在多路复用频带中搜索有用信号的方法
【专利摘要】本发明涉及一种在具有频谱宽度大于ΔB的多路复用频带中搜索具有预定频谱宽度ΔB的有用信号的存在的方法(50)，所述方法包括步骤：(51)计算在所述多路复用频带中的功率频谱密度的频率信号表示，(54)通过适合消除具有频谱宽度等于或小于ΔB的信号的全部或部分的滤波器滤波频率信号，计算非有用信号，(56)计算频率信号与非有用信号的比率的功率比率信号表示，以及(57)比较功率比率信号与预定义阈值。本发明还涉及包括这种接收器单元的数字远程通信系统(10)的计算机程序产品、接收单元和站点(30)。
【专利说明】在多路复用频带中搜索有用信号的方法
[0001] 背景
[0002] 本发明属于数字通信领域，且更具体地涉及在具有频谱宽度大于AB的共享的频 带中，搜索预定义频谱宽度AB的有用信号的存在。
[0003] 技术现状
[0004] 在数字通信系统中，已知的是使用相同的频带，称为"多路复用频带"，用于从终端 到站点的有用信号的传输。
[0005] -般地，有用信号具有相同的频谱宽度，且所述频谱宽度是该站点预先已知的。在 某些情况下，也可能具有多个全部是该站预先已知的可能的频谱宽度。
[0006] 另外，可在其周围传输有用信号的中心频率，在最一般的情况下，也预先确定且是 站点预先已知的。从而，搜索在多路复用频带中传输的有用信号的存在，可限制为在每个可 能的中心频率的功率检测。
[0007] 然而，存在其中有用信号的中心传输频率事先不知道的情况。
[0008] 例如，发布的专利号为WO 2011/154466的国际PCT申请，描述了一种窄带数字通 信系统，其中有用信号的频谱宽度△ B在从几赫兹到几百赫兹的范围内。
[0009] 此外，为了确保强制统计频分多址（FSFDMA)，所述有用信号的频移大于频谱宽度 AB〇
[0010] 因此，可理解的是，在这种情况下，不可能预先知道有用信号在其周围可由数字通 信系统站接收的中心频率。因此，在整个多路复用频带中搜索有用信号的存在应被执行，且 应相应地伴随搜索中心频率（如果其沿时间变化，至少最初这样做），其中有用信号可在其 周围由站点接收。
[0011] 特别是在如果多路复用频带显著大于有用信号的频谱宽度AB的情况下，这种连 接的存在和中心频率的搜索实现起来是复杂的。
[0012] 概述
[0013] 本发明的目的是克服现有技术解决方案的所有或部分的局限性，特别是那些本文 以上所讨论的局限性，通过提供一种解决方案，其使得以简单而稳定的方式搜索有用信号 的存在成为可能，该有用信号具有在多路复用频带中事先不知道的中心频率。
[0014] 此外，本发明还旨在提供一种解决方案，其使得至少在某些实施方案中，仅检测能 够无错解码的有用信号。
[0015] 为了这个目的，且根据第一方面，本发明涉及在总体信号中寻找有用信号存在的 方法，所述有用信号对应于具有由在多路复用频带中的终端传输的、具有预定频谱宽度AB 的无线电信号，该多路复用频带具有大于AB的频谱宽度，总体信号对应于接收到的在多 路复用频带中的所有无线电信号。搜索方法包括以下步骤：
[0016] -计算表示以多路复用频带的基本频率采样的总体信号的功率频谱密度的频率信 号，
[0017] _计算称为"非有用信号"的信号，通过由滤波器滤波频率信号，该方法能够主要抑 制在所述频率信号中具有等于或小于AB的频谱宽度的所有信号或部分信号，
[0018] _计算称为"功率比率信号"的信号，其表示在每个基本频率上的频率信号与非有 用信号的比率。
[0019] -比较功率比率信号与预定阈值，对于所述功率比率信号具有大于所述阈值的局 部最大值的基本频率，被认为是存在于总体信号中的有用信号的中心频率。
[0020] 这样的搜索方法是相对容易实现的，因为在获得频率信号之后其需要很少的操 作。特别是，用来计算非有用信号的滤波器可以是简单的有限脉冲响应滤波器。
