一种基于综合互素分析的宽带频谱感知方法及其装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于综合互素分析的宽带频谱感知方法及其装置，该感知方法包括以下步骤：对输入信号进行处理，获取原互素谱输出；对经两次下采样后的信号进行处理，获取互补互素谱输出；利用通过能量检测器的原互素谱输出的能量检测结果、和互补互素谱输出的能量检测结果分别求得第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果；通过第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果获取到指示性功率谱。该感知装置包括：微控制器、输出驱动及显示电路。本发明可在远低于奈奎斯特速率和盲估计的前提下，对原互素谱分析器和互补互素谱分析器两者的能量输出的统计分布特性进行综合检测。
【专利说明】
一种基于综合互素分析的宽带频谱感知方法及其装置
技术领域
[0001] 本发明涉及数字信号处理领域，尤其涉及一种基于综合互素分析的宽带频谱感知 方法及其装置，具体涉及信号欠采样、互素感知、多相滤波、频谱估计、滤波器设计。
【背景技术】
[0002] 无线电频谱是国家的战略资源，若有效开发和利用该资源，就可创造出大量物质 财富和引发巨大社会效益。传统的无线频谱资源的分配是通过政府部门以发许可证的形式 分配给主用户(Primary Users，PU)，但伴随着移动通信、广播电视、无线局域网、物联网等
技术领域对无线电频谱资源需求的日益增长，频谱资源的匮乏已经成为突出问题。
[0003] 为应对如今大量移动无线装置和系统所带来的不断增加的带宽需求，认知无线 (CR)电技术应运而生。作为一项有前景的无限通信技术，通过动态定位空白频谱，认知无线 电技术能实现机会性传输，从而高效的利用无线电频谱资源并解决如今存在的频谱拥塞问 题[1][2]。而认知无限电技术中的关键技术就是频谱感知，基于频谱感知的结果，认知无线 电系统才能搜寻到未利用频带，从而在不干扰正在进行通信传输的用户的前提下进行机会 性传输。由于在典型的认知无线电场景中，现有技术对于当前频谱的占用信息并无先验知 识，因此对整个宽频带进行感知是十分必要的。
[0004] 传统的基于奈奎斯特采样的频谱感知方法有能量检测，滤波器组频谱感知和多窗 谱估计等方法[3]。但对于宽带频谱感知，如果运用传统的奈奎斯特采样方法对整个宽频带 进行采样，将会需求非常高的采样速率，而现今模数转换器(Analog-Digital Converter) 的性能和成本要求也难以满足需求(受最高模数转换速率限制）。
[0005] 针对此问题，国内外许多学者开始利用压缩感知[4]方法进行谱感知，该类方法先 利用远低于奈奎斯特速率采样而得的亚奈奎斯特样本来重构信号，然后再对重构出的信号 进行频谱感知，常见的信号重构方法有基追踪(BP) [5]和贪婪追踪算法（如正交匹配追踪 0MP)[6]。压缩感知方法又可根据先验知识的有无分为盲恢复和非盲恢复，非盲恢复所需要 的采样速率一般低于盲恢复的所需速率。以基于模数转换器组的亚奈奎斯特采样方法[7] 为例，盲恢复方法[8]能在不需子带信息的情况下，用至少2M个模数转换器恢复Μ个子带的 信号。
[0006] 但对于谱感知应用来说，由于其目的是确定活跃频带的位置，因此没有必要先利 用压缩感知等方法恢复原来的信号。省去信号重构的过程，就能大幅提高亚奈奎斯特采样 下的频谱感知效率。根据该思路，学者王晓东利用模数转换器组采样所得的低速率样本估 计出了宽带信号的功率谱[9]。但其方法仍需要一些先验知识来保证功率谱的成功恢复。因 此，找到能在实践中应用的稀疏谱盲估计方法，彻底摆脱高速采样器的约束，是一个亟待解 决的难题。
[0007] 为解决稀疏谱估计问题，近年来，一种新型的谱估计方法一互素感知（c 〇 - p r i m e sensing)理论[10-13]受到越来越多的关注，该方法首先对单个模拟输入信号作两路并行 的稀疏采样(要求两路下采样因子M、N数值满足互素关系），然后对得到的两路稀疏样本分 别作多相滤波，将单通道信号转换成多通路子信号，再同时对两路并行的多相滤波输出信 号做IDFTdnverse DFT)，最后对IDFT输出的多通道信号做互相关扫描以估计信号频谱位 置，从而获得真正意义上的高分辨率谱。该方法因经历了两级下采样(互素下采样和多相滤 波下采样），故非常适合于低数据率应用场合，且结构简单，算法清晰，一定程度上解决了稀 疏谱估计问题。该欠采样谱感知方法在分析窄带信号时展现出很高的价值[10-13]。
