术是通信信号侦察领域的一项关键技术，在未知信号调制方式的情形下，对信号调制方式进行盲识别是信号盲解调的关键步骤，当调制方式被识别后在双方对抗时发送已知频段包括频点和带宽的相同调制方式的信号能对指定目标进行饱和阻塞式干扰，从而达到通信对抗训练的目的。

在本领域中，常规的数字信号包括ASK（幅度调制）、FSK（频率调制）、MSK（最小频移键控）、PSK（相位调制）和QAM(正交幅度调制)，对于前三种制式信号其幅频响应一般会出现明显的离散谱线，因此利用FFT（快速傅里叶变换）处理后根据离散谱线的多少即可进行识别分类。而PSK/QAM信号的频谱特性是平整的无明显离散谱线，类似于扩频信号频谱特性，而通常调制端为了降低带外干扰对此类信号进行过采样并且加成型滤波器，这样接收端再利用匹配滤波即可完成合作解调。但是对于这类信号的盲识别必须知道其过采样倍数，过采样倍数等于采样率除以信号带宽，因此，对于此类信号的带宽估计尤为重要。

发明内容

针对上述传统方法中存在的问题，本发明提出了一种软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计系统和一种软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计方法，能够大幅提高带宽估计的准确度。

为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一方面，提供一种软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计方法，包括步骤：

