CN101636920A - 针对既有信号的基于fft的导频感测 - Google Patents

针对既有信号的基于fft的导频感测 Download PDF

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Abstract

检测既有信号的存在，以便允许次要用户与对频谱具有优先访问权的既有用户共享频谱空白空间。将该频谱让出与既有用户，以预防任何潜在的有害干扰和使得能进行频谱共享。通过对接收的信号(51)执行频域变换以生成多个频域分量(53)，从而检测既有信号(39)的存在。从所述多个频域分量(53)中识别出最大频域分量。取所识别的最大频域分量的平方，并将结果与检测阈值相比较，以确定既有信号是否存在。

Description

针对既有信号的基于FFT的导频感测
本申请主张2007年3月19日提交的序列号为No.60/895,568的美国临时申请的权益。
技术领域
本发明涉及一些通信系统，其包括认知无线电(cognitive radio)和/或软件定义的无线电(SDR)，以在对诸如电视(TV)接收机那样的既有(incumbent)服务没有有害干扰的情况下达到有效的和可靠的频谱利用。
背景技术
已经提出许多建议来允许由无许可证的设备使用TV频谱，只要无许可证的用户对于该频谱的既有用户不造成有害的干扰。设想这些无许可证的设备将拥有能力来自主地识别那些在得到许可的电视频段内的频道，它们可以在那里进行传送而不造成有害的干扰。
电子和电气工程师协会(IEEE)802.22无线区域网络(WRAN)工作组正在准备关于物理(PHY)和媒体接入控制(MAC)层接口的标准。该接口使得非允许的系统能基于认知无线电(CR)技术来利用指派给电视(TV)广播业务的频谱。为了与既有系统共存并避免可能影响诸如TV广播、无线话筒等等的现有业务的干扰，IEEE 802.22的MAC协议使得CR基站在检测到由既有系统使用的频谱的使用时能够动态改变当前正使用的频道或CR终端的功率。
导频检测器已经被提议用来确定活动的电视频道的存在。然而，有许多问题与检测和识别经许可的数字电视(DTV)传输以便确定无许可证的设备是否能共享特定电视频道相关联。大多数的导频能量检测方法滤波导频周围的区域，然后测量窄带信号的能量。如果该信号能量超出某个阈值，则表明该信号被检测到。该方法对阈值很敏感，且噪声电平的任何不确定性都能使性能降级。而且，如果导频处于可能相当普遍的强衰落中，则检测到的概率会很低。导频能量检测方法的另一问题是导频定位的不确定性，导频定位可能需要100KHz带宽滤波器。然而，滤波器越大，性能降级就越厉害。
发明内容
按照本发明的各种实施例，基于FFT的导频检测快速和鲁棒地检测既有信号的存在、并迅速将频谱让出给既有用户，以预防任何潜在的有害干扰和使得能进行有效且可靠的频谱共享。
应当知道，既有用户被赋予对频谱的优先访问权，而次要(secondary)用户(例如，认知无线电用户和软件无线电用户)只具有在不干扰既有用户的基础上机会性地使用频谱的空白空间的访问权利。空白空间是通信技术中熟知的，它被定义为无线频谱中已分配的但实际上未使用的部分。
按照本发明的一个实施例，基于FFT的导频检测是基于所检测的载波信号中的导频的能量。通过使用已知的标称导频位置，将接收的信号解调到基带。利用大到足以容纳任何未知频偏的低通滤波器来滤波该基带信号。经滤波的信号被下采样(down-sampled)，取子采样(sub-sampled)信号的FFT，其中FFT大小取决于感测窗口的停顿时间(dwell time)。通过寻找出在单个停顿窗口中的FFT输出平方的最大值、并将其与预定阈值相比较，来执行导频能量检测。
按照本发明的另一实施例，基于FFT的导频检测是基于导频在所检测的载波信号中的位置。通过使用已知的标称导频位置，将接收的信号解调到基带。利用大到足以容纳任何未知频偏的低通滤波器来滤波该基带信号。经滤波的信号被下采样，取子采样信号的FFT，其中FFT大小取决于感测窗口的停顿时间。通过寻找出FFT输出平方的最大值的位置、并在多个停顿之间对其进行比较，来执行导频位置检测。
附图说明
在附图的各个图上图示了本发明的各种实施例，这些实施例打算是示例性的而不是限制性的，在这些图上，同样的参考符号被规定为是指同样的或对应的部件，其中：
图1图示传统的ATSC 8-VSB发射机的框图；
图2是图示图1的VSB信号的场同步信号的结构的图；
图3图示了显示按照本发明实施例的检测器的框图。
