CN101263698B - 通信设备的频谱表征 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字信号的处理，特别是基于接收信号的频谱扫描。所述处理包括在计算傅立叶变换(13)之前应用于接收信号的多载波整形滤波(12)。本发明对于内容无线通信环境中的动态频谱分配是有利的。

Description

通信设备的频谱表征

技术领域

本发明涉及一种无线或有线环境中的细化频谱表征，特别用于数字通信设备。 

背景技术

本发明发现了一种在OFDM调制通信中的有利的但非限制性的应用，特别用于认知和频率捷变通信。 

术语“认知通信”来源于英语术语“cognitive radio”，并且表示智能通信，其中的设备能够在广泛的频率范围内动态转换频率(例如，几个GHz，因此也是术语“频率捷变”)。 

此外，OFDM(代表“正交频分多路复用”)调制用于将高码率二进制串分成多个低码率调制串(或信道)。由不同的频率调制每一个子通道，频率之间的间隔保持固定。这些频率组成正交基，其中OFDM信号频谱在分配频带中具有理想的占有率。因此，OFDM调制将高码率分布在一系列的正交低码率调制副载波中。这些副载波通常使用窄频带。 

发明内容

本发明的一个目的在于优选地使通信设备能够： 

—测量并表征一定范围频率的频谱占有率，在该频率范围内该设备自身能够工作，例如在OFDM环境中，以及 

—根据通信要求和频谱分析，确定工作频带。 

本发明因此提供了频率的细化频谱表征，特别用于认知和频率捷变通信设备。为了达到该目的，其使用频谱扫描。然而，本发明使用术语“扫描”来表示贯穿(run through)频谱的动作，无论是用于寻找频谱中的固有频带，或用于检测干扰，等等。 

特别在例如文档WO-96/10300中已经提出了与判定系统相关的频谱扫描。 

通常借助于傅立叶变换，特别是通过捕获频带中的数字采样和快速傅立叶变换(或下文中“FFT”)来完成数字频谱扫描。FFT的结果对应于关注的频带中的信号频谱。 

然而，通过简单FFT的分析不能如实的表现频谱现状，因此不能得到相应信号的可靠识别和表征。该缺点的一个可能的原因与用于时域分析的矩形窗有关。纯正弦波的频率不与其中一个扫描FFT载波频率精确匹配，并从一个设备将大量载波的能量返回至另一个设备，大量载波的能量与最强载波的能量成一定的比率，其中最强载波的能量既是不可控制的也是不可预测的。 

另外，传统的频谱分析极其昂贵，主要是由于以下原因： 

—其必须覆盖非常广范围的频率， 

—其必须覆盖多种分辨率， 

—最后其具有根据大量参数显示测量的频谱的功能。 

本发明的目的是改进这种情况。 

为了达到这个目的，对于频谱扫描，设计在快速傅立叶变换计算之前进行多载波整形滤波(在每一个载波上执行整形滤波)，以根据获得的结果来确定信号是否显出现在关注的频带上，并且必要的情况下，对其进行细化表征(信号、图案、电平等的自然特征)。 

总的来说，本发明主要是提供一种基于接收数字信号的频谱扫描方法，该方法包含傅立叶变换计算。根据本发明，在计算之前进行多载波整形滤波。 

有利的是，多载波整形滤波器的实施方式的一种是多相滤波器。 

因此，根据本发明的其中一个优点，随着时间以可再生和确定性的方式，可以为相同的设备或为多个示例设备细化表征环境频谱的成分。 

根据本发明的另一个优点，为了能够执行本发明的频谱扫描，以及执行接收数字信号的传统步骤，特别是接收信号的解调，可以利用具有滤波器组的多载波接收链，其已经存在于通信设备中。然而，这种测量虽然是有利的，但决不是必须的。 

因此本发明也意在提供一种根据本发明的频谱扫描链，以及包含链的通信设备，该链包括傅立叶变换计算模块下游的多载波整形滤波器组，并且优选地识别模块，用于确定信号是否出现在关注的频谱中，并在必要的情况下还包括其表征。以下的详细描述给出了这种信号检测的实施方式的示例，该信号是预指定的(其频谱特征在所述实例中是已知的)。 

