专利名称：频谱感知装置及其感知方法
技术领域：
本发明涉及的频谱感知装置，包括高频模拟前端模块、无线电天线接口 (SMA， SubMiniature A)模块、中频数字信号处理模块、基带信号处理模块、电源模块和显示模块， 其中高频模拟前端模块与无线电天线接口模块相连传输中频模拟电压信号，无线电天线 接口模块与中频数字信号处理模块相连传输中频模拟电流信号，中频数字信号处理模块与 基带信号处理模块相连传输窄带基带信号，基带信号处理模块与显示模块相连传输频谱感 知数据，电源模块分别与高频模拟前端模块、中频数字信号处理模块和基带信号处理模块 相连传输电源信号。 所述的高频模拟前端模块将小功率射频信号经过变频、调谐和放大后变换成中 频信号，该模块包括天线、混频器、调谐器和放大器，其中天线与混频器相连传输高频信 号，混频器与调谐器相连传输含有和频分量与差频分量的信号，调谐器与放大器相连传输 经过调谐选出的中频信号，放大器与无线电天线接口模块相连传输经过放大的中频模拟电 压信号。 所述的中频数字信号处理模块将中频信号经过带通采样、数字下变频和抽取滤波 处理后搬移到基带，该模块包括模数转换模块和FPGA(现场可编程门阵列)模块，其中 模数转换模块与无线电天线接口模块相连传输中频模拟电流信号，模数转换模块与FPGA 模块相连传输中频数字信号，FPGA模块与基带信号处理模块相连传输窄带基带信号。
所述的FPGA模块包括数字下变频模块和抽取滤波器，其中数字下变频模块与 模数转换模块相连传输中频数字信号，数字下变频模块与抽取滤波器相连传输基带信号， 抽取滤波器与基带信号处理模块相连传输窄带基带信号。 所述的基带信号处理模块对信号信息进行FFT(Fast Fourier Transfer,快速傅
里叶变换)变换，判断信道是否被占用，从而完成频谱感知。 本发明涉及的上述频谱感知装置的感知方法，包括以下步骤 第一步，初始化中频数字信号处理模块，并根据频谱感知的精度和实时性要求，设
定装置的FFT变换长度N、计算周期T、比较阈值k和抽取因子n。 所述的初始化中频数字信号处理模块，是基带信号处理模块根据VID(供应商识 别码)和PID (产品识别码)将FPGA模块设置位流下载至中频数字信号处理模块。
所述的频谱感知的精度为最小频谱区分度。
所述的实时性要求为每次输出结果的间隔时间。 第二步，启动高频模拟前端模块并接收射频信号，将高频模拟信号转换为中频模 拟信号。 所述的高频模拟信号转换为中频模拟信号，具体是将天线接收到的高频信号经 调谐回路送至混频器，混频器输出包含和频分量与差频分量的信号，该信号经调谐器调谐 选出中频信号，经过放大器放大后输出中频模拟电压信号。 第三步，中频模拟信号经中频数字信号处理模块进行AD采样，由FPGA模块根据预先设定的抽取因子n完成数字下变频和抽取滤波，并将得到的窄带基带信号输出给基带信 号处理模块。 所述的数字下变频和抽取滤波，具体是AD采样输入的信号分别与数控振荡器产
生的正弦波样本值和余弦样本值相乘以完成混频，混频后的信号经抽取滤波器后得到处理
频段的一个窄带信号，且该信号的带宽等于AD采样率除于抽取因子n的商。 第四步，基带信号处理模块根据预先设定的FFT变换长度N、计算周期T和比较阈
值k，利用频谱感知判定方法对窄带信号依次进行FFT变换、积分和阈值判定，并将得到的
频谱检测结果输出给显示模块进行显示。 所述的频谱感知判定方法，具体是 1)将输入的基带数字信号存入第一缓存区，当第一缓冲区中该信号的存入数达到 预先设定的FFT变换长度N后，对这些信号进行FFT变换，并对得到的复数幅值进行求模处 理后传输至第二缓冲区； 2)当第二缓存区中存入的数据组数目达到预先设定的计算周期T后，得到这个周 期内的平均能量强度E; 3)测量得到噪声平均值S，并将平均能量强度E与噪声平均值S进行相减，当该差 值大于比较阈值k时，输出该信道被占用的信息到显示模块；否则，输出该信道未被占用的 信息到显示模块。 与现有技术相比，本发明的有益效果是装置简单、成本低，容易实现，易于在真实 频谱环境下测试和应用；方法在保证检测准确性的同时，大幅的提高了检测的速度。