图4是一个流程图，其图示了用于通过基于既有信号中的导频能量来执行基于FFT的导频检测、从而检测具有低信噪比的既有信号的存在的方法。
图5是一个流程图，其图示了用于通过借助于观测连续间隔上最大FFT值的位置来执行基于FFT的导频检测、从而检测具有低信噪比的既有信号的存在的本发明另一实施例。
图6图示了针对10个停顿(即N＝10)检测具有强导频的信号x(t)时的32点FFT的模拟结果，其中该检测是基于所检测的信号x(t)中的导频的能量；
图7图示了针对10个停顿(即N＝10)检测具有弱导频的信号x(t)时的32点FFT的模拟结果，其中该检测是基于所检测的信号x(t)中的导频的能量；以及
图8图示了针对10个停顿(即N＝10)检测具有弱导频的信号x(t)时的256点FFT的模拟结果，其中该检测是基于所检测的信号x(t)中的导频的能量。
具体实施例
现在从示例性系统、方法和设备几个方面来更详细地描述本发明，所述示例性系统、方法和设备通过执行基于FFT的导频检测来快速和鲁棒地检测尤其是具有低信噪比的既有信号的存在，而提供鲁棒的和有效的解决方案。频谱感测是用于动态频谱接入的关键使能者，因为它可以允许次要网络再用频谱而不会对主要用户造成有害干扰。因此，本发明在某种程度上可被表征为以基于FFT的频谱检测为基础的频谱感测技术。
本发明可适用于与一个或多个感测停顿(窗口)一起使用，其通过允许保持次要业务的QoS而不管定期安排的感测窗口，从而很适合于MAC感测体系结构。
这里描述的频谱感测具体地但不排他地被设计用于在高度动态和密集的网络中运行，并且已在IEEE 802.22标准的当前草案中被采用。这里描述的频谱感测被设计成主要保护两种类型的既有业务，即，TV业务和无线话筒。具体地，无线话筒是频谱的经许可的次要用户，FCC允许它在不产生干扰的基础上在空闲的TV频道上运行。
图1图示被使用来有规律地插入和传送已知数据的传统数字广播传输设备的框图。它是标准的8电平残余边带(VSB)传输设备，其包括随机函数发生器10、里德-所罗门(Reed-Solomon，RS)编码器12、交织器14、网格编码器16、复用器(MUX)18、导频插入器20、VSB调制器22和射频(RF)变换器24。
导频插入器20将导频信号插入到来自复用器18的码元流中。导频信号在随机化和错误编码(error coding)级之后被插入，以免破坏这些信号所拥有以便有效的固定的时间和振幅关系。在数据被调制之前，对8-VSB基带信号施加小的DC移位。这使得在最终得到的调制频谱的零频率点处出现小的残余载波，这是由导频插入器20提供的导频信号。这给予VSB接收器中的RF锁相环(PLL)电路某信号来锁定到其上，所述某信号与所传送的数据无关。在导频信号被导频插入器20插入后，输出受VSB调制器22支配。VSB调制器22将码元流调制成中频频段的8VSB信号。VSB调制器22提供在标准频率(在美国是44MHz)上的、经滤波的(根升余弦)IF信号，其中一个边带的大部分被去除。
具体地，八电平基带信号被调幅到中频(IF)载波上。该调制产生在载波频率周围的双边带IF频谱。然而，总的频谱太宽以致于无法在指派的6MHz频道中传送。由调制所产生的旁瓣仅仅是中心频谱的经缩放的复制品，整个下边带是上边带的镜像。所以，通过使用滤波器，VSB调制器丢弃了整个下边带和在上边带中的全部旁瓣。剩余的信号——中心频谱的上半部分——通过使用奈奎斯特滤波器被进一步去除二分之一。奈奎斯特滤波器是基于奈奎斯特理论，该理论概括为：以给定的采样速率传送数字信号只需要1/2频带宽度。
进一步按照图1，RF(射频)转换器24把来自VSB调制器22的中频频带的信号转换成RF频带信号的信号，并通过天线26把该信号传送到接收系统。
8-VSB信号的每个数据帧具有两个场，即奇场和偶场。两个场各具有313个分段，其中第一分段对应于场同步(sync)信号。图2是图示图1的8-VSB信号的场同步信号的结构的图。如图2所示，奇场和偶场的每个分段具有832个码元。每个奇场和偶场中的每个分段的头四个码元包含分段同步信号(4-码元数据-分段-同步(DSS))序列。
为了使VSB信号是更可接收的，把训练序列嵌入到VSB信号的每个奇场和偶场的第一分段(包含场同步信号)中。场同步信号包括用于信道均衡器的四个伪随机训练序列：由511个符号组成的伪随机数(PN)511序列；和三个PN63序列，每个PN63序列由63个码元组成。每当场改变时，所述三个PN63序列的第二个PN63序列的符号也变化，由此表明一个场是数据帧的第一(奇)场还是第二(偶)场。同步信号检测电路通过使用PN511序列确定所接收的多径信号的幅度和位置(相位)的分布，并生成对于诸如译码操作那样的各种DTV接收操作所必需的多个同步信号。