本发明还意在提供一种通信设备(例如，基站或终端)，其包含根据本发明的频谱扫描链，以及通信系统，在认知和频率捷变通信环境中是有利的，在根据本发明与设备进行通信时，启动至少一个基站和/或至少一个终端。 

本发明可有利地使用预建立的信号特征，用于细化和检测这些信号的规则，以及尤其是用于实现本发明的计算机程序。本发明还意在提供一种这类计算机程序，以及可编程的元件(例如，集成电路、DSP模块等)，具包括存储这类程序的存储器。这种部件或集成电路可仅仅包含上述扫描链，或与通信设备装置的部分或全部结合的扫描链。 

附图说明

本发明的其他特征和优点将基于对以下详细描述的研究而显现出来，在附图中： 

图1示出了根据本发明的处理，其中在滤波之前通过FFT计算进行频谱扫描； 

图2示意性的示出了已知特征的信号检测，其有利的跟随在图1中的处理之后； 

图3示出了在实施方式的有利实施例中的IOTA的图表，其中IOTA作为在FFT计算之前进行的多相滤波器组整形函数； 

图4A至图4D示出了根据本发明通过在FFT之前增加IOTA函数滤波的频谱估计(实线)与利用简单FFT的传统频谱估计(虚线)之间的比较； 

图5示出了实现根据本发明的所述过程的通信设备的实施方式的第一可能方式，其中用于解调所期望信号的链和扫描链是分开的； 

图6示出了实现根据本发明的所述过程的通信设备的实施方式的第二可能方式，其中有利的是用于解调所期望信号的链和扫描链是公共的，但是不同时运行； 

图7示出了本发明的方法在无线电通信环境中的动态频谱分配中的应用。其中，附图中英文缩写表示： 

BB：基带 

FILT：滤波器 

Re(FFT)：快速傅立叶变换的实部 

SIGN：信号 

THR：阈值 

CORREL：相关性 

DETECT_j：检测信号j 

ANALYS：分析 

DECID：判定 

DEMOD_S_R：解调信号S_R

MOD_S_T：调制信号S_T

SYNTH_S_T：合成信号S_T

DEMOD_SYMB：解调符号 

DEMOD_SYMB：解调符号 

具体实施方式

在以下的详细描述中，以实施例的方式给出的本发明的环境由OFDM解调进行扫描，OFDM解调由IOTA多相多载波整形来滤波。该原理也可应用于任何其他多载波整形中(包括奈奎斯特多相多载波整形)。 

该处理应用于接收数字信号。因此该信号可直接以数字形式被接收(例如，数字广播或通信，如数字电视信号)。作为变量，其也可包含已经以模拟形式被接收的信号，然后被数字化。 

以下的详细描述使用了下列符号： 

—L是用于频谱扫描的多相滤波器的整形函数截断长度(例如，IOTA、奈奎斯特或其他类型的函数)； 

—M是持续时间的时间采样点的数量，该持续时间等于OFDM/IOTA调制中的符号的持续时间； 

—N是扫描中设置的副载波的数量(容易理解，从扫描的总带宽可以设定所述分析的分辨率)； 

—g_k是整形函数的时间采样点； 

—r_k是在分析频带中接收的信号的时间采样点； 

—R_k是从该信号滤波的时间采样点；以及 

—a_m是该信号在频域中的系数。 

参照图1，无线频率信号S_r是由天线10获取，该信号的一部分通常是相当宽的频带(例如几个兆赫)，传统上通过调谐模块11降低至基带，等同于“选择”信号S_r的精确频带i。模块11的输出传递一系列采样点r_k(每次一个符号M个采样点)，其然后用于多相整形滤波器12，根据的是以下通式： 

$R_{k+2\mathrm{nM}}=\underset{q=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{k+\mathrm{nM}+2\mathrm{qM}}{g}_{k+2\mathrm{qM}},k\∈\{0..M-1\}$

$R_{k+2\mathrm{nM}+M}=\underset{q=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{k+\mathrm{nM}+2\mathrm{qM}}{g}_{k+2\mathrm{qM}},k\∈\{0..M-1\}$