图1是本发明装置的组成示意图； 其中1-高频模拟前端模块；2-无线电天线接口模块；3_中频数字信号处理模 块；4-基带信号处理模块；5-电源模块；6-显示模块；7-天线；8-混频器；9-调谐器； 10-放大器；11-模数转换模块；12-FPGA模块；13-数字下变频器；14_抽取滤波器。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例进一步描述本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。
实施例 如图1所示，本实施例涉及的频谱感知装置，包括高频模拟前端模块1、无线电天 线接口模块2、中频数字信号处理模块3、基带信号处理模块4、电源模块5和显示模块6，其 中高频模拟前端模块1与无线电天线接口模块2相连传输中频模拟电压信号，无线电天线 接口模块2与中频数字信号处理模块3相连传输中频模拟电流信号，中频数字信号处理模 块3与基带信号处理模块4相连传输窄带基带信号，基带信号处理模块4与显示模块6相 连传输频谱感知数据，电源模块5分别与高频模拟前端模块1、中频数字信号处理模块3和 基带信号处理模块4相连传输电源信号。 所述的高频模拟前端模块1将小功率射频信号经过变频、调谐和放大后变换成中
6频信号，该模块包括天线7、混频器8、调谐器9和放大器10，其中天线7与混频器8相连
传输高频信号，混频器8与调谐器9相连传输含有和频分量与差频分量的信号，调谐器9与
放大器10相连传输经过调谐选出的中频信号，放大器10与无线电天线接口模块2相连传
输经过放大的中频模拟电压信号。 所述的天线7的型号是RFX2400。 所述的混频器8的型号是LTC554x。 所述的放大器10的型号是0PA376。 所述的中频数字信号处理模块3将中频信号经过带通采样、数字下变频和抽取滤 波处理后搬移到基带，该模块包括模数转换模块11和FPGA模块12，其中模数转换模块 11与无线电天线接口模块2相连传输中频模拟电流信号，模数转换模块11与FPGA模块12 相连传输中频数字信号，FPGA模块12与基带信号处理模块4相连传输窄带基带信号。
所述的模数转换模块11是A/D9862模数转换器，该转换器将中频模拟信号进行带 通采样，转换为中频数字信号。 所述的FPGA模块12是Cyclone EP1C12芯片，该芯片包括数字下变频器13和抽 取滤波器14，其中数字下变频器13与模数转换模块11相连传输中频数字信号，数字下变 频器13与抽取滤波器14相连传输基带信号，抽取滤波器14与基带信号处理模块4相连传 输窄带基带信号。 所述的抽取滤波器14是四阶级联的积分梳状抽取滤波器，完成指定频率窄带信 道的提取。 所述的数字下变频器13完成数字采样中频信号到基带信号的频谱搬移。 所述的基带信号处理模块4是DSP TMS320C5416，该模块对信号信息进行FFT变
换，判断信道是否被占用，从而完成频谱感知。 本实施例涉及的上述频谱感知装置的感知方法，包括以下步骤 第一步，中频数字信号处理模块3进行初始化，根据频谱感知的精度和实时性要
求，设定装置的FFT变换长度N、计算周期T、比较阈值k和抽取因子n。 所述的中频数字信号处理模块3进行初始化，包括中频数字信号处理模块3向
基带信号处理模块4提供VID = 0x04B4和PID = 0x8613和版本号0x01 ;基带信号处理模
块4检测到中频数字信号处理模块3的PID = 0x8613后，加载启动代码至中频数字信号处
理模块3 ;中频数字信号处理模块3根据启动代码重新启动后，向基带信号处理模块4重新
提供一个VID = 0xFFFE和PID = 0x0002，基带信号处理模块4根据这两个ID，从ROM中将
FPGA模块12设置位流下载至中频数字信号处理模块3，从而完成中频数字信号处理模块3