参考图3，其示出了检测器500的示例性实施例。应当理解，检测器500的参数可以根据所期望的感测时间、复杂度、漏检概率以及虚警概率来选择。按照图3，检测器500包括天线311、调谐器313、A/D转换器315、复混频器317、窄带滤波器319、子采样单元321、FFT单元323、以及能量/位置检测器325。
调谐器313被用于接收既有信号39并提供低IF(LIF)信号43。模数(A/D)转换器315被用于以最高频率的至少两倍的采样速率对该低IF(LIF)信号43进行采样，并将该低IF(LIF)信号43转换成数字LIF信号45。该数字LIF信号45作为第一输入被提供给复混频器317，在其中该信号与从振荡器(未示出)输出的参考信号55相组合，该振荡器具有等于载波频率的特征频率fc。复混频器317输出复解调基带信号47。复解调基带信号47作为输入被提供给窄带滤波器319，该窄带滤波器319被用于执行低通滤波并产生经滤波的复解调基带信号49。子采样单元321对经滤波的复解调基带信号49进行下采样，并输出下采样的经滤波的复解调基带信号51。FFT单元323接收该下采样的经滤波的复解调基带信号51，生成FFT窗口并对该下采样的经滤波的复解调基带信号51执行FFT处理。FFT单元323输出多个频域分量信号53。能量/位置检测器325接收该多个频域分量信号53，并输出有关既有信号39存在与否的单一确定。
在这里所描述的每个实施例中，阈值的选择由所期望的虚警概率PFA确定。
图4是一个流程图，其图示了用于通过基于既有信号中的导频能量来执行基于FFT的导频检测、从而检测具有低信噪比的既有信号的存在的本发明另一实施例。作为例子，待检测的载波信号x(t)被假定是在5.38MHz的低IF上的带通信号，其标称导频位置为2.69MHz。还假定该信号以21.52MHz被采样。
然而，应理解，参考图4所描述的动作可以通过适当的修改而被实现来检测任何包括导频的信号，其中该信号以任何IF或RF频率被传送并以任何适当的采样速率被采样。在框602中，利用fc＝2.69MHz的标称频偏将接收的信号解调到基带。该标称频偏被应用来将导频信号放置得靠近DC。
x(t)＝在低IF(例如5.38MHz)上的实带通信号
y(t)＝x(t)e-j2πfct＝在基带上的复解调信号
在框604，用有带宽的低通滤波器对复解调基带信号y(t)进行滤波。通常，该滤波器带宽大得足以容纳信号中任何未知的频偏。在一些实施例中，通过使滤波器带宽变窄，可以使导频能量检测更鲁棒而不损害带有大的频偏的信号的可检测性。在框606，对经滤波的信号y(t)进行从21.52MHz到53.8KHz的下采样。在框608，取该下采样的信号的FFT，以生成多个频域分量信号。FFT的长度可以取决于停顿时间而变化。例如，1ms的停顿将允许32点FFT。5ms的停顿将允许512点FFT。应指出，增加停顿时间会提高性能。在框610，在单个停顿中，识别FFT输出平方的最大值以及它的位置。在框612，将这个值与能量阈值相比较，以检测信号的存在。
应认识到，以上动作可以由诸如微处理器、DSP等的处理单元以软件或固件形式来执行。
在另一实施例中，该创新性的导频能量检测引入了多个停顿以便基于位置来确定既有信号的存在与否。例如，可以考虑N个停顿，其中N是大于1的正整数。
图5是一个流程图，其图示了用于通过借助于观测连续间隔上最大FFT值的位置来执行基于FFT的导频检测、从而检测具有低信噪比的既有信号的存在的本发明另一实施例。在框702中，利用示例性的fc＝2.69MHz的标称频偏将接收的信号解调到基带，该标称频偏被应用来将导频信号放置得靠近DC。
x(t)＝在低IF(例如5.38MHz)上的实带通信号
y(t)＝x(t)e-j2πfct＝在基带上的复解调信号
在框704，利用低通滤波器对复解调基带信号y(t)进行滤波。通常，该滤波器带宽应当大到足以容纳该信号中的任何未知的频偏。在框706，对经滤波的信号y(t)进行从示例性的21.52MHz到53.8KHz的下采样。在框708，在N个连续的停顿中独立地执行下采样信号的x-点FFT，从该FFT分别输出N个独立的512x1矢量V1至VN。x-点FFT的大小优选为2的幂，例如{32x1}，{64x1}，{128x1}或{512x1}FFT。