这样滤波的采样点R_k然后应用到计算模块13，其根据下面的公式估算它们的傅立叶变换： 

$a_{m+2\mathrm{nM}}=\underset{k=0}{\overset{2M-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{k+2\mathrm{nM}}{e}^{-12\mathrm{\π}\frac{\mathrm{km}}{2M}},m\∈\{0..2M-1\}$

判定模块14以这样估算的系数a_m+2nM为基础，用于获得信号S_r的频谱的估算。该信息在其自身中也是有用的。 

然后为了检测信号j，其频谱特征SIGN-j预先是已知的(例如从存储器模块中产生)，可便于进行在图2中以实例的方式示出的处理。 

特别的，可做出规定，应用以下其中一个处理方式或这些处理方式的组合： 

—使估算的频谱(即，系数a_m+2nM)与所寻求信号的频谱特征相关，其中相关函数涉及整个特征或该特征的一系列子部分，并通过全局测试准则16(或各自的一系列检测)， 

—在图2中的测试模块17中寻找已知的导频频率，其等于观测其中一个副载波的能量是否超过一定的阈值THR_e，其由|a_m+2nM|＞THR_e来表示，m+2nM设定为已知的导频频率， 

—在给定的频带上对功率谱密度进行积分(例如通过计算系数|am+2nM|或其平方|a_m+2nM|²的总和SUM)，并观察功率谱密度是否超过阈值THR_p(图2中的测试模块18)。 

如果该测试或一系列的测试不被满足(测试输出中的ko箭头)，重复该处理以得到下一个信号特征(模块20和15)。 

另一方面，如果一个或多个测试为肯定的(测试输出中的ok箭头)，判定模块19报告频谱特征(SIGN-j)的信号j的检测。为了提高信噪比，可以重复不同符号的计算。 

因此，总的来说，有利的在根据本发明的傅立叶变换的滤波和估算之后进行预定信号的识别。 

在下面的实例中描述根据本发明的频谱扫描链的执行，其中在FFT计算之前进行的多相滤波整形函数是在OFDM调制技术中公知的IOTA函数(代表“Isotropic Orthogonal Transform Algorithm(无向性正交变换算法)”)，其曲线图在图3中示出。 

在以下描述的实例中，测试条件是： 

—M＝256， 

—L＝4， 

—r是纯正弦波(对于任何一个接收处理FFT载波，相对于载波间差距，显示频率偏置为0；1；10；40％)， 

—g为IOTA函数(图3)。 

然后图4A至图4D四张图比较： 

—根据本发明通过在FFT计算之前增加IOTA函数滤波进行频谱估算，以及 

—利用简单的FFT进行传统频谱估算， 

对于扫描处理FFT载波，纯正弦波的频率偏置分别为0；1；10；40％。 

利用传统FFT的信号频谱用虚线表示，利用IOTA+FFT处理的信号频谱用实线表示。 

图4A至图4D这四张图通过与传统FFT方法相比较，很好的示出了利用滤波器组的细化频谱分析的优越性。特别的，在图4B、4C和4D中清楚的示出了在简单FFT的情况下多个副载波的频散，而对于根据本发明的IOTA+FFT处理，能量集中在单个副载波上。 

图4A示出了纯正弦波理想的与FFT产生的其中一个载波同相的特定情况。 

根据下面的公式定义定位因子L： 

$L=\frac{{\left|a_{p+2}\right|}^2}{{\left|a_p\right|}^2},p=\arg \underset{m}{\max }\left|a_m\right|$

下面的图表根据频率定位比较本发明的(IOTA+FFT)的处理与传统处理(简单FFT)的性能，示出了本发明处理的优越性。 

	Offset＝0％	Offset＝1％	Offset＝10％	Offset＝40％
					Simple FFT	L＝-∞	L＝-46dB	L＝-25dB	L＝-12dB
IOTA+FFT	L＝-34dB	L＝-34dB	L＝-35dB	L＝-53dB

