本發(fā)明涉及人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種無(wú)線通信信號(hào)的微多普勒信息的提取方法。

背景技術(shù)：

利用無(wú)線通信信號(hào)進(jìn)行人體動(dòng)作識(shí)別是推動(dòng)醫(yī)療、智能家庭，健康監(jiān)管等許多領(lǐng)域的核心技術(shù)，傳統(tǒng)的基于視覺(jué)的人機(jī)交互的方法由于可視化的條件和一些隱私問(wèn)題使得該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展受到限制。然而基于無(wú)線通信信號(hào)的識(shí)別和控制則完美地解決了這個(gè)問(wèn)題。近年來(lái)，基于無(wú)線通信信號(hào)的人體動(dòng)作識(shí)別是人機(jī)交互領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。而多普勒信息對(duì)于動(dòng)態(tài)物體的識(shí)別具有重要的作用。

當(dāng)下已有的一些研究成果中，無(wú)線信號(hào)中的多普勒信息提取大多是借鑒雷達(dá)中的處理方法，通過(guò)利用復(fù)雜的信號(hào)處理的方法來(lái)提取通信信號(hào)中的多普勒信息。這些方法的優(yōu)點(diǎn)是精確度高，但是，由于雷達(dá)信號(hào)尤其是專門用于定位和識(shí)別的雷達(dá)信號(hào)和普通的通信信號(hào)相差很大，所以不可避免的，要提取通信信號(hào)中的微多普勒信息，需要輔以復(fù)雜的信號(hào)處理的方法，所以實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜。而且這種提取方式一般都忽略了通信信號(hào)本身的特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種無(wú)線通信信號(hào)的微多普勒信息的提取方法，以克服當(dāng)前一些方法中，提取微多普勒信息所面臨的提取過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：針對(duì)無(wú)線通信信號(hào)，通過(guò)分析數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)特性，提出了一種無(wú)線通信信號(hào)的微多普勒信息的提取方法。所屬方法包含如下步驟：1)幀檢測(cè)和幀定界；2)確定前導(dǎo)長(zhǎng)度；3)長(zhǎng)前導(dǎo)的提取；4)數(shù)據(jù)處理

其中，所述步驟1)包括具體內(nèi)容如下：無(wú)線通信信號(hào)的數(shù)據(jù)幀由兩部分組成，一部分是特定的前導(dǎo)序列，另一部分是數(shù)據(jù)部分。接收端利用前導(dǎo)結(jié)合幀檢測(cè)算法完成幀檢測(cè)，利用接收到的前導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)的前導(dǎo)數(shù)據(jù)做滑動(dòng)相關(guān)，根據(jù)前導(dǎo)數(shù)據(jù)做相關(guān)之后的能量值的大小可確定幀的起始位置；

所述步驟2)包括具體內(nèi)容如下：前導(dǎo)序列按照用途可分為兩部分，用于幀定界的前導(dǎo)序列和用于信道估計(jì)和頻偏估計(jì)的前導(dǎo)序列，提取微多普勒信息的數(shù)據(jù)為用于信道估計(jì)的前導(dǎo)序列。在接收端對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行采樣，采樣前導(dǎo)數(shù)據(jù)所得到的采樣點(diǎn)數(shù)與通信系統(tǒng)的采樣速率相關(guān)，采樣速率與發(fā)送前導(dǎo)數(shù)據(jù)的時(shí)間相乘即可得到前導(dǎo)數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)。

所述步驟3)在通信進(jìn)行時(shí)，如果環(huán)境中有運(yùn)動(dòng)物體，則前導(dǎo)部分中必然包含微多普勒信息，由幀定界的結(jié)果和上一步提取到的幀長(zhǎng)度，可完成前導(dǎo)部分?jǐn)?shù)據(jù)的提?。?/p>