V1＝[(FFTout-1)，(FFTout-2)，......(FFTout-512)]
VN＝[(FFTout-1)，(FFTout-2)，......(FFTout-512)]
应理解，对于可能使用的停顿的数量没有约束或限制。换句话说，停顿的数量N可以是等于或大于1的正整数。所使用的FFT的长度与每个停顿的停顿时间有关。例如，1ms停顿允许32点FFT，而5ms停顿允许512点FFT。
在框710，V1至VN的矢量集合被分成多个(M个)组。在本发明的一个实施例中，V1至VN的矢量集合被分成两个组，因此M＝2。优选地，每个组包含同样数量的矢量。例如，在两个组(M＝2)的情况下，每个组具有N/2个矢量。即，第一组由矢量{V1至VN/2}组成，而第二组由{VN/2至VN}组成。
应理解，对于可从初始矢量集合N创建的组的数量M没有约束或限制。例如，在一个实施例中，预期把由矢量V1至VN组成的矢量集合N分成四个组(M＝4)，其中每个组由N/4个矢量组成。类似地，在另一实施例中，预期把由矢量V1至VN组成的矢量集合N分成8个组(M＝8)，其中每个组由N/8个矢量组成。
在框712，分别取各组中的每个矢量的平均。例如，在N＝10，M＝2以及FFT＝512的情况下，分别取两组中每组的5个矢量的平均。在框714，识别出每个矢量组中的单个最大矢量值fmax。
在框716，在N＝10且M＝2的情况下，差值D被计算为最大矢量值fmax-goup-1和fmax-group2之间的差。在有多个组的情况下，计算每个组之间的差值。例如，在4个组的情况下，计算8个差值。在框718，把最大的(或唯一的)差值Dmax与阈值相比较，以确定既有信号存在与否。
图6图示了针对单个停顿(即N＝1)检测包括强导频的信号x(t)时的32点FFT所获得的模拟结果，其中该检测是基于被检测的信号x(t)中的导频的能量。图7图示了在尝试检测弱导频信号时使用32点FFT的缺点。在这种情况下，用更高阶FFT来提取弱导频信号是优选的。图8图示了当使用更高阶FFT时，具有改进的分辨率的更佳的性能结果。如图10所示，256点FFT容易地检测到衰落的导频信号，这是使用图7的32点FFT不能实现的。
应认识到，可用另一算法来代替FFT。还应认识到，对于平均间隔的长度没有约束或限制。例如，10ms的单个长停顿可以与512-点FFT(或另一算法)一起被使用来获得更佳的检测性能。
像数字ATSC标准那样，模拟全国电视系统委员会(NTSC)广播信号也包含导频信号和其它已知的同步信号分量，其可被用于接收机的位置定位(position location)。本发明适用于模拟NTSC广播信号。例如，水平扫描同步信号在63.6微秒的每个水平扫描时间中出现。这个63.6微秒等同于先前讨论的分段时间间隔，而这个水平扫描同步信号起到与数字ATSC标准的分段同步比特波形相似的作用。对于这些模拟TV广播信号，还存在周期性地出现的已知的重影抵消参考(GCR)信号，该信号被TV接收机使用来在从发射机到接收机的信号传播期间对抗多径。这个GCR信号类似于数字ATSC广播信号的场同步分段信号。本发明还扩展到其它类型的模拟TV广播信号。
欧洲电信标准协会(ETSI)建立了数字视频广播-地面(DVB-T)标准，它是基于正交频分复用(OFDM)信号的使用。本发明可适用于DVB-T和密切相关的日本综合业务数字广播-地面(ISDB-T)系统。DVB-T系统的8K模式例如由6816个OFDM载波组成，其中每个载波用896微秒持续时间的编码数据码元进行QAM调制(QPSK是特殊情形)。6816个数据码元的整个组被称为这个DVB-T广播信号的一个码元。具有896微秒持续时间的载波的一个个QAM调制码元有时被称为信元(cell)。这些信元中有许多是固定的，并在TV接收机处被用于同步目的。这些已知的同步信元，即所谓的导频载波或信元，可被使用来根据本发明确定接收机的位置定位。
本发明可适用于其它的OFDM广播信号，诸如ETSI数字音频广播(DAB)和美国带内同频(IBOC)数字音频广播系统。OFDM音频广播信号也被Sirius与XMRadio的卫星数字音频无线电服务(SDARS)系统的地面中继站使用。
在这里所描述的实施例中，为了快速和鲁棒地检测既有用户的存在，在次要用户的认知无线电或软件无线电设备中使用基于FFT的导频检测方法，该方法依靠(leverage on)既有信号中导频的已知位置以便检测既有信号的存在。以这种方式，本发明对于合并了至少一个导频信号的任何既有信号具有普遍的适用性。此外，本发明尤其但不排它地，适合于具有低信噪比的载波信号。