[0021] 还应当指出的是，用来计算非有用信号的滤波器是频率滤波器，也就是说，其在频 率域中执行对应于不同的基本频率的频率信号的不同样本的线性组合。
[0022] 因此，该频率滤波器的应用没有引入对应于卷积的必要计算时间的其它延迟，且 只引入了可容易地得到补偿的频移。因此，该搜索方法，通过使用频率滤波器，使得能够快 速地检测出在总体信号中有用信号，而使用适用于获得的用于不同连续时间的样本的时间 滤波器将必然引入取决所述时间滤波器的阶数的延迟。
[0023] 这样的搜索方法从其开始使用起也是鲁棒的，以确定有用信号是否存在于总体信 号中，功率比率信号是有用信号将在每个基本频率具有的信号-噪声/干扰比率的表示。
[0024] 事实上，非有用信号是表示在每个基本频率上的、事先抑制了在该基本频率接收 的、频谱宽度等于或小于AB的信号（且因此可能存在于总体信号中的所有有用信号）的 功率。
[0025] 频率信号是表示在每个基本频率，在该基本频率上接收的、对应于在该基本频率 上的非有用信号的功率的功率，其中所述非有用信号的功率可与存于该基本频率上的有用 信号的功率累积。
[0026] 在具体的实施方式中，搜索方法包括一个或多个以下特点，采用单独或根据所有 技术上可能的组合。
[0027] 在一个具体的实施方案中，其中基本频率由小于AB的采样间隔Ab分隔，该方法 包括：通过在基本频率上利用滑动窗口平均频率信号，计算称为"平均信号"的信号的步骤， 该滑动窗口具有基本上等于AB的宽度。在这种情况下，非有用信号通过滤波平均信号计 算，且功率比率信号在每个基本频率被作为平均信号与非有用信号的比率的表示来计算。
[0028] 由于该平均，在每个实质上频谱宽度AB的频段中，功率集中在基本上位于基本 上带宽AB的频带的中心的基本频率周围。从而，改进了有用信号的检测，特别是由于这一 事实，即在有用信号存在时，平均的信号将在最接近所述有用信号的实际中心频率的基本 频率的水平具有局部最大值，而这在频率信号中不一定成立。
[0029] 此外，考虑采样间隔Ab比AB小得多（例如，小于AB/4)是有利的，特别是提高 了有用信号的中心频率的准确性。因为随后有用信号的功率分布在频率信号的多个相邻样 本，则功率集中是更有利的。
[0030] 在一个具体的实施方案中，阈值被预先确定为在其之上具有低于5% (优选低于 1% )的错误解码有用信号的概率的功率比率信号的值。
[0031] "错误解码有用信号的概率"是指，在物理层的级别，在符号（BPSK、DBPSK、QPSK、 16QAM等）的解调制后且如果通过已经传输有用信号的终端已经执行信道编码则还在信道 解码之后获得的比特中有至少一个错误比特的概率。
[0032] 用于功率比率信号的这种阈值的选择是特别有利的，其中其使限制能够以高概率 无差错解码有用信号的检测成为可能。这样的阈值的选择是可能的，因为功率比率信号是 有用信号将在每个基本频率具有的信号-噪声/干扰比率的表示的事实，使得适合的阈值 可例如通过仿真预先定义。
[0033] 应当注意的是，这种错误解码有用信号的低概率的标准，与检测的高概率的标准 非常不同。事实上，在这个具体的实施方案中，仅其中其几乎确保具有无错解码的有用信号 才被检测。因此，如果错误解码有用信号概率太高，有用信号将不被检测，从而检测概率可 以是低的。
[0034] 优选地，这样的实施方案针对数字通信系统，其可容忍低性能的检测概率，例如由 于相同的有用信号由每个终端多次重发的事实。
[0035] 作为相对的方面，这种搜索方法能够优化旨在解码有用信号的站点的计算能力的 使用，这是由于所述计算能力主要用于足够强到可以被解码的有用信号的处理。
