CN101558567B - 用于使用非均匀采样检测频带中的信号存在的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于使用非均匀采样检测频带中的信号存在的方法和装置，包括：模数转换器(ADC)(110)，用于对模拟输入信号(105)采样以创建离散信号样本(115)；ADC激励器(120)，用于激励ADC以非均匀时间周期进行采样；数字滤波器(130)，用于将离散信号样本转换为能量对频率谱线(300)；和能量比较器(140)，其耦合到数字滤波器的输出。能量比较器(140)检测超过能量设定点的任何频带的存在。

Description

用于使用非均匀采样检测频带中的信号存在的方法和装置

技术领域

本公开总体上涉及信号处理。更具体地，本公开内容涉及一种用于检测频带中的信号存在的使用非均匀采样的技术。

背景技术

为了检测频带中的信号存在，通常在时域中对输入信号均匀采样并且将其转换到频域。然后分析频域谱线以寻找指出可能的信号存在的能量尖峰。关于该方法的一个问题在于，在高频下，需要获取大量的样本以便克服混叠。该大量的样本需要大量的处理和功率，这往往给接收机带来压力。

附图说明

在附图中的各个视图中，相同的附图标记表示相同的或功能相似的元素，并且附图连同下文的详细描述被并入说明书并且形成说明书的一部分，用于进一步说明根据本公开的各个实施例和解释根据本公开内容的各个原理和优点。

图1示出了并入根据实施例的使用非均匀采样的信号检测器的移动设备的框图。

图2示出了根据实施例的信号检测器的处理流程图。

图3示出了根据实施例的离散信号样本的示例性能量对频率谱线。

图4示出了根据实施例的非均匀采样的示例。

本领域的技术人员将认识到，图中的元素为了简化和清楚而被图示，并且没有必要依比例绘制。例如，可以相对于其他元素放大图中的某些元素的尺寸，以帮助改善对于本发明的实施例的理解。

具体实施方式

在详细描述根据本公开的实施例之前，应注意到，实施例主要在于在大的频带中搜索信号。这包括：接收模拟信号，对该模拟信号进行非均匀采样，将输入信号转换到频域，并且分析频域谱线以检测频带中的期望信号的潜在存在。因此，在适当的情况中，装置和方法部件由附图中的常规符号表示，仅示出了与理解本发明的实施例相关的那些特定细节，以便于不会由于受益于此处的描述的本领域的普通技术人员公知的细节而使本公开混淆。

图1示出了并入信号检测器100的移动设备的框图。该移动设备包括：用户接口114，用于自麦克风或小键盘接收诸如语音或数据的用户输入；处理器150；发射机108，用于通过双工器104和天线102发射出信号；接收机106，用于通过天线102和双工器104接收信号；和存储器112。用户接口114，例如，可以包括麦克风、耳机、显示器、键盘等。天线102接收和发射信号。存储器112用于存储。双工器104负责在用于发射的发射机108和用于接收的接收机106的协助下同时发射和接收信号。接收机106包括信号检测器100。处理器150和存储器112连接到信号检测器100。

信号检测器100具有模数转换器(ADC)110、ADC激励器120、数字滤波器130、能量比较器140，并且耦合到处理器150。在操作时，信号检测器100检测频带中的信号存在。它有助于减少通信系统中的无线通信设备(例如，图1中示出的移动设备)中的处理量，同时避免混叠。该信号检测器可以使用较慢的平均采样速率和相当小的样本数目，用于检测频带中的期望信号的潜在存在。这是通过对模拟输入信号进行非均匀采样以产生非均匀离散信号样本而实现的。

通过在离散时刻获取模拟输入信号105的样本而产生非均匀离散信号样本，由此任何连续采样时间对之间的时间间距可以是互不相同的。因此，采样时间在时间上是不必要相互等距的。图4示出了非均匀采样的示例。在时刻0、A、B、C、D、E等处获取离散信号样本。在该非均匀采样的示例中，时间间距OA、AB、BC、CD、DE等是不同的。非均匀采样允许用户避免奈奎斯特标准以便于防止混叠。因此，可以极大地减小检测频带中的信号存在所需的平均采样速率和样本总数目。

回到图1，ADC110接收模拟输入信号105并且将其转换为使用非均匀采样时间周期获取的离散信号样本115。ADC110包括开关，该开关在ADC激励器120确定的非均匀时间周期中闭合，由此模拟输入信号的幅度在这些非均匀时间周期中通过该开关，否则在该开关处被阻挡。这导致了以非均匀时间周期产生离散信号样本。