获取传输过来的待盲识别数字信号；

对待盲识别数字信号进行快速傅里叶变换处理后提取信号幅度谱；

对信号幅度谱进行均值滤波的平滑处理；均值滤波的滤波窗口大小等于快速傅里叶变换的信号长度/50；

在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出频率中间值点；

利用频率中间值点计算得到待盲识别数字信号的带宽估计值。

在其中一个实施例中，在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出频率中间值点的步骤，包括：

在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出幅度最大值点；

由幅度最大值点向曲线两侧搜索找到幅度为幅度最大值的一半的第一临界点和第二临界点；

根据第一临界点和第二临界点确定频率中间值点；频率中间值点为第一临界点和第二临界点的频率之和的一半。

在其中一个实施例中，频率中间值点为幅频响应曲线上的幅度最大值点对应的频点。

在其中一个实施例中，利用频率中间值点计算得到待盲识别数字信号的带宽估计值的步骤，包括：

获取频率中间值点的幅度值；

在第一临界点向左的频率搜索长度内查找最小幅度值；频率搜索长度为第二临界点与第一临界点的频率之差的一半；

由幅频响应曲线的幅度最大值点向曲线两侧搜索出幅度值等于特定值的第三临界点和第四临界点；特定值等于频率中间值点的幅度值与最小幅度值之和的一半；

根据快速傅里叶变换的信号长度、均值滤波的采样率、第三临界点和第四临界点计算得到待盲识别数字信号的带宽估计值。

另一方面，还提供一种软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计系统，包括：

信号获取模块，用于获取传输过来的待盲识别数字信号；

信号变换模块，用于对待盲识别数字信号进行快速傅里叶变换处理后提取信号幅度谱；

均值滤波模块，用于对信号幅度谱进行均值滤波的平滑处理；均值滤波的滤波窗口大小等于快速傅里叶变换的信号长度/50；

中值查找模块，用于在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出频率中间值点；

带宽估计模块，用于利用频率中间值点计算得到待盲识别数字信号的带宽估计值。

在其中一个实施例中，中值查找模块包括：

最大值子模块，用于在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出幅度最大值点；

第一临界子模块，用于由幅度最大值点向曲线两侧搜索找到幅度为幅度最大值的一半的第一临界点和第二临界点；

中值确定子模块，用于根据第一临界点和第二临界点确定频率中间值点；频率中间值点为第一临界点和第二临界点的频率之和的一半。

在其中一个实施例中，频率中间值点为幅频响应曲线上的幅度最大值点对应的频点。

在其中一个实施例中，带宽估计模块包括：

中幅子模块，用于获取频率中间值点的幅度值；

最小幅子模块，用于在第一临界点向左的频率搜索长度内查找最小幅度值；频率搜索长度为第二临界点与第一临界点的频率之差的一半；

第二临界子模块，用于由幅频响应曲线的幅度最大值点向曲线两侧搜索出幅度值等于特定值的第三临界点和第四临界点；特定值等于频率中间值点的幅度值与最小幅度值之和的一半；

带宽计算子模块，用于根据快速傅里叶变换的信号长度、均值滤波的采样率、第三临界点和第四临界点计算得到待盲识别数字信号的带宽估计值。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

上述软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计方法与系统，通过获取外界空间中传输过来的待盲识别数字信号后，对其进行快速傅里叶变换处理而转到频域后提取信号的信号幅度谱，从而得到该信号的幅频响应曲线。然后对得到的信号幅度谱进行均值滤波的平滑处理，以利用幅频响应的纵轴值（幅度）特性，加均值滤波对幅频响应进行平滑，确保能较准确的估计出带宽大小。进而在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出频率中间值点，利用该频率中间值点计算得到待盲识别数字信号较为精确的带宽估计值。

相比于传统技术，上述技术方案基于升余弦成型滤波方式，利用幅频响应的纵轴值特性，首次利用到了加均值滤波对幅频响应进行平滑，能较准确的估计出带宽大小，估计带宽误差极小并且算法实现简单高效。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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申请的一些实施例，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的附图。

图1为一个实施例中软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计方法的流程示意图；

图2为一个实施例中升余弦成型滤波器的特征原理说明示意图；

图3为一个实施例中频率中间值点获取的流程示意图；

图4为一个实施例中均值滤波前的幅频响应曲线图；

图5为一个实施例中均值滤波后的幅频响应曲线图；

图6为一个实施例中带宽估计过程的流程示意图；

图7为一个实施例中不同信噪比下带宽估计相对误差随FFT尺寸的变化示意图；

图8为一个实施例中软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计系统的模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置展示该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。

本领域技术人员可以理解，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

针对传统的信号盲识别技术中存在的带宽估计准确性不高的技术问题，本发明的设计构思是：基于升余弦成型滤波的方式，利用幅频响应的纵轴值特性，加均值滤波对幅频响应进行平滑，能较准确的估计出带宽大小，相对于其他传统的带宽估计方法，本发明首次使用了均值滤波对频谱特性进行平滑，在高信噪比以及较大FFT尺寸条件下，估计带宽误差可以控制在10Hz量级，并且算法实现简单高效。

下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施方式进行详细说明。

请参阅图1，在一个实施例中，提供了一种软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计方法，可以包括如下处理步骤S12至S20：

S12，获取传输过来的待盲识别数字信号。

S14，对待盲识别数字信号进行快速傅里叶变换处理后提取信号幅度谱。

S16，对信号幅度谱进行均值滤波的平滑处理；均值滤波的滤波窗口大小等于快速傅里叶变换的信号长度/50。

S18，在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出频率中间值点。

S20，利用频率中间值点计算得到待盲识别数字信号的带宽估计值。

可以理解，待盲识别数字信号是指当前应用场景的空间中传输过来的信号调制方式未知、需要进展信号调制方式盲识别的待识别信号，通过估计出该信号的带宽，即可确定该信号的过采样倍数，进而可以获知该信号的调制方式，从而实现对该信号的识别分类。

如图2所示，为升余弦成型滤波器的特征原理说明示意图，由图2可知，对于4倍过采样的升余弦成型滤波器，假设采样率fs=160MHz，40MHz即为带宽，位于61～101MHz的该频段范围即为有效带宽。而带宽边缘临界值1.076dB恰好是频率中间值点80MHz的2.094dB的一半大小，并且由于滚降系数等于0.35，大致等于（61-54）/20。滚降系数范围0～1，当滚降系数等于0时，升余弦成型滤波器等价于矩形滤波器（未做滤波）；当滚降系数等于1时，升余弦成型滤波器的拖尾长度刚好等于带宽的一半即20MHz。利用该特性，本实施例通过前述各步骤来进行高效的精确带宽估计。