所述步驟4)包括具體內(nèi)容如下：當(dāng)采樣速率一定時(shí)，每一幀的前導(dǎo)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度固定，將采樣得到的前導(dǎo)數(shù)據(jù)組成m*n的矩陣，其中，m為每一幀數(shù)據(jù)中，前導(dǎo)部分所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)，n為通信過(guò)程中傳輸?shù)膸目倐€(gè)數(shù)，然后對(duì)矩陣按行求和，然后歸一化處理，最終用所有歸一化后的數(shù)據(jù)組成一個(gè)向量，對(duì)該向量進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換畫(huà)出時(shí)頻圖最終得到運(yùn)動(dòng)物體的微多普勒信息。

本發(fā)明的技術(shù)方案有如下優(yōu)點(diǎn)：作為一種無(wú)線通信信號(hào)的微多普勒信息的提取方法，本方法充分考慮了無(wú)線信號(hào)數(shù)據(jù)幀的特性，利用數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)特性結(jié)合簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理來(lái)完成微多普勒信息的提取，避免了對(duì)于整個(gè)數(shù)據(jù)幀的處理，有效解決了數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，避免了復(fù)雜的信號(hào)處理。

附圖說(shuō)明

圖1為:本發(fā)明的一種具有提取多普勒信息功能的通信系統(tǒng)的系統(tǒng)實(shí)例框圖

圖2為:無(wú)線通信信號(hào)數(shù)據(jù)幀

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)例用于說(shuō)明本發(fā)明，但是不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明結(jié)合無(wú)線通信信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了一種無(wú)線通信信號(hào)中微普勒信息的方法，具體實(shí)現(xiàn)分為兩部分：無(wú)線通信系統(tǒng)平臺(tái)的搭建，數(shù)據(jù)提取和處理。其中，通信系統(tǒng)包括接收和發(fā)送兩個(gè)部分。數(shù)據(jù)處理部分是本發(fā)明的核心部分，用于完成數(shù)據(jù)幀的分解和微多普勒信息的提取。數(shù)據(jù)處理部分在原有的通信系統(tǒng)中增加了幀的分解、前導(dǎo)數(shù)據(jù)的提取以及微多普勒信息的提取。

這種設(shè)計(jì)方式在不影響通信系統(tǒng)功能的情況下完成了數(shù)據(jù)的提取和分析，符合推廣和使用，因?yàn)橥ㄐ判盘?hào)用于識(shí)別的前提就是不影響信號(hào)的原有功能，在通信的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)識(shí)別才能體現(xiàn)該技術(shù)的意義。

首先介紹改進(jìn)后的通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：

本實(shí)例中可以選取任何的通信協(xié)議所規(guī)定的幀格式進(jìn)行通信。

發(fā)送端：

1.首先將原始信息編碼。由于微普勒信息的提取和通信內(nèi)容無(wú)關(guān)，所以只需保證正常的通信，然后以固定的間隔發(fā)送數(shù)據(jù)幀，通信系統(tǒng)如圖1所示。

2.對(duì)編碼后的信息進(jìn)行編碼，之后給映射得到的編碼序列增加前導(dǎo)序列，

3.然后增加幀頭和幀尾，形成完整的數(shù)據(jù)幀，

接收端：

1.幀定界。此處的幀定界采用滑動(dòng)相關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)。滑動(dòng)相關(guān)是用標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)前導(dǎo)序列和接收數(shù)據(jù)做窗口大小固定的相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的。前導(dǎo)是由發(fā)送端加在數(shù)據(jù)幀前端用于完成通信功能的固定序列。如果我們使用標(biāo)準(zhǔn)的前導(dǎo)序列和接收數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算，窗口大小為固定序列的長(zhǎng)度，理論上就可以產(chǎn)生明顯的峰值點(diǎn)。我們根據(jù)峰值的位置就可以確定幀的起始位置。

確定幀的起始位置的公式如下：

其中，N_preamble表示前導(dǎo)的總長(zhǎng)度，表示前導(dǎo)序列的采樣點(diǎn)，表示前導(dǎo)序列的采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，arg max₃表示能量值最大的索引的位置，很顯然，我們就可以給出數(shù)據(jù)部分的起始位置：

n_p＝max(N_p)