的初始化。 所述的频谱感知的精度为最小频谱区分度32KHz。
所述的实时性要求为5ms输出一次结果。 所述的FFT变换长度N等于基带信号处理模块4输入的信道宽带(4MHz)除于最 小频谱区分度(32KHz)，本实施例FFT变换长度N是128。 所述的计算周期T根据基带信号处理模块4的计算能力和实时性要求5ms来设
置，本实施例计算周期T是3. 2ms。 本实施例所述的比较阈值k为3dB。
所述的抽取因子n等于AD采样率(64腿z)处于基带信号处理模块4输入的信道带宽(4MHz)，本实施例的抽取因子n是16。 第二步，启动高频模拟前端模块1并接收射频信号，将高频模拟信号转换为中频模拟信号。 所述的高频模拟信号转换为中频模拟信号，具体是将天线7接收到的高频信号经调谐回路送至混频器8，混频器8输出包含和频分量与差频分量的信号，该信号经调谐器9调谐选出中频信号，经过放大器10放大后输出中频模拟电压信号。 第三步，中频模拟信号经中频数字信号处理模块3进行AD采样，由FPGA模块12根据预先设定的抽取因子n完成数字下变频和抽取滤波，并将得到的窄带基带信号输出给基带信号处理模块4。 所述的AD采样是AD9862复采样，采样率为64M。 所述的数字下变频和抽取滤波，具体是AD采样输入的信号分别与数控振荡器产生的正弦波样本值sin (2* Ji *70M+Ph)和余弦样本值cos (2* ji *70M+Ph)相乘以完成混频，其中的Ph为一相位常量，混频后的信号经四阶级联的积分梳状抽取滤波器14后得到处理频段的一个窄带信号，且该信号的带宽等于AD采样率除于抽取因子n的商，本实施例该信号的带宽是4MHz。 第四步，基带信号处理模块4根据预先设定的FFT变换长度N、计算周期T和比较阈值k，利用频谱感知判定方法对窄带信号依次进行FFT变换、积分和阈值判定，并将得到的32位频谱检测结果输出给显示模块6进行显示。
所述的频谱感知判定方法，具体是 1)将输入的基带数字信号存入第一缓存区，当第一缓冲区中该信号的存入数达到预先设定的FFT变换长度128后，对这些信号进行FFT变换，并对得到的复数幅值进行求模处理后传输至第二缓冲区； 2)当第二缓存区中存入的数据组数目达到预先设定的计算周期3. 2ms后，得到这个周期内的平均能量强度E; 3)测量得到噪声平均值S，并将平均能量强度E与噪声平均值S进行相减，当该差值大于比较阈值3dB时，输出FFFF(即该信道被占用)的频谱检测信息到显示模块6 ;否则，输出OOOO(即该信道未被占用)的频谱检测信息到显示模块6。 本实施例的优点是通过使用高频模拟前端模块1、中频数字信号处理模块3和基带信号处理模块4来感知频谱，装置简单、成本低，容易实现，易于在真实频谱环境下测试和应用；采用频谱感知判定方法，在保证检测准确性的同时，大幅的提高了检测的速度。
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权利要求
一种频谱感知装置，其特征在于，包括高频模拟前端模块、无线电天线接口模块、中频数字信号处理模块、基带信号处理模块、电源模块和显示模块，其中高频模拟前端模块与无线电天线接口模块相连传输中频模拟电压信号，无线电天线接口模块与中频数字信号处理模块相连传输中频模拟电流信号，中频数字信号处理模块与基带信号处理模块相连传输窄带基带信号，基带信号处理模块与显示模块相连传输频谱感知数据，电源模块分别与高频模拟前端模块、中频数字信号处理模块和基带信号处理模块相连传输电源信号。
2. 根据权利要求1所述的频谱感知装置，其特征是，所述的高频模拟前端模块将小功 率射频信号经过变频、调谐和放大后变换成中频信号，该模块包括天线、混频器、调谐器和 放大器，其中天线与混频器相连传输高频信号，混频器与调谐器相连传输含有和频分量与 差频分量的信号，调谐器与放大器相连传输经过调谐选出的中频信号，放大器与无线电天 线接口模块相连传输经过放大的中频模拟电压信号。
