本發(fā)明屬于通訊，涉及一種基于主成分分析的頻譜感知方法，具體涉及一種基于主成分分析的數(shù)據(jù)降維與特征提取的頻譜感知方法。

背景技術(shù)：

1、頻譜感知能夠獲取頻譜占用與空閑信息，為提高頻率利用效率和頻譜監(jiān)管效能提供有力支撐，在無線電管理、認(rèn)知無線電等領(lǐng)域中發(fā)揮關(guān)鍵作用。目前針對頻譜感知的技術(shù)主要包括1)需要信號、噪聲先驗信息的似然比檢測、匹配濾波檢測、循環(huán)平穩(wěn)檢測等；2)僅需噪聲功率信息的能量檢測、小波檢測等；3)無需先驗信息的基于協(xié)方差的感知、基于特征值的感知、基于機器學(xué)習(xí)的感知等?，F(xiàn)有方法各有自身的適用場景，無法兼顧非合作條件下快速、高效的寬帶頻譜感知應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是在全盲條件下高效、準(zhǔn)確完成寬帶頻譜感知，提出了一種基于主成分分析的頻譜感知方法，能夠在不具備任何先驗信息的條件下快速完成寬帶頻譜檢測，采用步進分段與最大最小歸一化的方法構(gòu)建功率譜矩陣，計算功率譜矩陣的主成分分量，構(gòu)建能夠反映邊界變化特性的模角聯(lián)合曲線，利用邊界對稱性與近鄰性完成頻譜初始檢測，基于區(qū)間交并比完成信號融合，進一步提升了針對實際信號特征分布變化多樣的適應(yīng)性。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、一種基于主成分分析的頻譜感知方法，包括以下步驟：

4、步驟1，功率譜矩陣計算；具體過程為：

5、(1a)讀取數(shù)據(jù)x，估計功率譜px，功率譜px長度為n；

6、(1b)根據(jù)功率譜px的最大值vmax和最小值vmin，對功率譜px進行歸一化處理，更新功率譜px；

7、(1c)確定分段長度lseg和步進長度lstep；

8、(1d)根據(jù)n、lseg和lstep，計算分段數(shù)nseg；

9、(1e)初始化功率譜矩陣mx，mx行數(shù)為nseg，列數(shù)為lseg；

10、(1f)截取功率譜px的第i段數(shù)據(jù)，第i段數(shù)據(jù)對應(yīng)的起始位置為(i-1)×lstep+1，第i段數(shù)據(jù)對應(yīng)的終止位置為(i-1)×lstep+lseg；其中i的取值范圍為1至nseg，步進為1；

11、(1g)將截取的nseg段數(shù)據(jù)分別賦值給功率譜矩陣mx的各行，即第i段數(shù)據(jù)對應(yīng)功率譜矩陣mx的第i行mx,i；

12、步驟2，功率譜矩陣主成分分析；具體過程為：

13、(2a)采用主成分分析方法，對功率譜矩陣mx進行主成分分析，得到各主成分列向量vp,j，j的取值范圍為1至lseg，步進為1；

14、(2b)選擇vp,1和vp,2為特征分析向量；

15、步驟3，主成分特征映射；具體過程為：

16、(3a)將功率譜矩陣mx的各行mx,i分別投影到特征分析向量vp,1和vp,2上，得到特征矩陣cx，cx的行數(shù)為nseg，cx的列數(shù)為2，cx,i,j對應(yīng)cx的第i行和第j列元素，其中cx,i,j＝mx,i×vp,j；

17、(3b)根據(jù)特征矩陣cx計算一維角向量θx，θx長度為nseg，θx,i對應(yīng)θx的第i個元素，表示cx的第i行對應(yīng)點的極坐標(biāo)角度，取值范圍為0至2π；

18、(3c)計算一維模角聯(lián)合向量w，長度為nseg；

19、步驟4，邊界區(qū)間檢測；具體過程為：

20、(4a)設(shè)定峰值檢測門限tmax和峰值差門限tdiff；

21、(4b)在一維模角聯(lián)合向量w中，搜索大于tmax的極大值點，將搜索到的第i個極大值點的極大值和位置分別存儲至極大值矩陣fmax的第i行fmax,i的第一列fmax,i,1和第二列fmax,i,2；

22、(4c)在一維模角聯(lián)合向量w中，搜索小于-tmax的極小值點，將搜索到的第i個極小值點的極小值和位置分別存儲至極小值矩陣fmin的第i行fmin，i的第一列fmin,i,1和第二列fmin,i,2；

23、(4d)對于第i個極大值點，在極小值矩陣fmin中，從位置fmax,i,2開始，向右依次計算極小值點j與第i個極大值點的絕對距離差fmax,i,1+fmin,j,1，在所有絕對距離差小于tdiff的極小值點集中，選擇距位置fmax,i,2最小的極小值點k，完成與第i個極大值點的匹配，記錄在邊界矩陣e的第m行，其中em,1＝fmax,i,2，em,2＝fmin,k,2，m從1起始；

