专利名称：联合频谱检测方法以及联合频谱感知装置、频谱检测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于通信技术，特别涉及认知无线电系统中空闲频谱探测技术。
背景技术：
认知无线电系统是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到任何时间任何地点的高度可靠通信以及对频谱资源的有效利用。认知无线电得以实现的一个重要前提是要具有频谱感知能力。通过对周围环境进行频谱检测，查找能够用来进行认知无线电系统业务通信的空闲频谱。同时，为了不对主用户造成干扰，认知用户在利用空闲频谱进行通信的过程中，需要能够快速的感知到主用户的再次出现，及时进行频谱切换，腾出信道给主用户使用，或者继续使用原来的频段。在认知无线电系统中，传统的单节点频谱感知算法有匹配滤波，能量检测，基于信号相关性和循环平稳等特征的检测方法。匹配滤波因需要信号的先验信息，在实际的系统运用将受到限制，得不到广泛运用。能量检测在认知无线电系统的实现时简单快速，但不能很好的抵抗噪声干扰，会产生较大的虚警概率。基于信号相关性和循环平稳特性的检测算法虽具有较高的灵敏度，它们利用了信号采样点的相关性和信号本身具有循环平稳特性， 这些噪声不具有的特征，从而可以在较低的信噪比下，完成空闲频谱的准确探测。在现有的频谱检测中，单一的频谱感知算法并不能同时取得复杂度的降低和较高的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种在认知无线电系统中实现频谱检测简单快速且性能较高的方法以及实现该方法联合频谱感知装置、频谱检测系统。本发明为解决上述问题所采用的技术方案是，一种联合频谱检测方法，其特征在于，包括先利用能量检测算法对待测频道进行粗测，当粗测到信道被占用时，频谱检测结束；当粗测到信道未被占用时，再利用相关性检测算法进行精测。本发明以运算简单的能量检测为基础，充分利用信号的相关特性，完成空闲频谱的探测工作，能在很短的时间内完成检测，且检测的有效性高，同时兼顾检测的速度和性能。具体步骤如下数据采集步骤确定待检测频道，将待检测频道的频带下变频后进行采样存储；预处理步骤确定采样点数Ns、滑动相关的长度L、相关检测门限Y、能量门限
Th.
111Energy 粗测步骤计算频道内信号能量Ptl，比较频道内信号能量Ptl与预设的能量门限 ThEnergy,当频道内信号能量Ptl大于等于能量门限ThEnCTgy时，则判断频道内有信号存在，当前频道的频谱检测结束，返回数据采集步骤；当频道内信号能量Ptl小于预设门限ThEnCTgy时，进入精测步骤；精测步骤计算频道内的最终相关统计量X，比较最终相关统计量X与相关检测门限Y，若最终相关统计量X大于等于相关检测门限Y，则判断频道内有信号存在，当前频道的频谱检测结束，返回数据采集步骤；若最终相关统计量X小于相关检测门限Y，则判断频道内无信号存在，当前频道的频谱检测结束，返回数据采集步骤。具体的，通过对频道内所有采样点对应的幅值直接取模相加，或者通过对频道内所有采样点对应的幅值进行平方后相加得到频道内信号能量Po。具体的，所述精测步骤中，通过如下方法计算最终相关统计量X 先通过L-I次滑动相关计算得到采样协方差矩阵R(Ns)； R(Ns) =
'/L(O) /L(I) λ\\) /L(O)
_X\L-l)X\L-2)·
1 N『L+1 ^ ^(O = TT Σ ,
J V t ,.=1
O2)
-Γ ) 1,
LLLO 1,
O K Ko
A A-/ι=
，其中，
L-Ι,λ*为λ的共轭，X*为X的共轭；x(i)
为采样点值，L为滑动相关的长度，Ns为采样点数；
1 IU IU计算最终相关统计量X= T1(Ns)A2(Ns)，其中MAg = HXX卜腦( )l，
IU =1 m=\
1 10
T2(M) ΖΤΤΤΣΙ^Μ』，1 (Ns)为采样协方差矩阵R(Ns)中第η行第m列的元素，Im(Ns)
川n=l