[0008] 发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：
[0009] 将经典的互素感知方法用于分析宽带信号时，会产生非常严重的交叉项干扰，在 谱图上表现为多处幅值较大的伪峰，从而使得真实的各个宽带谱的中心频率变得模糊不 清。
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【发明内容】
[0024] 本发明提供了一种基于综合互素分析的宽带频谱感知方法及其装置，本发明详见 下文描述：
[0025] -种基于综合互素分析的宽带频谱感知方法，所述感知方法包括以下步骤：
[0026]对输入信号进行处理，获取原互素谱输出；
[0027]对经两次下采样后的信号进行处理，获取互补互素谱输出；
[0028]利用通过能量检测器的原互素谱输出的能量检测结果、和互补互素谱输出的能量 检测结果分别求得第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果；
[0029]通过第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果获取到指示性功率谱。
[0030]所述对输入信号进行处理，获取原互素谱输出的步骤具体为：
[0031] 对输入信号进行两路下采样，得到两路稀疏信号；
[0032] 对两路稀疏信号分别进行多相滤波，输出两个多通道稀疏信号，由两个多通道稀 疏信号可以分别得到对应的多通道输出序列；
[0033]在每个时刻，对2路多通道输出序列分别进行IDFT，分别得到输出序列；
[0034]对输出序列互相关，得到原互素谱输出。
[0035]所述对经两次下采样后的信号进行处理，获取互补互素谱输出的步骤具体为： [0036]对经两次下采样后的信号中的每路信号分别加上相移、并进行IDFT分别得到输出 序列；
[0037]求取输出序列的互相关，得到互补互素谱输出。
[0038]所述利用通过能量检测器的原互素谱输出的能量检测结果、和互补互素谱输出的 能量检测结果分别求得第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果的步骤具体为：
[0039] 给定虚警概率，设定阈值，如果频谱输出大于阈值，能量检测器将谱位置i处判定 为已被占用；
[0040] 如果频谱输出小于等于阈值，能量检测器将谱位置i处判定为未被占用。
[0041] -种基于综合互素分析的宽带频谱感知的装置，所述感知装置包括：
[0042]微控制器，用于对输入信号进行处理，获取原互素谱输出；对经两次下采样后的信 号进行处理，获取互补互素谱输出；利用通过能量检测器的原互素谱输出的能量检测结果、 和互补互素谱输出的能量检测结果分别求得第一指示器的计算结果和第二指示器的计算 结果;通过第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果获取到指示性功率谱；
[0043] 输出驱动及显示电路，用于显示指示性功率谱。
[0044]所述微控制器包括：
[0045]原互素谱分析器，用于对输入信号进行处理，获取原互素谱输出；
[0046]互补互素谱分析器，用于对经两次下采样后的信号进行处理，获取互补互素谱输 出。
[0047] 本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明提出的基于综合互素分析的宽带频 谱感知方法及其装置，若用于宽带谱感知及实际工程领域，可产生如下有益效果：
[0048] 第一、极大降低宽带谱感知需要的采样速率；
[0049] 相对于传统的宽带频谱感知方法，本方法不仅省去了多余的信号重构步骤，还能 在使用欠采样的样本的情况下实现一定分辨率的谱重构。由于传统的感知方法需要用奈奎 斯特速率对整个宽频带上的信号进行采样，然后将信号重构出来，最后计算其功率谱。当频 带宽度达到GHz数量级时，传统感知方法需求的奈奎斯特采样速率将会超出现有模数转换 器所能达到的性能极限。而只要同时保证一定数量的馈入系统的快拍，本方法就能将采样 速率降低到 max(fs/M，fs/N)，其中M，N可以任意大小。显然本方法可以大幅降低所需的采样 速率，从而降低宽带谱感知的成本。