ADC激励器120确定ADC110对模拟输入信号105采样的非均匀采样周期。存储器112向ADC激励器120提供待获取的样本总数N126。该样本总数N126确定将样本转换到频域时的平均旁瓣能量水平。公式-10log(N)估计相对于主瓣的平均旁瓣抑制水平。例如，如果样本总数N是1000，则-10log(N)得出了-30dB的平均旁瓣抑制水平。在理论上，如果仅需要-20dB的平均旁瓣抑制水平来检测所关注的主瓣，则处理器150将样本总数N设定为100。信号的总时长、样本总数N除以平均采样速率R，确定了频域中的瓣宽度。例如，如果在1微秒中获取样本，则每个瓣的宽度将约为1MHz。在获得信号时可以预先确定或调整平均采样速率。ADC激励器120包括斜率检测器122、伪随机生成器124、或者此两者的组合。

在具有斜率检测器122的ADC激励器120的版本中，根据模拟输入信号105的斜率而决定非均匀采样时间。在该示例中，如将参考图4解释的，局部化样本间距与当前检测的斜率成反比。在该简化实施例中，如果该斜率是较陡峭的，则局部采样速率增加，并且如果该斜率是较平坦的，则局部采样速率降低。该斜率可以正向和负向增加。在图4的线段420中，斜率是平坦的并且仅在C处获取一个样本。在线段410中，斜率是正向较陡峭的并且在时刻A和B处获取两个样本。在线段430中，斜率是负向较陡峭的并且在时刻D、E、F、和G处获取四个样本。

代替斜率检测器122，伪随机生成器124可用于确定待获取的离散信号样本之间的间距。伪随机生成器124是公知的，并且输出确定非均匀采样时间周期的序列。伪随机生成器124可被调节为，使得平均采样速率R通常在模拟输入信号105的整体时长上保持不变。

另一变化可以是斜率检测器122和伪随机生成器124的组合。在该组合中，斜率检测器122向伪随机生成器124提供激励，由此当斜率较陡峭时采样速率在伪随机生成器124中局部增加，并且当斜率较平坦时，采样速率局部降低，但是平均采样速率R总体上在信号的整体时长上保持不变。

数字滤波器130将ADC110生成的离散信号样本115转换为频域中的能量对频率谱线135。这是通过对离散信号样本取傅立叶变换实现的。数字滤波器130产生的能量对频率谱线可以与图3中示出的简化谱线类似。

能量比较器140检测超过能量设定点的任何频带的存在。该能量设定点由处理器150确定或修改并且被提供给能量比较器140。该能量设定点可以通过多种方式来确定。

在第一方法中，处理器150经验地确定或修改能量设定点。在图3中，根据历史或测试信息，将固定在特定的能量水平的设定点示出为能量设定点360。该设定点360恰好位于两个瓣320和330下方。根据其他能量对频率谱线的分布，设定点360可以位于多于两个瓣或少于两个瓣下方。在第二方法中，处理器150将能量设定点确定为，其在能量对频率谱线135中位于某些指定数目的频带下方。在图3中的示例中，第二类型的能量设定点，即设定点350，位于能量对频率谱线135的三个最高频带下方。换言之，具有最高能量水平的三个瓣310、320、330被选择为具有所关注的频带。对于该第二方法，总是选择三个瓣，而不考虑其他能量对频率谱线的分布。在第三方法中，处理器150可以将能量设定点确定为其是能量对频率谱线135中的具有最高能量水平的瓣330的百分比。在图3中的示例中，设定点370是第三类型的能量设定点。这里在图3中，该能量设定点被确定为最高能量水平的90％。在该示例中仅选择瓣330。在第四方法中，处理器可以获取平均旁瓣高度并且使其与大于1的因子(例如10)相乘以计算该设定点。将高于该设定点的所有瓣视为所关注的瓣。作为经验确定方法的变体，能量设定点可以是存储在能量比较器140或存储器120中的预先确定的值，并且在该情况中处理器150将不需要修改或选择设定点。

图1中示出的处理器150可用于执行其他功能，诸如改变整体信号上的样本总数N以及平均采样速率R并且向ADC激励器120提供反馈。采样时间周期的变化基于如下事实，在非均匀采样时，相比于均匀采样，傅立叶变换行为不同。在非均匀采样中，旁瓣不会如同均匀采样变弱。相反地，非均匀采样将混叠瓣的能量延伸到旁瓣。因此，在非均匀数字信号样本的傅立叶变换中仅存在一个主瓣并且没有高混叠频带。随着能量延伸到旁带，旁瓣的能量水平上升。因此变得较难于在存在强信号时检测弱信号。平均起来，旁瓣处于低于主瓣的-10log(N)dB处，其中N是样本总数。结果，样本总数N应被决定为，使得频域中的旁瓣能量水平将足够低以适应信号的预期动态范围。