24、(4e)重復(fù)步驟(4d)，完成極大值矩陣fmax中所有極大值點的匹配；

25、步驟5，頻譜融合；具體過程為：

26、(5a)設(shè)定信號索引變量j＝1，邊界索引變量i＝2，融合門限tr；

27、(5b)計算當(dāng)前信號j的區(qū)間為[ej,1,ej,2]；

28、(5c)計算當(dāng)前邊界i的區(qū)間為[ei,1,ei,2]；

29、(5d)計算信號區(qū)間[ej,1,ej,2]與邊界區(qū)間[ei,1,ei,2]的交并比r，如果r≥tr，則當(dāng)前邊界i與當(dāng)前信號j融合，更新ej,1＝min(ej,1,ei,1)，其中min()為最小值運算，更新ej,2＝max(ej,2,ei,2)，其中max()為最大值運算，如果r＜tr，則j＝j(luò)+1，更新ej,1＝ei,1，更新ej,2＝ei,2；

30、(5e)i＝i+1，重復(fù)步驟(5b)～(5e)，直至完成邊界矩陣e中所有行的處理，得到頻譜感知結(jié)果，對應(yīng)e的第一行至第j行。

31、進一步的，步驟(1a)中的采用基于分段數(shù)據(jù)的周期圖法估計功率譜。

32、進一步的，步驟(3c)中的能夠反映邊界變化特性的模角聯(lián)合向量w的計算方法為：wi＝sin(θx,i)×sqrt(cx,i,1*cx,i,1+cx,i,2*cx,i,2)，wi為向量w的第i個元素，sqrt()為平方根運算。

33、進一步的，步驟(5d)中交并比r的計算方法為：當(dāng)信號區(qū)間與邊界區(qū)間無重疊部分時，r＝0；當(dāng)信號區(qū)間與邊界區(qū)間部分或全部重疊時，r為重疊區(qū)間長度與區(qū)間并集長度之比，區(qū)間并集長度為兩個區(qū)間最左側(cè)邊界值與最右側(cè)邊界值之差。

34、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

35、1.本發(fā)明針對功率譜估計數(shù)據(jù)采用步進分段與最大最小歸一化的方法構(gòu)建功率譜矩陣，能夠反映局部區(qū)間內(nèi)功率隨頻率的順序變化關(guān)系。

36、2.本發(fā)明通過功率譜矩陣的主成分分析，有效反映了功率譜隨頻率變化在高維空間中的映射分布特征。

37、3.本發(fā)明通過主成分降維，并利用二維向量的幅度和角度屬性，構(gòu)建了能夠反映邊界變化特性的模角聯(lián)合曲線。

38、4.本發(fā)明充分利用頻譜邊界對稱性與近鄰性特征，設(shè)計了基于區(qū)間交并比的信號融合策略，能夠準(zhǔn)確確定頻譜邊界位置。

39、5.本發(fā)明無需信號先驗信息，計算復(fù)雜度低，便于工程實現(xiàn)。

技術(shù)特征：

1.一種基于主成分分析的頻譜感知方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于主成分分析的頻譜感知方法，其特征在于，步驟(1a)中的采用基于分段數(shù)據(jù)的周期圖法估計功率譜。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于主成分分析的頻譜感知方法，其特征在于，步驟(3c)中的能夠反映邊界變化特性的模角聯(lián)合向量w的計算方法為：wi＝sin(θx,i)×sqrt(cx,i,1*cx,i,1+cx,i,2*cx,i,2)，wi為向量w的第i個元素，sqrt()為平方根運算。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于主成分分析的頻譜感知方法，其特征在于，步驟(5d)中交并比r的計算方法為：當(dāng)信號區(qū)間與邊界區(qū)間無重疊部分時，r＝0；當(dāng)信號區(qū)間與邊界區(qū)間部分或全部重疊時，r為重疊區(qū)間長度與區(qū)間并集長度之比，區(qū)間并集長度為兩個區(qū)間最左側(cè)邊界值與最右側(cè)邊界值之差。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種基于主成分分析的頻譜感知方法，屬于通訊技術(shù)領(lǐng)域，能夠在全盲條件下高效、準(zhǔn)確完成寬帶頻譜感知，實現(xiàn)步驟為：采用步進分段與最大最小歸一化的方法構(gòu)建功率譜矩陣，計算功率譜矩陣的主成分分量，構(gòu)建能夠反映邊界變化特性的模角聯(lián)合曲線，利用邊界對稱性與近鄰性完成頻譜邊界初始檢測，基于區(qū)間交并比完成信號融合。本發(fā)明通過構(gòu)建功率譜矩陣、主成分分析與降維、模角聯(lián)合曲線、基于交并比區(qū)間的信號融合等方法快速、準(zhǔn)確實現(xiàn)寬帶頻譜檢測，提升了針對實際信號特征分布變化多樣的適應(yīng)性，無需任何信號先驗信息，計算復(fù)雜度低，便于工程實現(xiàn)。

技術(shù)研發(fā)人員：史飛,杜宇峰,周德強,張海瑛,湯新廣,王巖建
受保護的技術(shù)使用者：中國電子科技集團公司第五十四研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10