[0050] 例如实验1中，仅用45.45MHz的最高采样速率就实现了本需要1.5GHz采样速率进 行采样才能实现的理想结果。
[0051 ]第二、能精确估计真实的谱占用情况；
[0052]本方法提出的谱感知方法能实现分辨率为fs/MN的谱占用估计，频点数为MN。可见 在保持一定fS的情况下，选取适量大的互素整数对就可以保证不漏掉某些窄带信号的谱成 分。
[0053]由实验1可以看出，选取互素整数对M = 37，N = 33就能将所有12个带宽为5MHz的子 带信号给定位出来。
[0054]第三、具有较高的抗噪性能。
[0055]互素感知谱估计方法需要进行一定量的样本平均，因此会造成一定的延迟时间 (信号的各个快拍可以相互重叠，便可大幅降低延迟时间），但却能达到很强的抑制噪声的 效果；
[0056]例如在实验2中，在SNR = -50dB这样的情况下，分析器仍能得出清晰的频谱分布。
【附图说明】
[0057]图1为一种基于综合互素分析的宽带频谱感知方法的流程图；
[0058]图2为原互素谱分析器的流程图；
[0059]图3为互补型互素谱分析器的流程图；
[0060]图4为Remez算法设计的低通滤波器传输曲线图；
[0061]图5为互素宽带频谱感知的结果图；
[0062]图6为原始互素感知输出的结果图；
[0063]图7为SNR = 0dB下的感知情况示意图；
[0064] 图8为SNR = -50dB下的感知情况示意图；
[0065]图9为本发明的硬件实施图；
[0066]图10为DSP内部程序流图。
【具体实施方式】
[0067]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0068]为了去除现有技术方法中存在的伪效应，本发明实施例提出了基于综合互素分析 的宽带频谱感知方法，该方法可在远低于奈奎斯特速率和盲估计的前提下，对原互素谱分 析器和互补互素谱分析器两者的能量输出的统计分布特性进行综合检测。
[0069] 实施例1
[0070] 本发明实施例提出的宽带频谱感知方法的流程如图1所示，该方法主要包括信号 的互素感知处理，能量探测器以及频谱结合计算，详见下文描述：
[0071] 101:对输入信号进行处理，获取原互素谱输出；
[0072] 102:对经两次下采样后的信号进行处理，获取互补互素谱输出；
[0073] 103:利用通过能量检测器的原互素谱输出的能量检测结果、和互补互素谱输出的 能量检测结果分别求得第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果；
[0074] 104:通过第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果获取到指示性功率谱。
[0075]其中，步骤101中的对输入信号进行处理，获取原互素谱输出的步骤具体为：
[0076] 对输入信号进行两路下采样，得到两路稀疏信号；
[0077] 对两路稀疏信号分别进行多相滤波，输出两个多通道稀疏信号，由两个多通道稀 疏信号可以分别得到对应的多通道输出序列；
[0078]在每个时刻，对2路多通道输出序列分别进行IDFT，分别得到输出序列；
[0079]对输出序列互相关，得到原互素谱输出。
[0080]其中，步骤102中的对经两次下采样后的信号进行处理，获取互补互素谱输出的步 骤具体为：
[0081]对经两次下采样后的信号中的每路信号分别加上相移、并进行IDFT分别得到输出 序列；
[0082]求取输出序列的互相关，得到互补互素谱输出。
[0083]其中，步骤103中的利用通过能量检测器的原互素谱输出的能量检测结果、和互补 互素谱输出的能量检测结果分别求得第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果的 步骤具体为：
[0084]给定虚警概率，设定阈值，如果频谱输出大于阈值，能量检测器将谱位置i处判定 为已被占用；
[0085]如果频谱输出小于等于阈值，能量检测器将谱位置i处判定为未被占用。
[0086]综上所述，本发明实施例提出了基于综合互素分析的宽带频谱感知方法，该方法 可在远低于奈奎斯特速率和盲估计的前提下，对原互素谱分析器和互补互素谱分析器两者 的能量输出的统计分布特性进行综合检测。
[0087] 实施例2
[0088]下面结合具体的计算公式、例子对实施例1中的方案进行详细的介绍，详见下文描 述：
[0089] 201:信号的互素感知处理；
