無線電廣播信號(hào)中心頻率的計(jì)算

(西華大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院 四川 成都 610039)

前言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，無線電通信在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)生活和國(guó)防建設(shè)中顯示出越來越重要的作用，通信基站、Wi-Fi熱點(diǎn)和個(gè)人通信終端等種類繁多的無線電信號(hào)開始遍布城鄉(xiāng)各個(gè)角落，導(dǎo)致我們周圍的無線電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜，無線電頻譜數(shù)據(jù)和無線電信號(hào)特征數(shù)據(jù)是無線電管理人員了解復(fù)雜電磁環(huán)境的主要信息來源。無線電頻譜數(shù)據(jù)為頻譜占用度計(jì)算、干擾信號(hào)監(jiān)測(cè)及頻譜資源劃分等提供了信息源[1]。在通信系統(tǒng)中，由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的本振不同，以及多普勒頻移等因素，使得系統(tǒng)中存在一定的頻偏誤差。頻偏誤差的存在對(duì)通信系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，使通信系統(tǒng)性能下降[2]。在各種無線電頻譜數(shù)據(jù)中，中心頻率是至關(guān)重要的參數(shù)，頻率偏移會(huì)影響通信質(zhì)量，而通過分析中心頻率可以檢驗(yàn)頻率是否發(fā)生偏移。因此，中心頻率的估計(jì)在實(shí)際工程中的應(yīng)用引起了人們廣泛關(guān)注。幾十年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)中心頻率估計(jì)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，提出了適用于不同信號(hào)的各種算法，并且已經(jīng)在軍事、通信、工業(yè)工程等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。本文分析了廣播頻段中頻測(cè)量數(shù)據(jù)的特性，通過計(jì)算其每一幀的歸一化峰度值來識(shí)別其中的靜音信號(hào)，并以靜音信號(hào)的頻譜測(cè)量數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象計(jì)算中心頻率，同時(shí)利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。

一、計(jì)算中心頻率

在利用廣播頻段中頻測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算中心頻率的過程中，為了避免“有聲”等其他信號(hào)的干擾，我們選用靜音信號(hào)作為研究對(duì)象來計(jì)算中心頻率。對(duì)此，需要對(duì)測(cè)量得到的中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找到其中的靜音信號(hào)。并以靜音信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象計(jì)算中心頻率。通過研究發(fā)現(xiàn)，在廣播信號(hào)中，靜音與非靜音的頻譜波形存在明顯差異，隨著歸一化峰度值的增大，頻譜波形越來越毛糙，加載的信息量量越來越少，靜音特征越來越明顯。因此可以利用歸一化峰度值來識(shí)別靜音信號(hào)。

(一)歸一化峰度值識(shí)別靜音[4]

峰度是信號(hào)的一種四階統(tǒng)計(jì)量，常被作為衡量隨機(jī)信號(hào)與高斯信號(hào)區(qū)別的度量參數(shù)[5]。廣播信號(hào)中的歸一化峰度定義為：

(1)

其中，xi表示一幀頻譜數(shù)據(jù)中第i個(gè)采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電平值，N為采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

隨著歸一化峰度值的增大，靜音特征越來越明顯。對(duì)此，可以計(jì)算中頻測(cè)量數(shù)據(jù)每一幀的歸一化峰度值，其中歸一化峰度值最大的那一幀就是最接近靜音或者就是靜音信號(hào)的頻譜圖。因此可以根據(jù)公式(2)計(jì)算中頻測(cè)量數(shù)據(jù)每一幀的歸一化峰度值，記為ki，然后找出歸一化峰度最大值K，該值所對(duì)應(yīng)的那一幀即為歸一化峰度值最大的那一幀，將之記為sa。sa即為靜音信號(hào)或者最接近靜音信號(hào)的那一幀頻譜數(shù)據(jù)。

(2)

K=maxki|i=1,…,m

(3)

其中：其中m為掃描次數(shù)(即數(shù)據(jù)幀數(shù))，n為掃描采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，sij表示第i幀數(shù)據(jù)第j個(gè)采樣點(diǎn)的電平值(即信號(hào)強(qiáng)度)。

(二)計(jì)算中心頻率的方法

找到歸一化峰度值最大的那一幀信號(hào)sa(即靜音信號(hào)或者最接近靜音信號(hào)的)后，通過以下步驟計(jì)算中心頻率：

Step1：找出電平值最大的采樣點(diǎn)

記錄歸一化峰度值最大的那一幀sa的各個(gè)采樣點(diǎn)的電平值，找到其中最大的電平值，記為sab，其對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的位置記為b(即第b個(gè)采樣點(diǎn)的電平值sab最大)。具體計(jì)算公式如下：

sab=max{saj|j=1,2,…,n}

(4)

其中：saj為sa那一幀的各個(gè)采樣點(diǎn)的電平值。

Step2：確定中心頻率

由于找到的最大電平值對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)的頻率未必是存在信號(hào)的中心頻率，但其頻率值必定是最接近中心頻率的，因此可以通過以下方式確定中心頻率：

(1)通過找到的最大電平值對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)的位置計(jì)算其頻率值，記為fce，該值即為最接近中心頻率的頻率值，其計(jì)算公式如下：

(5)

其中fend為起始頻率，fstart為終止頻率，n為掃描采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，b為最大的電平值對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)的位置。

(2)通過以下公式確定中心頻率：

fc=round(fce×a)/a

(6)

其中round為取整函數(shù)(四舍五入)，a為頻率精度(即具體到小數(shù)點(diǎn)后多少位，如a=10時(shí)，保留為小數(shù)點(diǎn)后1位)。實(shí)際情況中頻率精度大多為10。

二、實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)上述方法，本文使用R&S公司的EM100接收機(jī)、HE600天線設(shè)備，在四川省成都市西華大學(xué)無線電監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集了一定量的頻譜數(shù)據(jù)，利用所采集的頻譜數(shù)據(jù)利用MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提方法的合理性和有效性。

實(shí)驗(yàn)采集了給定的起始頻率以及終止頻率等的中頻數(shù)據(jù)，利用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其部分結(jié)果如下表：

表1 通過中頻數(shù)據(jù)計(jì)算中心頻率部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

下圖為相應(yīng)實(shí)驗(yàn)組歸一化峰度值最大那一幀的頻譜圖，圖中紅色的點(diǎn)代表采樣點(diǎn)中電平值最大的點(diǎn)，也是頻率值最接近中心頻率的點(diǎn)。

圖1 對(duì)應(yīng)的歸一化峰度值最大的頻譜圖

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)歸一化峰度值最大的那一幀的頻譜圖的靜音特征非常明顯，可見利用歸一化峰度值識(shí)別靜音信號(hào)是有效的，同時(shí)對(duì)于給定相應(yīng)的不同起始頻率和終止頻率，在一定的頻率精度下該方法所找到的中心頻率是相同的。在實(shí)際中，F(xiàn)M106.1是四川人民廣播電臺(tái)，由此可見，利用本文所提出的方法找到的中心頻率與實(shí)際一致。

三、結(jié)束語

本文對(duì)廣播段的中頻測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過計(jì)算中頻數(shù)據(jù)每一幀的歸一化峰度值識(shí)別其中的靜音信號(hào)，并以靜音信號(hào)為研究對(duì)象算中心頻率。同時(shí)通過大量的MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性，結(jié)果表明找到的中心頻率與實(shí)際一致。同時(shí)可以以該方法為基礎(chǔ)判斷信號(hào)頻率是否發(fā)生頻偏，為廣播段頻率監(jiān)測(cè)和維護(hù)提供了一種可行的方法。

【參考文獻(xiàn)】

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