如前面叙述的，能量比较器140检测超过能量设定点的任何频带的存在。这是通过将来自能量对频率谱线135的频带的能量与处理器150确定或修改的能量设定点比较而实现的。如果发现频带能量大于能量设定点，则指出信号存在；否则移动设备没有发现前面参考图3描述的所关注的频带。

能量比较器140可选地包括累加器145。如果能量比较器140未能识别足够数目的所关注的瓣或者识别过多的所关注的瓣，则累加器145的工作开始。在该情况中，可以获取“m”个额外的具有N个样本的集合，其中“m”是大于1的整数。在该情况中，检测可以通过不同的方法进行。一种方法是累加“m”个集合中的每个集合的能量对频率谱线。这意味着对“m”个集合中的每个集合中的离散信号样本取傅立叶变换并且使其相互重叠以产生最终的能量对频率谱线，用于由能量比较器140分析。在该情况中另一种检测方法是使用组合逻辑。如果在“m”个集合的能量对频率谱线中的多于“k”个集合中存在信号，则该信号被视为存在于特定频带中，否则其被视为不存在。最后，“mxN”个样本可以均被数字滤波以有效地自较大的N值创建频率谱线。

能量比较器的输出是其中潜在地存在所关注的信号的频率的列表。该列表进一步由接收机106获取并且根据公知的扫描技术扫描，所述扫描技术诸如为在所关注的频带中寻找信号的各种前台扫描技术。

图2示出了诸如图1中示出的信号检测器110的信号检测器的处理流程图200。该信号检测器接收210模拟输入信号。在图1中示出的示例中，信号检测器110中的ADC110接收模拟输入信号105。

信号检测器确定220获取模拟输入信号的样本的离散采样时刻。在图1中，ADC激励器120执行该功能。该离散采样时刻是将对模拟输入信号采样的非均匀采样时刻。

信号检测器非均匀地对模拟输入信号采样230以产生离散信号样本。在图1中示出的示例中，ADC110对模拟输入信号采样。

信号检测器将离散信号样本转换240到频域以产生能量对频率谱线。在图1中示出的示例中，该功能由数字滤波器130执行。参考图3详细解释了能量对频率谱线的示例。

返回图2，信号检测器确定250来自能量对频率谱线的频带的能量是否大于能量设定点。如果是，则其推断260在该频带中所关注的信号潜在存在。否则，推断270在该频带中缺失任何所关注的信号。在图1中示出的示例中，能量比较器140确定250和推断260、270在特定的频带中是否潜在地存在所关注的信号。具有潜在的所关注的信号的频带被传递到接收机，用于进一步处理。例如，移动设备可以首先使用包括关注频带的模式(例如，GSM900)开始前台扫描并且仅执行前台扫描。如果第一模式不成功，则在其他模式(例如，GSM1900)中扫描。

图3示出了离散信号样本的能量对频率谱线300的示例。该能量对频率谱线300与图1中示出的能量对频率谱线135类似。水平轴表示不同的频带并且垂直轴表示在水平轴的对应频带处的信号的能量。能量对频率谱线形成了瓣310、320、330、340、390等，其表示频带及其对应的能量值。如参考图1描述的，使用数字滤波器130将ADC110产生的模拟输入信号的离散信号样本转换为能量对频率谱线。瓣340和大致位于相同水平处的所有其他的瓣可被视为位于旁瓣水平。根据能量设定点350、360、370，位于旁瓣水平上方的瓣310、320、330可被选择为所关注的频带。水平虚线示出了协助确定所关注的频带的不同的能量设定点350、360、370的示例。例如，图1中示出的处理器150通过多种方法确定或修改该能量设定点。

根据第一方法，处理器经验地确定或修改能量设定点。在图3中的示例中，该设定点被示作设定点360。通过参考图3的示例，两个频带的瓣320、330具有位于设定点360上方的能量水平。结果，瓣320、330的频带被视为所关注的频带。应当注意，所关注的频带没有必要意指移动设备将能够获得该频带中的信号。因此，已知技术可用于扫描这些所关注的频带以确定是否存在信号(或者噪声是否引起高能量)以及是否可以获得信号(或者发射信号的系统与移动设备不兼容)。

在第二方法中，处理器将能量设定点确定为位于能量对频率谱线中的某些指定数目的频带下方。在图3中的示例中，设定点350是第二类型的能量设定点。该能量设定点被确定为位于能量对频率谱线的三个最高频带下方。换言之，具有最高能量值的三个瓣被选择为具有所关注的频带。在该示例中，选择瓣330、320、310。应当注意，在该示例中，瓣310被视为所关注的频带，而其他能量设定点可以使瓣310被视为旁瓣。