[0090] Step 1对输入信号x(n)进行两路下采样，下采样因子分别为Μ和N(M和N为互素的 整数），得到两路稀疏信号xu(n)和Xv(n);
[0091 ] Step 2对xu(η)和xv(η)分别进行多相滤波，输出两个多通道稀疏信号：和 Ο)其中0彡P彡M-ι，0彡q彡N-l;
[0092] 其中，由两个多通道稀疏信号可以分别得到对应的多通道输出序列 元,,，⑷，/> = 0"，.，Af-1、Κ(π)，是=0, ·"Μ-1。
[0093] Step 3在每个时刻η，对多通道输出序列{.、,(》)，产〇，...，Μ -1}进行Μ点IDFT，得到输 出序列{uk(n)，k = 0, · · ·，Μ-1}。
[0094] 类似地，对多通道输出序列U,,(?U/ = 0..…~'-1 i进行N点IDFT，得到输出序列{V1 (η)，1 = 0, · · ·，Ν_1} 〇
[0095] Step 4对经两次下采样后的信号{Xu,P(n)，p = 0, . . .，Μ_1}中的每路信号分别加上 相移· · ·，Μ-1}，得到输出{ ，再重复Step 3得到输出 {稱是=0:，...,财-1}。
[0096] 同理可得到另一路输出/ = (U., iV -1}。
[0097] St印 5求取IDFT后的输出序列{uk(n)，k = 0, · · ·，M-1}和{νι(η)，1 = 0, · · ·，N-1}的 互相关，得到原互素谱输出? &(e'Ki),/ = 〇,U,MV-l };求取输出序列彳&(?)，& = 0....,A/-1 }和 { / = 的互相关，得到互补互素谱输出丨义(ew),f = 。
[0098] 202:能量探测器；
[0099] 给定虚警概率Pfa，设定阈值Th如式(1)所示
[0100] Th=v · Q_1(Pfa)+〇2 (1)
[0101] 其中，v是原互素功率谱输出九以，在谱位置i上统计得到的标准差；〇2是噪声功 率；
|是Q(x)的反函数，再将Pfa代入Qlx)中。
[0102] 如果频谱输出P(i)>Th，能量检测器将谱位置i处判定为已被占用；如果频谱输出 P(i)<T h，能量检测器将谱位置i处判定为未被占用。原互素谱分析器和互补型互素谱分析 器通过能量探测器后分别得到能量检测结果l(e" 3)和tw，。
[0103] 203 :频谱结合计算。
[0104] 利用通过能量检测器的原互素谱输出的能量检测结果！ K_)./ = (U...，MV-l卜.和 互补互素谱输出的能量检测结果（t(eW),/ = 0丄..，AW-l},按式⑵分别求得指示器p1(i)和 P2(i) 〇
[_]只心^) (2) p2{i)=Y^)Y"(^)
[0106]最后结合指示器计算公式(3)求得频谱。
[0108] 本发明的总体信号处理框架
[0109] 假设待检测的宽带信号s(t)由多子带组成，即
[0111]则感知周期内的观测信号可以表示为式(5)所示，其中n(t)代表加性高斯白噪声。
[0113] 再将观测信号分别输入到图2,3所示的基于滤波器组的互素谱分析器中，并通过 能量探测器，随后利用上述两路的输出序列构造口:⑴^⑴，再按式⑶求出指示性功率谱 P(i)〇
[0114] 综上所述，本发明实施例提出了基于综合互素分析的宽带频谱感知方法，该方法 可在远低于奈奎斯特速率和盲估计的前提下，对原互素谱分析器和互补互素谱分析器两者 的能量输出的统计分布特性进行综合检测。
[0115] 实施例3
[0116] 下面结合具体的计算公式对实施例1、2中方案的原理进行详细的介绍，详见下文 描述：
[0117] 301:原互素谱分析器
[0118]图2中，输入信号x(n)为假想的Nyquist采样，其采样间隔T=l/fNyq，分别以降采样 因子N、M(要求两者满足互素关系)并行下采样形成两路低速率流^仏)和χν(η)(这等效为用 两个采样速率为f Nyq/N、fNyq/M的ADC直接并行对输入模拟信号做离散化）；然后对Xu(n)(或 Xv (η))做Μ路(或N路)多相分解，并分别通过多相子滤波器EP(z)和Rq(z)进行滤波，再分别对各 相滤波的并行输出做Μ点的IDFT(或N点的IDFT)，最终对两路IDFT(即对应乘以IDFT矩阵朽； 和〇的各支路输出进行互相关扫描即得互素谱输出t W)，/==0,1,。
[0119] 302:互补型互素谱分析器