当然，因子L越小，频谱表征越细化。 

仿真示出了IOTA+FFT扫描如实再生了纯正弦波，对于正弦波和扫描处理FFT载波之间的频率偏置有较低的灵敏度。这种观测(这里是在纯系中做出的)可广泛的应用于任何信号。因此，容易理解，本发明的实施方式使得信号可以被更如实更确定地表征。 

由R.Vallet和K.H.Taieb在无线个人通信2，97-103，1995中发表的：“Fraction Space Multi-Carrier Modulation(部分空间多载波调制)”描述了在傅立叶变换计算之前进行多载波整形滤波的原理方法。 

要不是执行在上述文件中没有公开的接收数字信号的频谱扫描，本发明将使用这种公知的方法。这种新的使用的令人惊奇的优点是提供例如上述纯正弦波的如实再生。这种如实再生还提供了对正弦波和扫描处理FFT载波之间的频率偏置几乎不灵敏的优点。上述图表清楚的示出了利用IOTA+FFT扫描，定位因子L实际上是恒定的(约-35dB，除了对应于工作极限值的40％偏置，工作极限值的不确定性在后面能够被消除，如果必要的话，通过应用相同的扫描但是偏置在载波间半差距的频率中)。利用不具有整形的正常FFT扫描，因子L的变化相当大。因此，IOTA+FFT扫描使测量的图案稳定。 

由于这种稳定性，有如下定义，如在下面看到的： 

—基于这种扫描方法的测量法， 

—固有频率的检测和工作规则，以及 

—将这些规则引入标准。 

在上述Vallet等人的文件中，没有诱因鼓励本领域技术人员在傅立叶变换计算之前使用公知的整形滤波方法以对频率偏置具有较低的灵敏度，其中傅立叶变换计算用于进行接收信号的频谱扫描。 

现在参照图5和图6描述通信设备中的本发明的处理链的实施方式。 

参照图5，在实施的第一方式中，该设备包括例如： 

—调谐器51，其将接收信号引入设置在天线50下游的基带，并覆盖设备的工作频率范围， 

—一组数字滤波器52，由FFT 522和在其之前的使频率分离的多相滤波器521构成(通过实施整形、或IOTA或奈奎斯特多载波原型函数)。 

如前参照图4A至图4D所述，整形滤波器的重要性在于如实再生接收的频谱，然后考虑到FFT载波的相对电平，不再单独受FFT操作的正交约束。 

因此该处理链可用于进行环境频谱扫描，并如实测量频谱成分。从而，由具有FFT载波电平之上X dB的处理链结合具有分辨率W的噪声，产生分析频带W中的可测量的噪声电平之上X dB的纯系。 

再次参照图5，在前述处理链51-52之后是分析和判定链53-55，包括： 

—存储器模块54(静态或有利的是不可更新的)，存储： 

·一组表征和判定规则， 

·一组测量条件，以及 

·一组“特征”或记录图案， 

—频谱分析模块53，利用上述表征规则和执行的测量，以识别并表征接收信号，以及 

—判定或判定支持模块55，根据之前检测和表征的信号，基于前述规则以动态工作在频带上。 

参照图5，继续描述根据本发明的通信设备的相关元件，设备接收链包括： 

—调谐器56，工作在所期望接收信号的频率，该频率由判定模块55来确定，以及 

—所期望信号的解调器57，最终访问接收数据DATA_R。 

设备还包括发送链。该链包括调制器58，其工作在包括被发送的数据DATA_T的所期望信号的频率上。该频率有利的由判定模块55来确定。在发送所期望信号之前，调制器58之后是用于合成所期望信号的合成模块59。 

在实施的第二方式中，在所期望信号的接收上的频谱扫描链和解调链有利的包括大部分公共元件。事实上，在实施的第二方式中，所期望信号的扫描和解调的功能在时间上离散。在一个时段中进行解调，同时在另一个时段中进行频谱扫描。 

图6与图5的公共元件具有相同的标记，图6示出了实施的第二方式。有利的，实施的第二方式使得节省了在图5中所示的解调链的调谐器56。图6中的调谐器61将接收信号引入基带，然后在频谱扫描和接收中工作，特别用于解调接收信号。判定模块65可有利的控制调谐器61。 