第三方法将能量设定点确定为能量对频率谱线中的最高能量水平的百分比。在图3中的示例中，虚线是该类型的能量设定点370。这里在图3中，能量设定点370被确定为最高能量水平(在瓣330中示出)的90％。因此，根据第三方法，在该示例谱线300中仅选择一个瓣330。

图4示出了信号的非均匀采样的示例400。通过在离散时刻获取模拟信号的样本产生非均匀离散信号样本，由此任何连续采样时间对之间的时间间距可以是互不相同的。采样时间没有必要在时间上是相互等距的。在时刻0、A、B、C、D、E等处获取图4中的离散信号样本。在该非均匀采样的示例中，时间间距OA、AB、BC、CD、DE等是不同的。使用如参考图1中示出的ADC激励器120描述的斜率检测器和/或伪随机生成器确定这些非均匀采样时间周期。

诸如122的斜率检测器根据模拟输入信号的斜率确定非均匀采样时刻。在图4的示例中，模拟输入信号的线段410具有正向陡峭的斜率并且获取的样本数目是两个(A、B)。模拟输入信号的线段430具有负向陡峭的斜率并且获取的样本数目是四个(D、E、F、G)。另一方面，线段420具有平坦的斜率并且仅获取一个样本(C)。

在图4中，通过使平均采样速率R局部变化，使用伪随机生成器124和/或斜率检测器122获取N个样本。例如，令N为100个样本。在获取100个样本并对其滤波之后，处理器150检查实际的旁瓣抑制是否处于使用公式-10log(N)计算的期望水平。在实际的旁瓣抑制满足或超过理论的旁瓣抑制的情况中，检测所关注的频带。否则，信号检测器100继续获取N＝100个样本的集合，直至频率谱线具有期望的旁瓣抑制。

换言之，如果由于诸如高噪声、低瞬时期望信号功率、高于最大期望值的峰值旁瓣水平等的因素，引起旁瓣能量水平的偏移大到不可靠，100个样本未映射到期望的旁瓣抑制，则处理器150引导ADC激励器120获取另外的100个样本。如果200个样本未导致期望的旁瓣抑制，则处理器150引导ADC激励器120获取100个额外样本，如此等等。因此，用户可以基于信号的预期动态范围设定相对瓣高度。而且存在适应瞬变信号能量水平的灵活性。

对于图4中的示例，m＝7个集合中的每个集合包含N＝100个样本以实现足够的旁瓣抑制，为了使图更清楚和更易于理解，图中仅示出了3个样本。由于具有N＝100个样本的第一集合461不足以获得-20dB的实际旁瓣抑制，因此处理器150引导ADC激励器120获取具有N＝100个额外样本的第二集合463。处理器150随后引导ADC激励器120继续获取具有N＝100样本的集合，直至达到期望的旁瓣抑制。对于图4中的示例，在达到期望的旁瓣抑制之前，信号检测器100获取具有N＝100个样本的七个集合461、463、465、467、469、471、473。(如前面叙述的，为了增强明确性，图4中仅示出了来自具有N＝100个样本的每个集合的三个样本)。“m”个集合中的每个集合的时长没有必要相等，但是“m”个集合中的每个集合承载相同数目的样本。

在图4的示例中：N每个集合中的样本总数目T捕获模拟输入信号的秒数m为了达到期望旁瓣抑制而获取的集合数目

m(m＝7)个集合中的第一集合461示出了样本A、B、C并且实际上包含N＝100个样本。m(m＝7)个集合中的第二集合463示出了样本D、E、F并且实际上包含N＝100个样本。m(m＝7)个集合中的第三集合465示出了样本G、H、I并且实际上包含N＝100个样本。m(m＝7)个集合中的第四集合467示出了样本J、K、L并且实际上包含N＝100个样本。m(m＝7)个集合中的第五集合469示出了样本M、N、P并且实际上包含N＝100个样本。m(m＝7)个集合中的第六集合471示出了样本Q、R、S并且实际上包含N＝100个样本。m(m＝7)个集合中的第七集合473示出了样本U、V、W并且实际上包含N＝100个样本。应当注意，如集合中示出的具有三个样本的每个组意指N＝100的样本组。还应当注意，将m和N的值提供作为用于使本发明更清楚和更易于读者理解的示例，并且m和N的值可以根据信号检测器100的设计约束极大地变化。