[0120]为了获取更直观的宽带信号功率谱，需要设计一个互补型互素谱分析器，图3中的 互补互素谱分析器相比于图2情况，大多数处理是相同的，不同之处仅作了如下处理：
[0121 ] 1)逐样本地交替改变xu,P(n)(或χν, Ρ(η))的符号；
[0122] 2)在进入滤波器组EP(Z)(或Rq(z))前，将第一步相移后的信号乘以(或e -jpVN 彡
[0123] 可以证明，以上处理等同于对整个输入信号x(n)做频移大小为0.5Af = ji/MN后， 得到与之互补的序列= ⑷勺原有互素谱分析结果义(#)。
[0124] 进而，在后面的步骤中，对原有互素谱输出和互补互素谱输出做综 合，可以消除交叉项干扰和伪峰效应。
[0125] 303:能量探测器
[0126] 从原互素谱分析器和互补型互素谱分析器的输出分别得到iX(ew)，i = 〇，U，MV-l; 和(eKti }。由于在宽带谱感知中，子带数量众多，夂(#)和之(e，可近似为 高斯随机序列（由中心极限定理可知），因此频谱检测问题可以表示为每个频点的二元假设 检验问题：
[0128]其中，v是原互素谱输出&(e1，(或元友，）在谱位置i上统计算出的标准差，〇 2是给 定的噪声功率，P(i)为未知的信号功率。因此将虚警概率Pfa定为：
[0130] 一旦确定了常虚警概率，则阈值Th可由式（1)计算。如果\(CK<i)(或义( elfii))>Th，声 明为m，能量检测器将频点i处判定为已被占用；如果s uw)(或之(#))彡Th，声明为Η〇,能 量检测器将频点i处判定为未被占用。
[0131] 综上所述，本发明实施例提出了基于综合互素分析的宽带频谱感知方法，该方法 可在远低于奈奎斯特速率和盲估计的前提下，对原互素谱分析器和互补互素谱分析器两者 的能量输出的统计分布特性进行综合检测。
[0132] 实施例4
[0133] 下面结合具体的试验数据对实施例1、2和3中的方案进行可行性验证，详见下文描 述：
[0134] (1)宽带频谱感知验证
[0135] 实验 1
[0136] 假设在一个认知无线电系统中，监视着的宽带谱范围为F=[fmin，fmax]。在感知周 期中，存在m个活动的不相干的子带信号，第i个子带信号给定为如下形式：
[0138] 其中，{cU[n]}是调制符号序列，gl(t)是脉冲成形函数(1\是码元间隔hgdt-nTO 为给每个传输码元加上的滤波函数4 1是81(〇的载波频率，假设各子带信号S1(t)，S2 (t)，. . .，sm(t)是相互独立且零均值的。
[0139] 本实验中，设fmin = 0,奈奎斯特速率fs = fmax=l/T=1.5GHz。子带带宽均设为5MHz (由符号宽度Ti确定），12路信号载波的标准化频率设为心=10 Δ f，f2=130 Δ f，f3 = 250 Δ f ,f4 = 370 Af,f5 = 490 Af ,f6 = 61〇Af ,f7 = 730 Af,f8 = 850 Af ,f9 = 97〇Af ,fi〇=l〇3〇A f，fn = 1090Af，f12 = 1210Af (频率分辨率Af = fmax/MN)。所有子带信号的{di[n]}均为 QPSK符号，脉冲成形函数8办)使用的是滚降系数为0.1的根升余弦函数，消耗的快拍数1^ = 1000，互素整数对取为M = 37，N = 33。能量探测器中的目标虚警概率Pfa设为0.01』(z)和G (z)使用Remez算法设计，传输曲线如图4所示。
[0140] 最终观测到的信号为将式(8)代入式(5)的结果，同时本例中将噪声设为0,抗噪性 能将在之后的实验中叙述，本方法估计的功率谱如图5所示。
[0141] 从图5中的P(i)可以看出，经过本方法，可以精确定位所有12个子带信号的载波位 置。图中仅仅通过能量探测器的输出4妒)和己妒):由于伪峰过多，均无法直接分辨出子带 信号的真实分布情况，必须将两者合理结合起来才能反应真实的谱占用信息。
[0142] 而对于未通过能量探测器的原始互素谱输出&(#)和&(#)如图6所示，虽然依稀 可见载波主峰的位置，但存在很多和主峰幅度相差不大的伪峰，使得其不适用于实际情况。
[0143] 以上表明了本方法既能大幅度降低采样速率(本实验中两路采样速率仅为fsl = WM~40.54MHz，fs2 = WN~45.45MHz)，又能真实地表示出整个宽频带上的频谱分布情 况。如果需要提高分析器的频率分辨率，可以在增加快拍数的同时改用更大的互素整数对。