具体的，在获取空间中传输过来的待盲识别数字信号后，通过快速傅里叶变换（FFT）处理将其变换到频域，从而得到该信号的信号幅度谱，也即获取该信号的幅频响应曲线。为了使该幅频响应曲线能够利用前段所介绍的升余弦成型滤波器的特性进行精确的带宽估计，需要确保该幅频响应曲线是光滑的，因此对该幅频响应曲线进行均值滤波，使其变为光滑的幅频响应曲线。进而可以在该幅频响应曲线上查找出频率中间值点，最终由找到的频率中间值点即可获知该待盲识别数字信号的带宽估计值，可用于反推得到该信号的调制方式，实现对该待盲识别数字信号的盲识别。

上述软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计方法，通过获取外界空间中传输过来的待盲识别数字信号后，对其进行快速傅里叶变换处理而转到频域后提取信号的信号幅度谱，从而得到该信号的幅频响应曲线。然后对得到的信号幅度谱进行均值滤波的平滑处理，以利用幅频响应的纵轴值（幅度）特性，加均值滤波对幅频响应进行平滑，确保能较准确的估计出带宽大小。进而在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出频率中间值点，利用该频率中间值点计算得到待盲识别数字信号较为精确的带宽估计值。

相比于传统技术，上述技术方案基于升余弦成型滤波方式，利用幅频响应的纵轴值特性，首次利用到了加均值滤波对幅频响应进行平滑，能较准确的估计出带宽大小，估计带宽误差极小并且算法实现简单高效。

需要说明的是，上述方法的各步骤，都可以采用软件定义的方式来分别将各步骤封装为相应功能的组件，例如本领域采用软件无线电设备的通信系统，通过在通用的通信信号传输处理设备硬件中安装相应组件并根据方法执行的流程顺序来建立各组件之间的通信连接，从而可以通过软件定义的组件的运行来实现上述方法的各步骤的相应功能，而且还可以以软件定义的方式支持不同处理参数的在线设置，例如但不限于设置滤波窗口，改变快速傅里叶变换的信号长度等，以使上述方法能够适用于不同的信号盲识别场景。

在一个实施例中，频率中间值点为幅频响应曲线上的幅度最大值点对应的频点。

可以理解，在本实施例中，对均值滤波后的幅频响应曲线图，也存在部分情形是频率中间值点为幅频响应曲线上的幅度最大值点对应的频点，此时，可以在均值滤波处理后，直接在均值滤波后的幅频响应曲线图上进行频率中间值点查找，从而可以快速获取频率中间值点，以用于快速计算得到待盲识别数字信号的带宽估计值，例如频率中间值点的频率值的一半，即为带宽估计值。

在一个实施例中，如图3所示，关于上述的步骤S18，可以具体包括如下处理步骤S182至S186：

S182，在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出幅度最大值点。

S184，由幅度最大值点向曲线两侧搜索找到幅度为幅度最大值的一半的第一临界点和第二临界点。

S186，根据第一临界点和第二临界点确定频率中间值点；频率中间值点为第一临界点和第二临界点的频率之和的一半。

可以理解，在本实施例中，对均值滤波后的幅频响应曲线图，也存在部分情形下，频率中间值点未必是幅度最大值点对应的频点（为便于描述，可以将幅度最大值点记为index0），只有找到频率中间值点才能精确估计带宽，因此首先需要找到曲线上的幅度最大值M，其对应的曲线点即为幅度最大值点index0。由于曲线拖尾处单调下降，由幅度最大值点index0向曲线两边搜索找到纵轴（代表幅度）等于M/2的第一临界点index1和第二临界点index2（其中，在横轴（频率）上，index1