作为获取具有固定数目N个样本的额外集合的替换方案，处理器150可以根据各种算法使数目N变化(例如，N根据预先设定的模式增加：100、200、500、1000，N根据公式增加等。)。

在所示出的实施例中，输入信号在本质上是模拟的并且以非均匀时间周期被采样以产生离散信号样本。另一变化方案可以是接收样本被均匀间隔的数字输入信号。该数字信号中的这些均匀间隔的样本满足奈奎斯特准则。根据本发明，将数字输入信号非均匀地下采样以创建具有非均匀采样时间周期的数字信号，并且根据图1如同离散信号样本115处理得到的信号，以实现降低用于找到所关注的频带所需的处理量的相同目的。

因此，对用于检测频带中的信号存在的非均匀采样的使用有助于避免混叠。非均匀采样还允许减少平均采样速率并且使用较小数目的样本来检测所关注的频带。这有助于使用较少的处理能力检测所关注的频带，并且可以非常快速地确定大的频率范围上的所关注的频带。

在本文中，诸如“第一”和“第二”、“顶部”和“底部”等关系术语可以仅用于使一个实体或动作区别于另一实体或动作，没有必要要求或意指这样的实体或动作之间的任何实际的这类关系或顺序。术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”、或者其任何其他变化，用于涵盖非排他性的内含物，由此“包括”元素列表的过程、方法、物体或装置不仅包括这些元素，而且可以包括未明确列出的或者对于该过程、方法、物体或装置是固有的其他元素。在没有更多的限制的情况下，前面带有“包括”或“含有”或“具有”的元素，并未排除包括该元素的过程、方法、物体或装置中存在额外的相同元素。

Claims (19)

1.一种用于检测信号存在的方法，包括：

以非均匀时间周期对模拟输入信号采样，以产生离散信号样本；

将所述离散信号样本转换成能量对频率谱线；

当所述离散信号样本的能量对频率谱线超过频带中的能量设定点时，确定在所述频带中存在信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中采样的步骤包括：

检测所述模拟输入信号的斜率并且基于所述模拟输入信号的所述斜率改变局部采样速率。

3.如权利要求2所述的方法，其中如果所述斜率是较陡峭的，则所述局部采样速率增加。

4.如权利要求3所述的方法，其中如果所述斜率是正向较陡峭的，则所述局部采样速率增加。

5.如权利要求3所述的方法，其中如果所述斜率是负向较陡峭的，则所述局部采样速率增加。

6.如权利要求2所述的方法，其中如果所述斜率是较平坦的，则所述局部采样速率降低。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述采样的步骤包括：

生成确定所述非均匀时间周期的伪随机序列。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述转换的步骤包括：

使用数字频谱滤波将所述离散信号样本转换到所述能量对频率谱线。

9.如权利要求8所述的方法，其中转换的步骤包括：

对所述离散信号样本执行傅立叶变换。

10.如权利要求1所述的方法，其中进一步包括：

在所述确定的步骤之前，设定所述能量设定点。

11.如权利要求10所述的方法，其中设定的步骤包括：

经验地确定所述能量设定点的值。

12.如权利要求10所述的方法，其中设定的步骤包括：

选择位于所述能量对频率谱线的指定数目的频带下方的所述能量设定点。

13.如权利要求10所述的方法，其中设定的步骤包括：

使平均旁瓣高度与大于1的因子相乘，其中所述相乘的积提供了所述能量设定点。

14.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

如果旁瓣能量水平大于预期，则以所述非均匀时间周期获取更多的离散信号样本。

15.一种用于检测信号存在的装置，包括：

模数转换器，用于对模拟输入信号采样以创建离散信号样本；

耦合到所述模数转换器的模数转换器ADC激励器，用于激励所述模数转换器以非均匀时间周期采样；

耦合到所述模数转换器的输出的数字滤波器，用于将所述离散信号样本转换为能量对频率谱线；和

耦合到所述数字滤波器的输出的能量比较器，用于检测超过能量设定点的所述能量对频率谱线中的瓣的存在。

16.如权利要求15所述的装置，其中所述模数转换器包括：

开关，用于在所述非均匀时间周期中闭合并且在其他时间断开。

17.如权利要求15所述的装置，其中所述ADC激励器包括：

斜率检测器，用于检测所述模拟输入信号的斜率并且基于所述模拟输入信号的所述斜率调节局部采样速率。

18.如权利要求15所述的装置，其中所述ADC激励器包括：

伪随机生成器，用于生成确定所述非均匀时间周期的伪随机序列。

19.如权利要求15所述的装置，进一步包括：

耦合到所述能量比较器的处理器，用于确定所述能量设定点。