为采样协方差矩阵R(Ns)中第η行第η列的元素。优选的，精测步骤中，采样协方差矩阵R(Ns)得到之后，还进行噪声白化处理得到实际协方差矩阵R' (Ns)，再使用实际协方差矩阵R' (Ns)来计算最终相关统计量X。一种联合频谱感知装置，包括粗测模块、精测模块、频道选择控制模块；所述频道选择控制模块，用于选择当前待检测频道；所述粗测模块，用于先利用能量检测算法检测当前频道，当粗测到信道被占用时， 频谱检测结束；当粗测到信道未被占用时，触发精测模块；所述精测模块，用于利用相关性检测算法检测当前频道。具体的，所述粗测模块，用于接收到频道内的采样数据后，确定采样点数Ns、能量门限ThEnCTgy ；计算频道内信号能量Ptl，比较频道内信号能量Ptl与预设的能量门限ThEnCTgy，当频道内信号能量Ptl大于等于能量门限ThEnCTgy时，则判断频道内有信号存在，当前频道的频谱检测结束；当频道内信号能量Ptl小于预设门限i\nCTgy时，则触发精测模块；所述精测模块，用于接收到频道内的采样数据后，确定滑动相关的长度L、相关检测门限Y ；计算最终相关统计量X，比较最终相关统计量X与相关检测门限Y，若最终相关统计量X大于等于相关检测门限Y，则判断信号存在，则判断频道内有信号存在，当前频道的频谱检测结束；若最终相关统计量X小于相关检测门限Y，则判断频道内无信号存在，当前频道的频谱检测结束。
频谱检测系统，包括感知通道射频电路、基带板，所述感知通道射频电路包括接收天线、前置处理单元、频道选择处理单元、所述基带板包括模数转换器、联合频谱感知装置； 所述联合频谱感知装置包括粗测模块、精测模块、频道选择控制模块；接收天线与前置处理单元相连，前置处理单元与频道选择处理单元的输入端相连，频道选择处理单元的数据输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与联合频谱感知装置的数据输入端相连，联合频谱感知装置通过其射频控制接口与频道选择处理单元的控制端相连；所述前置处理单元，用于对接收到的射频信号进行滤波与放大后输入至频道选择处理单元；所述频道选择处理单元，用于根据联合频谱感知装置的频道选择控制命令来调节下变频范围，将待检测频道对应的频带进行下变频处理后输出至模数转换器；所述模数转换器，用于接收输入的信号，通过模数转换完成数据采集；所述频道选择控制模块，用于选择当前待检测频道，并通过射频控制接口输出频道选择控制命令至频道选择处理单元；所述粗测模块，用于先利用能量检测算法检测当前频道，当粗测到信道被占用时， 则判断频道内有信号存在，当前频道的频谱检测结束；当粗测到信道未被占用时，触发精测模块；所述精测模块，用于利用相关性检测算法检测当前频道。进一步的，所述频道选择处理单元，还用于对下变频后的中频信号进行增益调整， 再将进行了增益调整后的中频信号输出至模数转换器；所述频道选择控制模块，还用于通过射频控制接口输出增益控制命令至频道选择
处理单元。具体的，频道选择处理单元包括可调下变频模块、自动频率控制模块、自动增益控制模块；所述联合频谱感知装置的射频控制接口分别与自动频率控制模块、自动增益控制模块的控制端相连，自动频率控制模块的输出端与可调下变频模块的控制端相连，可调下变频模块的输入端与前置处理模块的输出端相连，可调下变频模块的输出端与自动增益控制模块的输入端相连，自动增益控制模块的输出端与模数转换器相连；自动频率控制模块，用于接收选择控制命令来控制可调下变频模块；可调下变频模块，用于将待检测频道对应的频带下变频为中频信号；自动增益控制模块，用于接收增益控制命令对下变频后的中频信号进行增益调離
iF. ο本发明的有益效果是，能简单快速并准确地检测信道状态。
图1为实施例的频谱检测系统；图2为实施例采集的信号和噪声的归一化滑动相关示意图。
具体实施例方式如图1所示的用于认知无线电的频谱检测系统，包括感知通道射频电路、基带板，感知通道射频电路包括接收天线、前置处理单元、频道选择处理单元。前置处理单元包括带通滤波器、放大器；频道选择处理单元包括可调下变频模块、自动频率控制模块(AFC)、 自动增益控制模块(AGC)。基带板包括模数转换器(ADC)、联合频谱感知装置；联合频谱感知装置包括粗测模块、精测模块、频道选择控制模块，本实施例中联合频谱感知装置单独用 FPGA实现。当然，联合频谱感知装置也可以单独用DSP实现或者通过DSP和FPGA联合实现。从天线接收的射频信号经带通滤波器进行滤波，滤出频谱检测系统需要检测的频段信号，频段信号通过放大器进行补偿后输入可调下变频模块进行处理。可调下变频模块受FPGA的控制，由选择控制模块确定当前待检测的频道，频道选择控制模块通过FPGA的射频控制接口发送频道选择控制命令至AFC，由AFC来控制下变频模块，下变频模块在AFC 的控制下将待检测频道的频段下变频至中心频率为25MHz的中频信号，电视频道的带宽 8MHz ；AFC频率控制字可以切换为14个频道(0_13)，为694_806MHz。