[0144] 另外，从图5的检测结果的分布可看出，只要输入信号的谱可以隔开，就可以检测 所有谱峰的位置。因而本发明的方法是一种真正意义上的"盲"检测方法。
[0145] (2)加噪情况下鲁棒性实验
[0146] 实验 2
[0147] 选择与实验1相似的信号（仅将子带数改为m = 6,载波频率改为^ = 100 4 15 = 350 Af，f3 = 600 Af，f4 = 610A f，f5 = 715A f，f6= 1〇〇〇 Af)，使用零均值高斯白噪声构造 不同信噪比（SNR)的激励，快拍数Ls = 300。本实验将给出在信噪比为OdB和-50dB下的识别 情况，如图7和图8所示。
[0148] 由图7和图8可以看出，两种不同信噪比下均能准确定位^ = 100 Δ f，f2 = 350 Δ f， f3 = 600 Δ f，f4 = 610 Δ f，f5 = 715 Δ f，f6 = 1 〇〇〇 Δ f的主峰和少数旁峰。
[0149] 在信噪比为-50dB的情况下依然能够成功反应真实的频谱分布情况，并成功抑制 住所有的噪声成分，这主要是由于算法对信号一定数量的快拍进行平均的效果，虽然快拍 数增加也会带来感知时间的延长，但却增强了互素谱分析器的对噪鲁棒性。对于无线通信 信道中存在的大量噪声来说，本发明较好的抗噪性能使之能更好地适应于宽带频谱感知 中。
[0150 ]综上所述，本方法只需给定各子带中心频率的虚警检测概率，便可算出对应的能 量探测检测阈值，获得高精度的、完全抑制伪效应的宽带信号的中心频率检测结果。故本方 法在认知无线电、工业物联网等涉及欠采样无线谱感知的场合有较宽广的应用前景。
[0151] 实施例5
[0152] 下面结合具体的硬件，对实施例1-3中的方法设计对应的硬件装置，详见下文描 述：
[0153] -种基于综合互素分析的宽带频谱感知的装置，该感知装置包括：
[0154]微控制器，用于对输入信号进行处理，获取原互素谱输出；对经两次下采样后的信 号进行处理，获取互补互素谱输出；利用通过能量检测器的原互素谱输出的能量检测结果、 和互补互素谱输出的能量检测结果分别求得第一指示器的计算结果和第二指示器的计算 结果;通过第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果获取到指示性功率谱；
[0155] 输出驱动及显示电路，用于显示指示性功率谱。
[0156] 其中，微控制器包括：
[0157] 原互素谱分析器，用于对输入信号进行处理，获取原互素谱输出；
[0158]互补互素谱分析器，用于对经两次下采样后的信号进行处理，获取互补互素谱输 出。
[0159] 综上所述，本装置只需给定各子带中心频率的虚警检测概率，便可算出对应的能 量探测检测阈值，获得高精度的、完全抑制伪效应的宽带信号的中心频率检测结果。故本装 置在认知无线电、工业物联网等涉及欠采样无线谱感知的场合有较宽广的应用前景。
[0160] 实施例6
[0161] 下面结合图9和图10对实施例5中的感知装置进行进一步地说明，详见下文描述：
[0162] 在图9中，首先将实际观测信号、滤波器系数、互素整数对M，N和快拍数量Ls存入外 部RAM中，再将它们实时输入到DSP中，经过DSP内部核心算法，对信号进行下采样、多相滤 波、IDFT、能量探测器判决、指示器计算和频谱重构等，最后借助输出驱动显示及其显示模 块显示出整块频带上谱占用情况。
[0163] 其中，图9的DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器）为核心器件，在频 谱感知的过程中，完成如下主要功能：
[0164] 1)调用内部核心算法，完成实际采集信号的下采样、多相滤波、IDFT、能量探测器 判决、指示器计算和频谱重构等过程；
[0165] 2)控制下采样值以及信号样本，实时对其进行调整，使其符合实际需要；
[0166] 3)将谱感知结果实时输出至驱动和显示模块。
[0167] 需指出，由于采用了数字化的估计方法，因而决定图9系统的复杂度、正确性和稳 定性的主要因素并不是图9中DSP器件的外围连接，而是DSP内部程序存储器所存储的核心 算法。
[0168] DSP器件的内部程序流程如图10所示。
[0169] 本发明将所提出的"基于滤波器组的互素宽带频谱感知方法及其装置"的核心算 法植入DSP器件内，基于此完成高精度、低采样速率、高效的宽带谱感知。
[0170] 图10流程分为如下几个步骤：
