一種無線通信信號的微多普勒信息的提取方法與流程

本發明涉及人機交互技術領域，特別是涉及一種無線通信信號的微多普勒信息的提取方法。

背景技術：

利用無線通信信號進行人體動作識別是推動醫療、智能家庭，健康監管等許多領域的核心技術，傳統的基于視覺的人機交互的方法由于可視化的條件和一些隱私問題使得該項技術的發展受到限制。然而基于無線通信信號的識別和控制則完美地解決了這個問題。近年來，基于無線通信信號的人體動作識別是人機交互領域的一個研究熱點。而多普勒信息對于動態物體的識別具有重要的作用。

當下已有的一些研究成果中，無線信號中的多普勒信息提取大多是借鑒雷達中的處理方法，通過利用復雜的信號處理的方法來提取通信信號中的多普勒信息。這些方法的優點是精確度高，但是，由于雷達信號尤其是專門用于定位和識別的雷達信號和普通的通信信號相差很大，所以不可避免的，要提取通信信號中的微多普勒信息，需要輔以復雜的信號處理的方法，所以實現過程復雜。而且這種提取方式一般都忽略了通信信號本身的特性。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種無線通信信號的微多普勒信息的提取方法，以克服當前一些方法中，提取微多普勒信息所面臨的提取過程復雜的問題。

本發明所采用的技術方案是：針對無線通信信號，通過分析數據幀的結構特性，提出了一種無線通信信號的微多普勒信息的提取方法。所屬方法包含如下步驟：1)幀檢測和幀定界；2)確定前導長度；3)長前導的提取；4)數據處理

其中，所述步驟1)包括具體內容如下：無線通信信號的數據幀由兩部分組成，一部分是特定的前導序列，另一部分是數據部分。接收端利用前導結合幀檢測算法完成幀檢測，利用接收到的前導和標準的前導數據做滑動相關，根據前導數據做相關之后的能量值的大小可確定幀的起始位置；

所述步驟2)包括具體內容如下：前導序列按照用途可分為兩部分，用于幀定界的前導序列和用于信道估計和頻偏估計的前導序列，提取微多普勒信息的數據為用于信道估計的前導序列。在接收端對整個數據幀進行采樣，采樣前導數據所得到的采樣點數與通信系統的采樣速率相關，采樣速率與發送前導數據的時間相乘即可得到前導數據的采樣點數。

所述步驟3)在通信進行時，如果環境中有運動物體，則前導部分中必然包含微多普勒信息，由幀定界的結果和上一步提取到的幀長度，可完成前導部分數據的提取；

所述步驟4)包括具體內容如下：當采樣速率一定時，每一幀的前導數據的長度固定，將采樣得到的前導數據組成m*n的矩陣，其中，m為每一幀數據中，前導部分所對應的采樣點數，n為通信過程中傳輸的幀的總個數，然后對矩陣按行求和，然后歸一化處理，最終用所有歸一化后的數據組成一個向量，對該向量進行短時傅里葉變換畫出時頻圖最終得到運動物體的微多普勒信息。

本發明的技術方案有如下優點：作為一種無線通信信號的微多普勒信息的提取方法，本方法充分考慮了無線信號數據幀的特性，利用數據幀的結構特性結合簡單的數據處理來完成微多普勒信息的提取，避免了對于整個數據幀的處理，有效解決了數據量大的問題，避免了復雜的信號處理。

附圖說明

圖1為:本發明的一種具有提取多普勒信息功能的通信系統的系統實例框圖

圖2為:無線通信信號數據幀

具體實施方式

下面結合附圖和實例，對本發明的具體實施方式進一步詳細描述。以下實例用于說明本發明，但是不用來限制本發明的范圍。

本發明結合無線通信信號的幀結構的特點，提出了一種無線通信信號中微普勒信息的方法，具體實現分為兩部分：無線通信系統平臺的搭建，數據提取和處理。其中，通信系統包括接收和發送兩個部分。數據處理部分是本發明的核心部分，用于完成數據幀的分解和微多普勒信息的提取。數據處理部分在原有的通信系統中增加了幀的分解、前導數據的提取以及微多普勒信息的提取。