中频信号输入AGC进行增益调整以便于后续模块的处理，AGC的参数由FPGA通过射频控制接口控制写入，本实施中FPGA将AGC控制字固定为130(十进制)，25dB的增益。经AGC输出的中频信号输出至基带板的ADC。本实施例的ADC工作在50MHz，FPGA工作时钟为100MHz。ADC的采样频率50Mhz 能直接对25Mhz的中频信号进行处理，也可以进行变频到基带进行处理(这时中频信号在进入ADC处理之前还将进行一次下变频处理)，因为效果一样，为简单起见，本实施例直接在中频进行信号检测。FPGA中包括频道选择控制模块、粗测模块、精测模块。频道选择控制模块选择当前待检测频道，并通过射频控制接口输出频道选择控制命令至频道选择处理单元；通过射频控制接口输出增益控制命令至频道选择处理单元；粗测模块先利用能量检测算法检测当前频道，当粗测到信道被占用时，设置信道被占用标志，频谱检测结束；当粗测到信道未被占用时，触发精测模块；精测模块利用相关性检测算法检测当前频道。本实施例为了计算的简单快速，FPGA的粗测模块选择了少量的样本点、FPGA的精测模块较短的滑动相关长度L。FPGA选择的采样点数为Ns = 2048，滑动相关的长度L为
算结果量化后作为相关检测门限Y ；其中，(Γ为误差函数=exp(-w2/2)^
的反函数，u、χ均为临时变量；优选的，由于噪声经过感知通道射频电路中的滤波器后，也像有效信号一样具有一定的相关性，因此，将信号源产生的高斯白噪声送入射频，由FPGA的精测模块采集数据， 用Matlab进行分析，构成白噪声的采样协方差矩阵G，再对矩阵G开方求其平方根矩阵Y， 再完成矩阵Y的求逆操作得到逆矩阵Γ1，将此逆矩阵Γ1量化后的值存入FPGA。FPGA中的频谱检测处理流程如下
10。FPGA的精测模块由L = 10和系统需要的虚警概率Pf来计算
FPGA的粗测模块根据ADC采集的数据[χ (1)，χ⑵，χ (3)，
χ(2048)]中前
2039个采样点进行频道内信号能量的计算P0 = X(I) 2+x (2) 2+x (3)2+. . . χ (2039)2，或者为了减少运算量，直接对各采样点的值取模累加运算P0 = Ix(I) I +1X (2) ι +1X (3) I +...|χ (2039 )I，同时精测模块进行滑动相关运算，后χ (2040)，· · · ,χ (2048)用来作精测的计算； 粗测模块根据系统需要的虚警概率，从实际出发，确定能量判决的门限ThEnCTgy， 比较信号能量Ptl和门限Th一gy。若Ptl彡ThEnergy,则判断信号存在，设置信道被占用标志，当前频道的检测结束；若Ptl < ThEnCTgy，则无法立即给出信道被占用标志，继续精细检测； 精测模块对原始数据求L-I次滑动相关(L = 10)，得到采样协方差矩阵R(Ns)； "/L(O) /L ⑴…/L(L-I)
权利要求
1.一种联合频谱检测方法，其特征在于，包括先利用能量检测算法对待测频道进行粗测，当粗测到信道被占用时，频谱检测结束；当粗测到信道未被占用时，再利用相关性检测算法进行精测。
2.如权利要求1所述一种联合频谱检测方法，其特征在于，具体步骤如下数据采集步骤确定待检测频道，将待检测频道的频带下变频后进行采样存储；预处理步骤确定采样点数Ns、滑动相关的长度L、相关检测门限γ、能量门限ThEnCTgy ；粗测步骤计算频道内信号能量Ptl,比较频道内信号能量Ptl与预设的能量门限Th一gy， 当频道内信号能量Ptl大于等于能量门限ThEnCTgy时，则判断频道内有信号存在，当前频道的频谱检测结束，返回数据采集步骤；当频道内信号能量Ptl小于预设门限ThEnCTgy时，进入精测步骤；精测步骤计算频道内的最终相关统计量X，比较最终相关统计量X与相关检测门限 Y，若最终相关统计量X大于等于相关检测门限Y，则判断频道内有信号存在，当前频道的频谱检测结束，返回数据采集步骤；若最终相关统计量X小于相关检测门限Y，则判断频道内无信号存在，当前频道的频谱检测结束，返回数据采集步骤。
3.如权利要求2所述一种联合频谱检测方法，其特征在于，通过对频道内所有采样点对应的幅值直接取模相加，或者通过对频道内所有采样点对应的幅值进行平方后相加得到频道内信号能量Po。