[0171] 1)首先根据实际需要，设置信号的下采样值(M和N，互素的整数），并设计所需的滤 波器系数，用于多相滤波过程，同时给定快拍数量L s;
[0172] 2)然后，CPU主控器从I/O端口读取参设定的参数，进入内部RAM;
[0173] 3)本发明按图1的处理过程进行频谱感知的设计是DSP算法最核心的部分，运行该 算法后，即可得到所观测频带的占用情况；
[0174] 4)判断本方法是否满足实际需求，若不满足，程序返回，重新根据要求设定信号参 数；
[0175] 5)直至设计结果符合实际要求，然后通过DSP的输出总线输出至外部显示驱动设 备，将频谱感知结果进行数码显示。
[0176] 需指出，由于采用了DSP实现，使得整个频谱感知器设计变得更为灵活快捷，可根 据频谱感知器设计过程中的实际需要，灵活变换所需参数，使之最终符合工程需要。
[0177] 本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制， 只要能完成上述功能的器件均可。
[0178] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例 序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0179]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于综合互素分析的宽带频谱感知方法，其特征在于，所述感知方法包括以下 步骤： 对输入信号进行处理，获取原互素谱输出； 对经两次下采样后的信号进行处理，获取互补互素谱输出； 利用通过能量检测器的原互素谱输出的能量检测结果、和互补互素谱输出的能量检测 结果分别求得第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果； 通过第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果获取到指示性功率谱。2. 根据权利要求1所述的一种基于综合互素分析的宽带频谱感知方法，其特征在于，所 述对输入信号进行处理，获取原互素谱输出的步骤具体为： 对输入信号进行两路下采样，得到两路稀疏信号； 对两路稀疏信号分别进行多相滤波，输出两个多通道稀疏信号，由两个多通道稀疏信 号可以分别得到对应的多通道输出序列； 在每个时刻，对2路多通道输出序列分别进行IDFT，分别得到输出序列； 对输出序列互相关，得到原互素谱输出。3. 根据权利要求1所述的一种基于综合互素分析的宽带频谱感知方法，其特征在于，所 述对经两次下采样后的信号进行处理，获取互补互素谱输出的步骤具体为： 对经两次下采样后的信号中的每路信号分别加上相移、并进行IDFT分别得到输出序 列； 求取输出序列的互相关，得到互补互素谱输出。4. 根据权利要求1所述的一种基于综合互素分析的宽带频谱感知方法，其特征在于，所 述利用通过能量检测器的原互素谱输出的能量检测结果、和互补互素谱输出的能量检测结 果分别求得第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果的步骤具体为： 给定虚警概率，设定阈值，如果频谱输出大于阈值，能量检测器将谱位置i处判定为已 被占用； 如果频谱输出小于等于阈值，能量检测器将谱位置i处判定为未被占用。5. -种基于综合互素分析的宽带频谱感知的装置，其特征在于，所述感知装置包括： 微控制器，用于对输入信号进行处理，获取原互素谱输出；对经两次下采样后的信号进 行处理，获取互补互素谱输出；利用通过能量检测器的原互素谱输出的能量检测结果、和互 补互素谱输出的能量检测结果分别求得第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果； 通过第一指示器的计算结果和第二指示器的计算结果获取到指示性功率谱； 输出驱动及显示电路，用于显示指示性功率谱。6. 根据权利要求5所述的一种基于综合互素分析的宽带频谱感知的装置，其特征在于， 所述微控制器包括： 原互素谱分析器，用于对输入信号进行处理，获取原互素谱输出； 互补互素谱分析器，用于对经两次下采样后的信号进行处理，获取互补互素谱输出。
【文档编号】H04B17/382GK106027179SQ201610313147
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】黄翔东, 韩溢文
【申请人】天津大学