這種設計方式在不影響通信系統功能的情況下完成了數據的提取和分析，符合推廣和使用，因為通信信號用于識別的前提就是不影響信號的原有功能，在通信的基礎上實現識別才能體現該技術的意義。

首先介紹改進后的通信系統的結構：

本實例中可以選取任何的通信協議所規定的幀格式進行通信。

發送端：

1.首先將原始信息編碼。由于微普勒信息的提取和通信內容無關，所以只需保證正常的通信，然后以固定的間隔發送數據幀，通信系統如圖1所示。

2.對編碼后的信息進行編碼，之后給映射得到的編碼序列增加前導序列，

3.然后增加幀頭和幀尾，形成完整的數據幀，

接收端：

1.幀定界。此處的幀定界采用滑動相關的方式實現。滑動相關是用標準的長前導序列和接收數據做窗口大小固定的相關運算實現的。前導是由發送端加在數據幀前端用于完成通信功能的固定序列。如果我們使用標準的前導序列和接收數據進行滑動相關運算，窗口大小為固定序列的長度，理論上就可以產生明顯的峰值點。我們根據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表示前導的總長度，表示前導序列的采樣點，表示前導序列的采樣點的個數，arg max₃表示能量值最大的索引的位置，很顯然，我們就可以給出數據部分的起始位置：

n_p＝max(N_p)

其中，n_p表示數據部分的起始位置，然后根據幀結構得到幀的起始位置。

2.相偏矯正和信道估計。由于發送端和接收端的采樣時間不同步，所以會產生相位偏移，這個相位偏移可以通過導頻子載波進行修正；除了相位偏移以外，載波的幅值也會發生非線性的變化，這與信道特性密切相關，通過信道估計便可消除載波幅值的非線性影響。在信道估計時，我們也需要消除子載波中的直流分量以及導頻子載波。

3.幀解碼。將解碼出來的數據部分通過與相應的調制方式的星座圖進行映射，然后選擇合適的方式進行解碼，最后得到輸出信息序列。

其次是數據提取和處理：

1.前導序列的獲取

在系統結構中的步驟1中，在幀定界過程中，我們確定了數據部分的起始位置，根據相應的幀結構，我們可以確定前導的位置。我們對基帶信號的采樣頻率為R_b進行采樣，每幀數據中，發送長前導和短前導序列的時間均為T_s，這個時間是對用于信道估計的采樣時間。在實例中，結合采樣頻率R_b我們可以得到采樣點的個數：

N_s＝R_b*T_s

作為提取多普勒信息的原始數據。

2.數據處理

1)在數據采集部分，給出了每一幀數據中得到的采樣點，采集一組手勢總共發送N_frame幀數據，形成N_p*N_frame的矩陣；

2)數據歸一化處理；

3)由于通信過程中信號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)繪制采集數據的時頻圖，通過時頻圖即可得到由于測試人員運動而產生的頻率信息；

5)利用多普勒公式：

其中，f₀為運動物體產生的多普勒頻移，v_c為物體運動速度，cosθ為物體運動方向和信號傳輸方向的夾角，f_c為載波頻率，c₀為光速，

可獲得運動物體的多普勒頻移和運動速度之間的關系。

實驗場景。

1.實驗條件

保證通信系統正常工作。

采集數據:兩臺設備保持正常通信，收發設備之間，存在運動物體。

按照步驟對數據進行處理，最終得到信號的多普勒頻移，進而求出運動物體的速度。

結論：

當設備之間進行通信時，如果該環境中有物體在運動，就會對通信信號產生影響，從而使運動物體的運動信息包含在了通信信號中，通過提取通信信號中的微多普勒信息確定人體目標的運動狀態，實現通信識別一體化是未來技術發展的一個趨勢。以往提取通信信號中的微多普勒信息的方法往往忽略了通信信號本身的特點，所以本發明結合通信信號數據幀的特點給出了一種的提取通信號中所包含的微多普勒信息的方法。

實例中所給出的對于運動物體速度的檢測，是本發明較佳的實施方式，但本發明的保護范圍不限于此，任何本技術領域的普通技術人員在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以對本方法做若干改進，這些改進也視為本發明的保護范圍。