信號(hào)的時(shí)頻域檢測(cè)方法及在頻譜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.pdf

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

2、聯(lián)合空間對(duì)信號(hào)進(jìn)行刻畫(huà)和表示，它已經(jīng)成為時(shí)變信號(hào)分析的強(qiáng)有力的工具之一。最具代表性的時(shí)頻分析方法主要有Cohen類(lèi)和Gabor譜圖等。chirp信號(hào)是一種典型的時(shí)變信號(hào)，它在雷達(dá)等探測(cè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。近幾年來(lái)，chirp信號(hào)的檢測(cè)成為研究的熱點(diǎn)之一。許多針對(duì)chirp信號(hào)的檢測(cè)的方法被提了出來(lái)。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(hào)進(jìn)行分析。論文主要基于時(shí)頻分析對(duì)時(shí)變信號(hào)的檢測(cè)和分析進(jìn)行了研究，并將時(shí)頻分析的方法應(yīng)用到無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)方面。主要內(nèi)容包括：
　　 (1)時(shí)頻分析基本問(wèn)題的研究。論述了論文工作所涉及的主要時(shí)頻分析的基本問(wèn)題和相關(guān)理論。主要包括Cohen類(lèi)的設(shè)計(jì)思想、一般性質(zhì)及其局限性，時(shí)頻交叉項(xiàng)與聚集性及對(duì)信號(hào)分析的影響，AOK時(shí)頻分析方法及其優(yōu)點(diǎn)。此外，研究了離散時(shí)頻分布的快速算法、周期特性、反混疊方法和計(jì)算復(fù)雜

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

5、種方法主要基于Wigner分布中自項(xiàng)支撐的有效估計(jì)。首先，計(jì)算具有不同方向的高斯線性調(diào)頻窗(GLCW)的譜圖，通過(guò)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)閾值和閉算子等處理來(lái)估計(jì)每個(gè)譜圖的支撐集。然后，所有被估計(jì)的支撐集的交集作為Wigner分布的自項(xiàng)支撐的估計(jì)。通過(guò)限制Wigner分布自項(xiàng)支撐在交集上，獲得了一種能夠去除絕大部分交叉項(xiàng)，同時(shí)保持自項(xiàng)幾乎不變的新的時(shí)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(lèi)的時(shí)頻分布。它的主要思想是將信號(hào)分解為由時(shí)間采樣和頻率采樣組成的時(shí)頻網(wǎng)格上加權(quán)的Gabor基本函數(shù)，計(jì)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(diǎn)是：隨著計(jì)算階數(shù)越大，時(shí)頻分辨力越好，但交叉項(xiàng)越嚴(yán)重。譜圖具有特殊的交叉項(xiàng)機(jī)理，即交叉項(xiàng)僅存在于自項(xiàng)的支撐區(qū)域的交疊處。Gabor系數(shù)是短時(shí)Fourier變換的采樣。通過(guò)限制Gabor譜圖在Gabor系數(shù)所估計(jì)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(xiàng)，達(dá)到了很好的時(shí)頻表示結(jié)果。新方法與原方法相比主要具有三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。首先，由于僅計(jì)算時(shí)頻平面上所估計(jì)的自項(xiàng)支撐區(qū)域內(nèi)的Gabor譜圖，減少了運(yùn)算量；其次，在盡量保持信號(hào)自項(xiàng)不變的同時(shí)，有效去除了交叉項(xiàng)。第三，通過(guò)增加Gabor譜圖的計(jì)算階數(shù)，提高了時(shí)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(xiàng)的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)與AOK方法相比，也達(dá)到了類(lèi)似的時(shí)頻表示效果。
　　 (4)基于循環(huán)移位DCFT的多分量chirp信號(hào)的檢測(cè)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(hào)和噪聲的不同特點(diǎn)，即chirp信號(hào)的調(diào)頻率和初始頻率

9、不隨時(shí)間變化而噪聲的調(diào)頻率和初始頻率隨時(shí)間隨機(jī)變化，給出了一種多分量chirp信號(hào)的檢測(cè)和調(diào)頻率參數(shù)估計(jì)的方法。它能夠在低信噪比下使chirp信號(hào)獲得良好的檢測(cè)結(jié)果。此外，論文還研究了了信號(hào)在時(shí)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(hào)在時(shí)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(shí)頻分析理論在頻譜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。論述了頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其發(fā)展方向，以

10、及時(shí)頻分析理論在頻譜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。主要包括兩個(gè)方面的應(yīng)用：數(shù)字調(diào)制分類(lèi)和時(shí)變譜分析。在數(shù)字調(diào)制分類(lèi)方面，研究了通信信號(hào)瞬時(shí)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(jiǎn)潔的數(shù)字調(diào)制分類(lèi)判決樹(shù)。這種自動(dòng)數(shù)字調(diào)制分類(lèi)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(hào)進(jìn)行正確分類(lèi)。在時(shí)變譜分析方面，研究了基于譜圖的頻譜占用度