[0036] 根据第二方面，本发明涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括程序 代码指令集，当它们由一个或多个处理器执行时，根据本发明实现在总体信号中搜索有用 信号的存在的方法。
[0037] 根据第三个方面，本发明涉及一种单元，其用于接收对应于预定义频谱宽度AB 的无线电信号的有用信号，该信号由具有大于AB的频谱宽度的多路复用频带中的终端传 输，所述接收器单元包括被配置用于根据本发明的方法搜索在多路复用频带中有用信号存 在的装置。
[0038] 根据第四方面，本发明涉及数字通信系统的站点，包括根据本发明的接收器单元。
[0039] 附图描述
[0040] 在阅读下面的描述中作为非限制性的实例，本发明将更好地理解，相关附图示出 为：
[0041] -图1 :数字通信系统的简化表示，
[0042] -图2 :示出了有用信号搜索方法的主要步骤的图，
[0043] -图3a至3d :在图2的搜索方法步骤的输出得到的频率信号的实例。
[0044] 在这些图中，从一个附图到另一个中相同的引用，指示相同或相似的元件。为清楚 起见，所示元件并不按比例绘制，除非另外提及。
[0045] 实施方案的详细讨论
[0046] 图1非常示意性地示出了通信系统10,其包括多个终端20和一个站点30。
[0047] 在本发明的上下文中，"站点"通常是指任何能够接收无线电信号的接收器设备。 站点30是任何终端20的实例，或特定设备，诸如有线或无线通信网络的接入点，集中由每 个所述终端20传输的数据。
[0048] "无线电信号"是指经由无线方式传播的电磁波，具有在无线电波的常规频谱（从 几赫兹到几百千兆赫）中的频率或在相邻频带中的频率。
[0049] 应当指出的是，主要考虑从终端20到站点30的数据传输的情况。从站点30到终 端20的数据的可能传输不包括在本发明的范围内。
[0050] 终端20以共享频带传输有用信号到站点30,该频带被称为"多路复用频带"，具有 频谱宽度AM。
[0051] 由终端20传输的有用信号具有小于AM的预定频谱宽度AB。优选地，多路复用 频带的频谱宽度am显著大于有用信号的频谱宽度AB，能够多路复用大量终端20。例如， 频谱宽度AM大于频谱宽度AB至少一百倍。
[0052] 频谱宽度AB和AM均被站点30预先已知。然而，终端20围绕其传输有用信号 的中心频率不必由站点30预先已知。例如，如前面所指出的，当在有用信号的频移大于所 述有用信号的频谱宽度AB时，这是成立的（参见国际申请WO 2011/154466)。
[0053] 以下描述中认为，没有这种限制，数字通信系统，诸如在国际申请WO 2011/154466 中描述的，其中有用信号具有窄频带（频谱宽度AB的范围从几赫兹到几百赫兹）且所述 有用信号的频移大于频谱宽度AB。
[0054] 还应当指出的是，有用信号的频谱宽度AB对应于所述有用信号的瞬时频谱宽 度。确实应该理解的是，特别是由于所述有用信号的频移的情况下，随着时间推移由有用信 号连续采用的频率应该对应于具有宽度大于AB的频带。
[0055] 相应地，站点30应搜索在整个多路复用频带中的有用信号的存在，与搜索在所述 多路复用频带中存在的有用信号的中心频率结合。
[0056] 为了这个目的，站点30特别地包括能够接收与所有在多路复用频带中接收到的 无线电信号对应的总体信号的接收器单元。
[0057] 该接收器单元包括模拟接收器模块和数字接收器模块。
[0058] 模拟接收器模块包括视为本领域技术人员已知的一组装置（天线、模拟滤波器、 放大器、本地振荡器、混频器等），其能够改变总体信号的频率。
[0059] 模拟接收器单元输出模拟信号，该信号与围绕低于多路复用频带中心频率的中间 频移的总体信号对应，且其可以是零（在这种情况下，相应的以已知的方式，提供两路模拟 信号到在同相I和正交Q的路径）。