4.如权利要求2所述一种联合频谱检测方法，其特征在于，预处理步骤中，由滑动相关 的长度L和虚警概率Pf来计算相关检测门限Y，
5.如权利要求2或3所述一种联合频谱检测方法，其特征在于，所述精测步骤中，通过如下方法计算最终相关统计量X 先通过L-I次滑动相关计算得到采样协方差矩阵R(Ns)；
6.如权利要求2或3所述一种联合频谱检测方法，其特征在于，所述预处理步骤中还进行噪声白化预处理通过分析信号源产生的高斯白噪声得到白噪声的采样协方差矩阵G， 再对矩阵G开方求其平方根矩阵Y，再完成矩阵Y的求逆操作得到逆矩阵Γ1 ； 所述精测步骤中，通过如下方法计算最终相关统计量X 先通过L-I次滑动相关计算得到采样协方差矩阵R(Ns)；
7.一种联合频谱感知装置，其特征在于，包括粗测模块、精测模块、频道选择控制模块；所述频道选择控制模块，用于选择当前待检测频道；所述粗测模块，用于先利用能量检测算法检测当前频道，当粗测到信道被占用时，频谱检测结束；当粗测到信道未被占用时，触发精测模块；所述精测模块，用于利用相关性检测算法检测当前频道。
8.如权利要求7所述一种联合频谱感知装置，其特征在于，所述粗测模块，用于接收到频道内的采样数据后，确定采样点数Ns、能量门限ThEnCTgy;计算频道内信号能量Ptl，比较频道内信号能量P。与预设的能量门限I\nCTgy，当频道内信号能量P。大于等于能量门限I\nCTgy 时，则判断频道内有信号存在，当前频道的频谱检测结束；当频道内信号能量Ptl小于预设门限，则触发精测模块；所述精测模块，用于接收到频道内的采样数据后，确定滑动相关的长度L、相关检测门限Y ；计算最终相关统计量X，比较最终相关统计量X与相关检测门限Y，若最终相关统计量X大于等于相关检测门限Y，则判断信号存在，则判断频道内有信号存在，当前频道的频谱检测结束；若最终相关统计量X小于相关检测门限Y，则判断频道内无信号存在，当前频道的频谱检测结束。
9.频谱检测系统，包括感知通道射频电路、基带板，其特征在于，所述感知通道射频电路包括接收天线、前置处理单元、频道选择处理单元、所述基带板包括模数转换器、联合频谱感知装置；所述联合频谱感知装置包括粗测模块、精测模块、频道选择控制模块；接收天线与前置处理单元相连，前置处理单元与频道选择处理单元的输入端相连，频道选择处理单元的数据输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与联合频谱感知装置的数据输入端相连，联合频谱感知装置通过其射频控制接口与频道选择处理单元的控制端相连；所述前置处理单元，用于对接收到的射频信号进行滤波与放大后输入至频道选择处理单元；所述频道选择处理单元，用于根据联合频谱感知装置的频道选择控制命令来调节下变频范围，将待检测频道对应的频带进行下变频处理后输出至模数转换器；所述模数转换器，用于接收输入的信号，通过模数转换完成数据采集；所述频道选择控制模块，用于选择当前待检测频道，并通过射频控制接口输出频道选择控制命令至频道选择处理单元；所述粗测模块，用于先利用能量检测算法检测当前频道，当粗测到信道被占用时，则判断频道内有信号存在，当前频道的频谱检测结束；当粗测到信道未被占用时，触发精测模块；所述精测模块，用于利用相关性检测算法检测当前频道。
10.如权利要求9所述频谱检测系统，其特征在于，所述频道选择处理单元，还用于对下变频后的中频信号进行增益调整，再将进行了增益调整后的中频信号输出至模数转换器；所述频道选择控制模块，还用于通过射频控制接口输出增益控制命令至频道选择处理单元。
全文摘要
本发明提供一种在认知无线电系统中实现频谱检测简单快速且性能较高的方法以及实现该方法联合频谱感知装置、频谱检测系统。本发明先利用能量检测算法对待测频道进行粗测，当粗测到信道被占用时，频谱检测结束；当粗测到信道未被占用时，再利用相关性检测算法进行精测。本发明以运算简单的能量检测为基础，充分利用信号的相关特性，完成空闲频谱的探测工作，能在很短的时间内完成检测，且检测的有效性高，同时兼顾检测的速度和性能。
文档编号H04W24/00GK102244548SQ20111023087
公开日2011年11月16日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者刘皓, 戴道瀚, 李少谦, 杨松, 潘小锋 申请人:电子科技大学