3. 根据权利要求1所述的频谱感知装置，其特征是，所述的中频数字信号处理模块将 中频信号经过带通采样、数字下变频和抽取滤波处理后搬移到基带，该模块包括模数转换 模块和FPGA模块，其中模数转换模块与无线电天线接口模块相连传输中频模拟电流信号，模数转换模块与FPGA模块相连传输中频数字信号，FPGA模块与基带信号处理模块相连 传输窄带基带信号。
4. 根据权利要求3所述的频谱感知装置，其特征是，所述的FPGA模块包括数字下变频模块和抽取滤波器，其中数字下变频模块与模数转换模块相连传输中频数字信号，数字下变频模块与抽取滤波器相连传输基带信号，抽取滤波器与基带信号处理模块相连传输窄 带基带信号。
5. —种根据权利要求1所述的频谱感知装置的感知方法，其特征在于，包括以下步骤 第一步，初始化中频数字信号处理模块，并根据频谱感知的精度和实时性要求，设定装置的FFT变换长度N、计算周期T、比较阈值k和抽取因子n ;所述的初始化中频数字信号处理模块，是基带信号处理模块根据VID和PID将FPGA 模块设置位流下载至中频数字信号处理模块；所述的频谱感知的精度为最小频谱区分度；所述的实时性要求为每次输出结果的间隔时间；第二步，启动高频模拟前端模块并接收射频信号，将高频模拟信号转换为中频模拟信号；第三步，中频模拟信号经中频数字信号处理模块进行AD采样，由FPGA模块根据预先设 定的抽取因子n完成数字下变频和抽取滤波，并将得到的窄带基带信号输出给基带信号处 理模块；第四步，基带信号处理模块根据预先设定的FFT变换长度N、计算周期T和比较阈值k， 利用频谱感知判定方法对窄带信号依次进行FFT变换、积分和阈值判定，并将得到的频谱 检测结果输出给显示模块进行显示。
6. 根据权利要求5所述的频谱感知方法，其特征是，第二步中所述的高频模拟信号转 换为中频模拟信号，具体是将天线接收到的高频信号经调谐回路送至混频器，混频器输出包含和频分量与差频分量的信号，该信号经调谐器调谐选出中频信号，经过放大器放大后 输出中频模拟电压信号。
7. 根据权利要求5所述的频谱感知方法，其特征是，第三步中所述的数字下变频和抽 取滤波，具体是AD采样输入的信号分别与数控振荡器产生的正弦波样本值和余弦样本值 相乘以完成混频，混频后的信号经抽取滤波器后得到处理频段的一个窄带信号，且该信号 的带宽等于AD采样率除于抽取因子n的商。
8. 根据权利要求5所述的频谱感知方法，其特征是，第四步中所述的频谱感知判定方 法，具体是1) 将输入的基带数字信号存入第一缓存区，当第一缓冲区中该信号的存入数达到预先 设定的FFT变换长度N后，对这些信号进行FFT变换，并对得到的复数幅值进行求模处理后 传输至第二缓冲区；2) 当第二缓存区中存入的数据组数目达到预先设定的计算周期T后，得到这个周期内 的平均能量强度E ;3) 测量得到噪声平均值S，并将平均能量强度E与噪声平均值S进行相减，当该差值大 于比较阈值k时，输出该信道被占用的信息到显示模块；否则，输出该信道未被占用的信息 到显示模块。
全文摘要
本发明公开了一种无线通信技术领域的频谱感知装置及其感知方法，装置包括高频模拟前端模块，无线电天线接口模块，中频数字信号处理模块，基带信号处理模块、电源模块和显示模块；方法包括初始化中频数字信号处理模块；将高频模拟信号转换为中频模拟信号；将中频模拟信号转换为窄带基带信号；对窄带信号依次进行FFT变换、积分和阈值判定，并将得到的频谱检测结果输出给显示模块进行显示。本发明装置简单、成本低，容易实现，易于在真实频谱环境下测试和应用；方法在保证检测准确性的同时，大幅的提高了检测的速度。
文档编号H04B17/00GK101741489SQ201010300658
公开日2010年6月16日 申请日期2010年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者关新平, 杨日达, 陈彩莲, 龙承念 申请人:上海交通大学