[0060] 以已知的方式，该数字接收器模块包括一个或多个模拟-数字转换器（A/D)，其能 够以预定的采样周期采样由模拟接收器模块传送的模拟信号，以获得表示该模拟信号的数 字信号St。
[0061] 该数字接收器模块还包括用于处理A/D转换器输出的数字信号的单元。基于数字 信号，该处理单元特别地执行在总体信号中搜索有用信号的存在的方法50的步骤，这些将 在下面进一步详细描述。
[0062] 例如，处理单元包括处理器和具有其中存储计算机程序产品的电子存储器，以一 组程序代码指令的形式，当其由处理器执行时，根据本发明实现搜索有用信号的存在的方 法50的所有步骤或部分步骤。在一个变型中，处理单元包括可编程逻辑电路、FPGA、PLD等 类型和/或专用集成电路（ASIC)，能够实现所述搜索方法50的所有步骤或部分步骤。
[0063] 图2示出了在多路复用频带中搜索由终端20传输的有用信号存在的方法50的主 要步骤，其是：
[0064] -51计算频率信号Sf，
[0065] -54计算称为"非有用信号"的信号Snu，
[0066] -56计算称为"功率比率信号"的信号Srp，
[0067] -57比较功率比率信号Srp与预定义的阈值。
[0068] 在图2中示出的实施方式中，除了上述主要步骤之外，搜索方法50还包括将在下 文中描述的任选的步骤。
[0069] 在计算步骤51中计算的频率信号Sf是总体信号的功率频谱密度的表示，以下所 述功率频谱密度被称为"PSD"。
[0070] 更具体地，频率信号Sf由表示以多路复用频带中规律分布的基本频率 fn (0彡n彡N-1)在总体信号的功率频谱密度PSD采样的N个值的样本Sf (n) (0彡n彡N-1) 组成，其中多路复用频带具有采样间隔Ab假定使得N* Ab= AM。换句话说：
[0071] -Sf = {Sf(n)，其中 0 彡 n 彡 N-1}，
[0072] -Sf (n)?PSD (fn)，〃?〃意思是〃表示"，
[0073] -fn = fO+n ? Ab，其中 N-1。
[0074] 为了准确地估算存在于总体信号中的可能的有用信号的中心频率，采样间隔Ab 还被选择为小于有用信号的频谱宽度AB。在优选的实施方案中，采样间隔Ab比频谱宽度 AB小得多，例如小于AB/4。
[0075] 图2示出了计算频率信号Sf的步骤51的特定实施方案。在该实施方案中，计算 频率信号Sf的步骤51包括子步骤：
[0076] -510计算数字信号St的快速傅里叶变换（FFT)，其中St是定义在时域的信号，
[0077] -在每个基本频率，511计算的频率信号Sf作为快速傅立叶变换的结果的模值。
[0078] 已知数字信号St (总体信号的表示）的功率频谱密度，在每个基本频率，通过计算 快速傅立叶变换的结果的模值的平方获得。因此，频率信号Sf由下面的表达式被链接到总 体信号的功率频谱密度PSD :
[0079] S/(n) = ^PSD(fn)
[0080] 图3a以对数刻度示出了搬移到基带的总体信号的功率频谱密度PSD的实 例。换句话说，图3a示出了对于分布在频率间隔[-AM/2 ;AM/2]的基本频率的函数 20 ? log(Sf(n))的变化。
[0081] 应当注意的是，在图3a中，功率频谱密度PSD包括集中在零频率的谱线，其对应于 不希望的DC分量，在所述图3a中称为"DC"。零频率通常是非常大的干扰（disturbed)，其 确实是被由本领域技术人员所知的，由此在搜索有用信号的存在中其通常被忽略，这是由 于下面的事实：
[0082] -不需要的DC分量风险导致错误的检测（即，错误地认为中心位于零频率的有用 f目号是存在的），
[0083] _即使有用信号将出现且位于零频率，对其无错误解码的概率也是低的。