如图4所示，为其中一个示例中均值滤波前的幅频响应曲线图，如图5所示为该示例中2000点均值滤波后的幅频响应曲线图，由两图中可以明显看到均值滤波后的曲线变得光滑很多。在这里，若假设FFT 的尺寸（信号长度）设为100000Hz，均值滤波点数设为2000个频点，根据升余弦成型滤波器的滤波原理可以推断均值滤波后的频率中间值点相对于滤波前向前挪动了1000个频点，这在计算频偏估计时需要相应的补偿进去。特别地，假设FFT尺寸记为L，那么设计均值滤波窗口大小等于L/50。

在一个实施例中，如图6所示，关于上述的步骤S20，可以具体包括如下处理步骤S202至S208：

S202，获取频率中间值点的幅度值；

S204，在第一临界点向左的频率搜索长度内查找最小幅度值；频率搜索长度为第二临界点与第一临界点的频率之差的一半；

S206，由幅频响应曲线的幅度最大值点向曲线两侧搜索出幅度值等于特定值的第三临界点和第四临界点；特定值等于频率中间值点的幅度值与最小幅度值之和的一半；

S208，根据快速傅里叶变换的信号长度、均值滤波的采样率、第三临界点和第四临界点计算得到待盲识别数字信号的带宽估计值。

可以理解，在光滑的前述曲线上取频率中间值点后，还可以通过本实施例的计算方式来实现更加精确的带宽估计。具体的，对光滑的前述曲线取该频率中间值点的纵轴值M0，再从第一临界点index1出发，向左取频率搜索长度W=（index2-index1）/2，找到这段范围内的最小纵轴点值N0（即最小幅度值）。这样处理是考虑到滚降系数最大等于1时，拖尾长度恰好等于带宽。取特定值M1=（M0+N0）/2，由幅度最大值点index0向两边搜索找到纵轴值等于M1的第三临界点index3和第四临界点index4（其中，在横轴上，index3

如此，通过上述巧妙精简的设计思路，首次利用均值滤波取频率中间值点，同时考虑了滤波器拖尾处叠加了噪声，实现带宽的精确估测，后续只需要对接收信号进行过采样倍数抽取即可进行调制识别，不需要匹配滤波也可进行通信传输对抗处理。以下通过具体实施方式的验证举例，利用仿真结果图说明带宽估计的准确性，随信噪比以及FFT尺寸变化。当带宽被精确估计出来后，过采样率N=fs/Bw也可精确估测。

在其中一个实验示例中，可以设采样率fs等于2MHz，符号速率也即带宽等于500KHz，也就是4倍过采样，采用BPSK（二进制相移键控）信号分别加上15dB、30dB和50dB的高斯噪声，设定不同FFT尺寸由10000～1000000Hz之间变化时带宽估计的相对误差，相对误差计算公式为abs（B_Esti-500KHz）/500KHz，其中，B_Esti为实际值。

仿真结果如图7所示，由该图可见，信噪比较高时带宽估计较准确，而FFT尺寸做到大于100000Hz时基本带宽估计准确，最小相对误差等于2.469e

应该理解的是，虽然上述流程图1、图3和图6中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且上述流程图1、图3和图6的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图8所示，提供一种软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计系统100，包括信号获取模块11、信号变换模块13、均值滤波模块15、中值查找模块17和带宽估计模块19。其中，信号获取模块11用于获取传输过来的待盲识别数字信号。信号变换模块13用于对待盲识别数字信号进行快速傅里叶变换处理后提取信号幅度谱。均值滤波模块15用于对信号幅度谱进行均值滤波的平滑处理；均值滤波的滤波窗口大小等于快速傅里叶变换的信号长度/50。中值查找模块17用于在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出频率中间值点。带宽估计模块19用于利用频率中间值点计算得到待盲识别数字信号的带宽估计值。