而且，如果所期望信号解调器进行FFT计算，乃至在FFT计算之前进行多载波滤波，则扫描处理硬件架构(模块52)的全部或部分能够与所期望信号的解调处理“共有化”(即，分享)。最后，为了确保非“共有”处理，尚待增加附加模块67(图6)用于处理来自FFT计算模块522下游的所期望信号，典型的确保解调由FFT产生的复杂符号。 

有利的，根据本发明的处理使得能够基于通信设备中上述的实施方式，并按照用于表征信号和判定的详述规则，尤其通过控制用于发送所期望信号的适当频率，由判定链确定认知和频率捷变通信功能性。 

例如，参照图7，在内容(例如，电视内容)的认知无线通信的应用中，更确切的说是用于典型的根据标准IEEE 802.22的机会无线通信的环境中的动态频谱分配： 

—终端型通信设备71，根据本发明，在用户的支配下，可进行频谱扫描，在电视频谱中寻找固有频带(典型的在用于认知无线通信的固有TV频带的环境中)，并因此检测模拟和数字电视传输， 

—频谱信息可传送(箭头70)至基站73，其与从所有的终端接收的信息结合在一起， 

—基站73在TV频谱中选择固有频率，在该频率上可传输内容，使得在该频率上开始通信(箭头72和虚线)。 

另一个应用可以是全局认知通信系统，其中副载波可覆盖频谱的至少大部分(所谓的“开放频谱”环境)，并在不干扰先前用户的情况下分配给每个用户。 

Claims (11)

1.一种基于接收数字信号的频谱扫描方法，所述方法包含傅立叶变换计算(13)，其特征在于，在所述计算之前进行多载波整形滤波，并且，在所述傅立叶变换计算之后，所述方法还包括：

利用预定表征规则识别预定信号；以及

在接收和/或发送中根据所述预定信号基于所述预定表征规则进行判定，以在通信设备的频带上动态工作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多载波整形滤波器是多相滤波器(12)。

3.根据权利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，在正交频分多路复用调制环境中实施。

4.根据权利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，所述滤波使用无向性正交变换算法整形函数。

5.根据权利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，在内容的无线通信中应用于动态频谱分配，其中：

-至少一个通信设备(71)进行频率的频谱扫描，用于根据所进行的扫描来寻找固有频带并将频谱信号(70)传送至基站(73)；以及

-根据从所述通信设备和其他可能的通信设备接收的信号，基站(73)选择频谱的公共固有频率，用于在所述公共固有频率上开始(72)内容通信，至所述通信设备。

6.一种用于接收数字信号的频谱扫描装置，其特征在于，包括傅立叶变换计算模块(522)上游的多载波整形滤波器组(521)，所述频谱扫描装置在所述傅立叶变换计算模块(522)的下游还包括：

-基于预定表征规则，分析和识别预定信号的模块(53)；以及

-在接收和/或发送中的判定模块(55)，在所述分析和识别预定信号的模块(53)的下游，根据所述预定信号基于所述预定表征规则指示通信设备的至少一个工作频带。

7.一种通信设备，用于接收数字信号的频谱扫描，其特征在于，包含具有解调功能的接收装置，和/或具有调制功能的发送装置，所述通信设备在傅立叶变换计算模块(522)的上游包括多载波整形滤波器组(521)，所述通信设备在所述傅立叶变换计算模块(522)的下游还包含：分析和识别模块(53)，用于基于预定表征规则分析和识别预定信号；以及在解调和/或调制中根据所述预定信号基于所述预定表征规则指示至少一个工作频带的判定模块(55；65)。

8.根据权利要求7所述的通信设备，其特征在于，在所述滤波器组(521)的上游包含将接收信号引入基带的模块(61)，所述将接收信号引入基带的模块在频谱扫描和接收中工作，用于接收信号的解调。

9.根据权利要求7和8之一所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备用作通信系统的基站。

10.根据权利要求7和8之一所述的通信设备，其特征在于，所述通信系统用作通信系统的终端。

11.一种在认知和频率捷变通信环境中的通信系统，其特征在于，包含至少一个如权利要求7至10之一所述的通信设备，用作基站和/或终端。

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