[0084] 在图2中示出的实施方式中，搜索方法50包括计算称为"平均信号"的信号Sm的 步骤52。在步骤52中计算出的平均信号Sm是使用在基本频率fn (0 < N < N-1)上的滑动 窗口的对频率信号Sf?进行平均获得的，所述滑动窗口具有基本上等于有用信号的频谱宽 度AB的宽度。
[0085] 频率信号Sf的这种平均的目的是集中功率，在每个基本上具有频谱宽度A B的频 带中，基本上围绕位于频谱宽度AB基本上的频带的中心的基本频率。从而，在有用信号存 在时，平均信号Sm应该理论上包括在最接近于所述有用信号的实际中心频率的基本频率 的水平的局部极大值，而这在频率信号sf?中不一定成立。
[0086] 因此，平均信号Sm表示在每个基本频率上以该基本频率为中心的频谱宽度AB的 频带中接收的全部功率，其对应于在该频带中的非有用信号的功率，可能与存在于该频带 中的有用信号的功率累积。
[0087] 例如，计算平均信号Sm的步骤52包括计算下列表达式：
【权利要求】
1. 一种在总体信号中搜索有用信号的存在的方法（50)，所述有用信号对应于具有预 先定义的频谱宽度AB、由终端在多路复用频带中传输的无线电信号，所述多路复用频带具 有大于AB的频谱宽度，所述总体信号对应于在所述多路复用频带中接收的全部无线电信 号，其特征在于它包括以下步骤： -(51)计算频率信号，该频率信号表示以所述多路复用频带的基本频率采样的所述总 体信号的功率频谱密度， _(54)通过能够抑制频谱宽度等于或小于AB的全部或部分信号的滤波器，对所述频 率信号滤波，计算称为"非有用信号"的信号， _ (56)计算称为"功率比率信号"的信号，其为所述频率信号在每个基本频率上与所述 非有用信号的比率的表示， -(57)比较所述功率比率信号和预定义阈值，其中所述功率比率信号具有比所述阈值 更大的局部最大值的基本频率被认为是存在于所述总体信号中的有用信号的中心频率。
2. 根据权利要求1所述的方法（50)，其特征在于，所述基本频率由小于A B的取样间 隔A b分隔，所述方法包括通过使用滑动窗口在所述基本频率上平均所述频率信号，计算 称为"平均信号"的信号的步骤（52)，所述滑动窗口具有基本上等于AB的宽度，且： -所述非有用信号由对所述平均信号进行滤波来计算， -所述功率比率信号被计算作为在每个基本频率上的所述平均信号与所述非有用信号 的比率的表示。
3. 根据权利要求2所述的方法（50)，其特征在于，计算所述平均信号的所述步骤（52) 的过程中考虑的所述滑动窗口是矩形窗口。
4. 根据上述权利要求中的任一项所述的方法（50)，其特征在于，所述阈值被预先确定 为在其之上错误解码有用信号的概率低于5%、优选地低于1%的所述功率比率信号的值。
5. 根据上述权利要求中的任一项所述的方法（50)，其特征在于，所述基本频率由小于 AB/4的米样间隔Ab分隔。
6. -种计算机程序产品，其特征在于，其包括程序代码指令集，当所述程序代码指令集 由处理器执行时，实现在前述权利要求中的任一项所述的在总体信号中搜索有用信号的存 在的方法（50)。
7. -种用于接收有用信号的接收单元，所述有用信号对应于预定义频谱宽度AB的无 线电信号，其由终端在具有大于AB的频带宽度的多路复用频带中传输，其特征在于，所述 接收单元包括被配置为根据权利要求1至5中的任一项所述的方法（50)在所述多路复用 频带中搜索有用信号的存在的装置。
8. -种数字远程通信系统（10)的站点（30)，其特征在于，包括如权利要求7所述的接 收单元。
【文档编号】H04J1/12GK104509056SQ201380034149
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年7月5日 优先权日:2012年7月5日
【发明者】塞德里克·阿蒂格 申请人:西格弗克斯公司