按照本发明的不同的实施例，本发明的基于FFT的导频检测可以基于不同的准则，包括但不限于：被检测的信号中的导频的位置，或被检测的信号中的导频的能量。在其它的实施例中，预期有各种组合的方案，这些方案将导频检测的这些准则(例如位置和能量)组合起来。
对本发明的优选实施例的以上说明是为了例示和描述的目的而给出的。它并不打算是穷举的或用来将本发明限制于所公开的精确的形式。鉴于以上的教导，有可能作出许多修改和变化。本发明的范围不打算由本详细说明来限制，而是打算由所附的权利要求及其等同物来限制。

Claims (14)

1.一种用于检测既有信号(39)的存在的方法，包括：
对接收的信号(51)执行频域变换，以生成多个频域分量(53)；
从所述多个频域分量(53)中识别出最大频域分量；
取所识别的最大频域分量的平方；以及
将平方后的最大频域分量与检测阈值相比较，以确定既有信号是否存在。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述频域变换是x-点FFT变换。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述x-点FFT变换在单个停顿中执行。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述x-点FFT变换在多个停顿中执行。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述频率变换是功率谱密度变换。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述导频周围的区域中低通滤波该接收的信号，其中所述导频处在该既有信号(39)的已知位置。
7.一种用于检测既有信号(39)的存在的方法，包括：
解调既有信号(39)，以生成复解调基带信号(47)；
低通滤波该复解调基带信号(47)，以生成经滤波的复解调基带信号(49)；
对所述经滤波的复解调基带信号(49)进行下采样，以产生下采样的经滤波的复解调基带信号(51)；
对所述下采样的经滤波的复解调基带信号(51)执行频域变换，以识别从所述频域变换输出的经平均的独立矢量的最大差值；以及
将所述最大差值与阈值相比较，以确定既有信号是否存在。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：在N个连续的停顿中对所述下采样的经滤波的复解调基带信号执行FFT运算；从所执行的FFT运算生成N个独立的矢量；将该N个独立的矢量分成M个子组；对M个子组的每个子组中的独立矢量取平均，从而产生所述M个子组中每个子组的单个经平均的独立矢量；计算该每个子组的单个经平均的独立矢量中每个之间的差值；以及从所计算的差值中识别出所述的最大差值。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述频域变换是x-点FFT变换。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述x-点FFT变换在单个停顿中执行。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述FFT运算在多个停顿中执行。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述频域变换是功率谱密度变换。
13.一种用于检测既有信号的存在的系统，包括：
用于对接收的信号执行频域变换以生成多个频域分量的单元，所述单元从所述多个频域分量中识别出最大频域分量，其中所识别的最大频域分量被平方；以及
检测器，用于将所述被平方的最大频域分量与检测阈值相比较，以确定既有信号是否存在。
14.一种用于检测既有信号的存在的系统，包括：
用于解调既有信号以生成复解调基带信号的单元，所述单元低通滤波该复解调基带信号以生成经滤波的复解调基带信号，并对经滤波的复解调基带信号进行下采样以产生下采样的经滤波的复解调基带信号；
FFT单元，用于对所述下采样的经滤波的复解调基带信号执行频域变换，以便识别出从所述频域变换输出的经平均的独立矢量的最大差值；以及
检测器，用于将所述最大差值与阈值相比较，以确定既有信号是否存在。
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