其中，n_p表示數(shù)據(jù)部分的起始位置，然后根據(jù)幀結(jié)構(gòu)得到幀的起始位置。

2.相偏矯正和信道估計(jì)。由于發(fā)送端和接收端的采樣時(shí)間不同步，所以會(huì)產(chǎn)生相位偏移，這個(gè)相位偏移可以通過(guò)導(dǎo)頻子載波進(jìn)行修正；除了相位偏移以外，載波的幅值也會(huì)發(fā)生非線性的變化，這與信道特性密切相關(guān)，通過(guò)信道估計(jì)便可消除載波幅值的非線性影響。在信道估計(jì)時(shí)，我們也需要消除子載波中的直流分量以及導(dǎo)頻子載波。

3.幀解碼。將解碼出來(lái)的數(shù)據(jù)部分通過(guò)與相應(yīng)的調(diào)制方式的星座圖進(jìn)行映射，然后選擇合適的方式進(jìn)行解碼，最后得到輸出信息序列。

其次是數(shù)據(jù)提取和處理：

1.前導(dǎo)序列的獲取

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的步驟1中，在幀定界過(guò)程中，我們確定了數(shù)據(jù)部分的起始位置，根據(jù)相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，我們可以確定前導(dǎo)的位置。我們對(duì)基帶信號(hào)的采樣頻率為R_b進(jìn)行采樣，每幀數(shù)據(jù)中，發(fā)送長(zhǎng)前導(dǎo)和短前導(dǎo)序列的時(shí)間均為T_s，這個(gè)時(shí)間是對(duì)用于信道估計(jì)的采樣時(shí)間。在實(shí)例中，結(jié)合采樣頻率R_b我們可以得到采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)：

N_s＝R_b*T_s

作為提取多普勒信息的原始數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)處理

1)在數(shù)據(jù)采集部分，給出了每一幀數(shù)據(jù)中得到的采樣點(diǎn)，采集一組手勢(shì)總共發(fā)送N_frame幀數(shù)據(jù)，形成N_p*N_frame的矩陣；

2)數(shù)據(jù)歸一化處理；

3)由于通信過(guò)程中信號(hào)能量集中在零頻附近，所以為了提高頻率分辨率，可以利用低通濾波器濾除噪聲；

4)繪制采集數(shù)據(jù)的時(shí)頻圖，通過(guò)時(shí)頻圖即可得到由于測(cè)試人員運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的頻率信息；

5)利用多普勒公式：

其中，f₀為運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生的多普勒頻移，v_c為物體運(yùn)動(dòng)速度，cosθ為物體運(yùn)動(dòng)方向和信號(hào)傳輸方向的夾角，f_c為載波頻率，c₀為光速，

可獲得運(yùn)動(dòng)物體的多普勒頻移和運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

1.實(shí)驗(yàn)條件

保證通信系統(tǒng)正常工作。

采集數(shù)據(jù):兩臺(tái)設(shè)備保持正常通信，收發(fā)設(shè)備之間，存在運(yùn)動(dòng)物體。

按照步驟對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得到信號(hào)的多普勒頻移，進(jìn)而求出運(yùn)動(dòng)物體的速度。

結(jié)論：

當(dāng)設(shè)備之間進(jìn)行通信時(shí)，如果該環(huán)境中有物體在運(yùn)動(dòng)，就會(huì)對(duì)通信信號(hào)產(chǎn)生影響，從而使運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)信息包含在了通信信號(hào)中，通過(guò)提取通信信號(hào)中的微多普勒信息確定人體目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通信識(shí)別一體化是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。以往提取通信信號(hào)中的微多普勒信息的方法往往忽略了通信信號(hào)本身的特點(diǎn)，所以本發(fā)明結(jié)合通信信號(hào)數(shù)據(jù)幀的特點(diǎn)給出了一種的提取通信號(hào)中所包含的微多普勒信息的方法。

實(shí)例中所給出的對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體速度的檢測(cè)，是本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，任何本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以對(duì)本方法做若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。