可以理解，关于本实施例中各特征的解释说明，可以参照上述软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计方法的相应特征的解释说明同理理解，在此不再赘述。

上述软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计系统100，通过获取外界空间中传输过来的待盲识别数字信号后，对其进行快速傅里叶变换处理而转到频域后提取信号的信号幅度谱，从而得到该信号的幅频响应曲线。然后对得到的信号幅度谱进行均值滤波的平滑处理，以利用幅频响应的纵轴值（幅度）特性，加均值滤波对幅频响应进行平滑，确保能较准确的估计出带宽大小。进而在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出频率中间值点，利用该频率中间值点计算得到待盲识别数字信号较为精确的带宽估计值。

相比于传统技术，上述技术方案基于升余弦成型滤波方式，利用幅频响应的纵轴值特性，首次利用到了加均值滤波对幅频响应进行平滑，能较准确的估计出带宽大小，估计带宽误差极小并且算法实现简单高效。

在一个实施例中，中值查找模块17进一步的可以包括如下子模块：最大值子模块，用于在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出幅度最大值点。第一临界子模块，用于由幅度最大值点向曲线两侧搜索找到幅度为幅度最大值的一半的第一临界点和第二临界点。中值确定子模块，用于根据第一临界点和第二临界点确定频率中间值点；频率中间值点为第一临界点和第二临界点的频率之和的一半。

在一个实施例中，频率中间值点为幅频响应曲线上的幅度最大值点对应的频点。

在一个实施例中，带宽估计模块19进一步的可以包括如下子模块：中幅子模块，用于获取频率中间值点的幅度值。最小幅子模块，用于在第一临界点向左的频率搜索长度内查找最小幅度值；频率搜索长度为第二临界点与第一临界点的频率之差的一半。第二临界子模块，用于由幅频响应曲线的幅度最大值点向曲线两侧搜索出幅度值等于特定值的第三临界点和第四临界点；特定值等于频率中间值点的幅度值与最小幅度值之和的一半。带宽计算子模块，用于根据快速傅里叶变换的信号长度、均值滤波的采样率、第三临界点和第四临界点计算得到待盲识别数字信号的带宽估计值。

关于软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计系统100的具体限定，可以参见上文中软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计方法的相应限定，在此不再赘述。上述软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计系统100中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于具备通信传输信号处理功能的设备中，也可以软件形式存储于前述设备的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作，前述设备可以是但不限于本领域已有的各型通信传输信号的处理设备。

在一个实施例中，还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如下处理步骤：获取传输过来的待盲识别数字信号；对待盲识别数字信号进行快速傅里叶变换处理后提取信号幅度谱；对信号幅度谱进行均值滤波的平滑处理；均值滤波的滤波窗口大小等于快速傅里叶变换的信号长度/50；在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出频率中间值点；利用频率中间值点计算得到待盲识别数字信号的带宽估计值。

可以理解，上述计算机设备除上述述及的存储器和处理器外，还包括其他本说明书未列出的软硬件组成部分，具体可以根据不同应用场景下的具体计算机设备的型号确定，本说明书不再一一列出详述。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还可以实现上述软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计方法各实施例中增加的步骤或者子步骤。

在一个实施例中，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如下处理步骤：获取传输过来的待盲识别数字信号；对待盲识别数字信号进行快速傅里叶变换处理后提取信号幅度谱；对信号幅度谱进行均值滤波的平滑处理；均值滤波的滤波窗口大小等于快速傅里叶变换的信号长度/50；在信号幅度谱经平滑处理后得到的幅频响应曲线上查找出频率中间值点；利用频率中间值点计算得到待盲识别数字信号的带宽估计值。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时，还可以实现上述软件定义框架的升余弦成型滤波带宽估计方法各实施例中增加的步骤或者子步骤。

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流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线式动态随机存储器（RambusDRAM，简称RDRAM）以及接口动态随机存储器（DRDRAM）等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可做出若干变形和改进，都属于本申请保护范围。因此本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。