信號的時頻域檢測方法及在頻譜監(jiān)測中的應(yīng)用.pdf

1、自從1807年Fourier發(fā)明Fourier變換以來，頻譜分析已經(jīng)成為信號處理的重要工具之一。然而在分析時變信號時，即信號的頻譜含量隨時間變化的信號，頻譜分析卻存在著缺點。它無法給出信號的某一頻率分量發(fā)生在哪一時刻。因此人們開始著手研究用時頻分析(TFA，time-frequency analysis)的方法表示時變信號。近幾十年來，時頻分析的研究工作取得了巨大的進(jìn)展。各種時頻分析的方法不斷涌現(xiàn)，理論日臻完善。時頻分析主要從時間-頻率

2、聯(lián)合空間對信號進(jìn)行刻畫和表示，它已經(jīng)成為時變信號分析的強(qiáng)有力的工具之一。最具代表性的時頻分析方法主要有Cohen類和Gabor譜圖等。chirp信號是一種典型的時變信號，它在雷達(dá)等探測領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。近幾年來，chirp信號的檢測成為研究的熱點之一。許多針對chirp信號的檢測的方法被提了出來。離散chirp-Fourier變換(DCFT, discrete chirp-Fourier transform)就是其中方法之一。它主要

3、從頻率-調(diào)頻率域?qū)hirp信號進(jìn)行分析。論文主要基于時頻分析對時變信號的檢測和分析進(jìn)行了研究，并將時頻分析的方法應(yīng)用到無線電頻譜監(jiān)測方面。主要內(nèi)容包括：
　　 (1)時頻分析基本問題的研究。論述了論文工作所涉及的主要時頻分析的基本問題和相關(guān)理論。主要包括Cohen類的設(shè)計思想、一般性質(zhì)及其局限性，時頻交叉項與聚集性及對信號分析的影響，AOK時頻分析方法及其優(yōu)點。此外，研究了離散時頻分布的快速算法、周期特性、反混疊方法和計算復(fù)雜

4、度。
　　 (2)利用閾值多譜圖去除Wigner分布的交叉項的方法。眾所周知，Wigner分布雖然具有最好的時頻聚集性和良好的數(shù)學(xué)性質(zhì)，但是多分量信號的Wigner分布存在著嚴(yán)重的交叉項。抑制Wigner分布交叉項的傳統(tǒng)方法一般依賴于模糊域中的兩維低通濾波。根據(jù)譜圖特殊的交叉項機(jī)理，即在時頻域中交叉項存在于自項支撐區(qū)域的交疊處，提出了一種從多分量信號的Wigner分布中去除交叉項，同時保持信號每個分量自項的時頻聚集性的新方法。這

5、種方法主要基于Wigner分布中自項支撐的有效估計。首先，計算具有不同方向的高斯線性調(diào)頻窗(GLCW)的譜圖，通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)閾值和閉算子等處理來估計每個譜圖的支撐集。然后，所有被估計的支撐集的交集作為Wigner分布的自項支撐的估計。通過限制Wigner分布自項支撐在交集上，獲得了一種能夠去除絕大部分交叉項，同時保持自項幾乎不變的新的時頻分布。此外，論文還詳細(xì)討論和定義了高斯線性調(diào)頻窗譜圖集的聯(lián)合分辨力。
　　 (3)修正Gab

6、or譜圖的新方法。Gabor譜圖是一種不同于Cohen類的時頻分布。它的主要思想是將信號分解為由時間采樣和頻率采樣組成的時頻網(wǎng)格上加權(quán)的Gabor基本函數(shù)，計算這些加權(quán)的基本函數(shù)的Wigner分布，獲得了Gabor譜圖。它的特點是：隨著計算階數(shù)越大，時頻分辨力越好，但交叉項越嚴(yán)重。譜圖具有特殊的交叉項機(jī)理，即交叉項僅存在于自項的支撐區(qū)域的交疊處。Gabor系數(shù)是短時Fourier變換的采樣。通過限制Gabor譜圖在Gabor系數(shù)所估計的

7、支撐區(qū)域內(nèi)，獲得了修正的Gabor譜圖。修正的Gabor譜圖去除了大部分Gabor譜圖中存在的交叉項，達(dá)到了很好的時頻表示結(jié)果。新方法與原方法相比主要具有三個方面的優(yōu)點。首先，由于僅計算時頻平面上所估計的自項支撐區(qū)域內(nèi)的Gabor譜圖，減少了運算量；其次，在盡量保持信號自項不變的同時，有效去除了交叉項。第三，通過增加Gabor譜圖的計算階數(shù)，提高了時頻分辨力，克服了Gabor譜圖隨著階數(shù)的增加而產(chǎn)生嚴(yán)重的交叉項的缺點。實驗結(jié)果表明，修正

8、的Gabor譜圖方法優(yōu)于Gabor譜圖的方法；同時與AOK方法相比，也達(dá)到了類似的時頻表示效果。
　　 (4)基于循環(huán)移位DCFT的多分量chirp信號的檢測方法。離散Fourier變換具有循環(huán)移位的特性，同樣源于離散Fourier變換的DCFT也具有循環(huán)移位的特性。根據(jù)DCFT的定義，提出了循環(huán)移位DCFT的概念和定理。并在利用循環(huán)移位DCFT基礎(chǔ)上，充分利用了chirp信號和噪聲的不同特點，即chirp信號的調(diào)頻率和初始頻率

9、不隨時間變化而噪聲的調(diào)頻率和初始頻率隨時間隨機(jī)變化，給出了一種多分量chirp信號的檢測和調(diào)頻率參數(shù)估計的方法。它能夠在低信噪比下使chirp信號獲得良好的檢測結(jié)果。此外，論文還研究了了信號在時域和調(diào)頻率-頻率(CF)域的能量關(guān)系。給出了能量關(guān)系性質(zhì)，即信號在時域和CF域的總能量不守恒，只在線性頻率方向守恒。根據(jù)這種性質(zhì)，分析了在CF域中噪聲的特性。
　　 (5)時頻分析理論在頻譜監(jiān)測中的應(yīng)用。論述了頻譜監(jiān)測系統(tǒng)及其發(fā)展方向，以

10、及時頻分析理論在頻譜監(jiān)測中的應(yīng)用。主要包括兩個方面的應(yīng)用：數(shù)字調(diào)制分類和時變譜分析。在數(shù)字調(diào)制分類方面，研究了通信信號瞬時相位中存在的線性分量和相位卷疊。根據(jù)誤差的平方最小原則，提出了一種去相位線性分量的方法。提出了一種區(qū)分相位調(diào)制與非相位調(diào)制的新特征。并根據(jù)這一特征構(gòu)造了一種簡潔的數(shù)字調(diào)制分類判決樹。這種自動數(shù)字調(diào)制分類方法能夠?qū)Χ喾N不同的脈沖成形濾波器、碼元速率的數(shù)字調(diào)制信號進(jìn)行正確分類。在時變譜分析方面，研究了基于譜圖的頻譜占用度