CN101826883A

CN101826883A - 一种用于认知无线电频谱感知的前端及频谱感知方法

Info

Publication number: CN101826883A
Application number: CN201010164847A
Authority: CN
Inventors: 于沭阳; 王江舟
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2010-09-08

Abstract

本发明公开一种用于认知无线电频谱感知的前端，由模拟前端和数字前端组成，其特征在于：所述模拟前端由顺次连接的天线、射频带通滤波器、低噪声放大器和模数变换器四部分组成；所述数字前端由顺次连接的信道滤波器、数字本振、低通滤波器和采样率变换四部分组成；所述模数变换器和所述信道滤波器连接。本发明还公开这种认知无线电频谱感知的方法。本发明的认知无线电频谱感知的前端设计是基于最具灵活性的带通采样式软件无线电平台的，既满足了模数转换器尽可能靠近天线的要求，同时也是现实可行的。

Description

一种用于认知无线电频谱感知的前端及频谱感知方法

技术领域

本发明涉及一种用于认知无线电频谱感知的前端及频谱感知方法，属于认知无线电和软件无线电研究领域。

背景技术

新的无线通信系统的需求迅速增长，但是无线通信现有可用频谱却越来匮乏，频谱成为日益稀缺的珍贵资源。人们普遍认为我们快要用尽可使用的频谱资源了。但是美国联邦通信委员会的研究却显示：在任何时间任何地点，大部分已授权的宝贵的频谱并没有被使用，而是处于空闲状态。一方面无线频谱资源日益紧张，另一方面已经授权给了各种无线通信系统使用的频谱的利用率却很低。

认知无线电技术允许没有获得授权的用户(称为次用户)在不干扰授权用户的前提下利用授权用户的频谱空洞进行通信。为了不对授权用户造成干扰，要求次用户能够周期性地扫描频谱，检测可获得的频谱空洞，然后次用户可以使用这些频谱空洞进行通信。一旦在某个空闲频谱上感知到授权用户到来，次用户立刻放弃该段频谱，以避免对授权用户产生干扰。因此频谱感知是认知无线电最重要的功能模块之一。

认知无线电的特性之一是灵活性、可实时重构性，这恰好是软件无线电的优势所在，因此认知无线电可建立在软件无线电的平台上。当然，频谱感知作为认知无线电的核心模块也是承载在软件无线电这个平台上的。

软件无线电的一个目标是尽可能地把模数变换器向天线端推近，后面的数字信号处理全部用软件来实现，这样可以取得最大的设计灵活性，这当然是很难的。许多文献研究了通过带通采样技术来实现这一目标。带通采样可以不用模拟混频器，直接把连续时间射频信号转换为低中频的数字信号。然而，不幸的是，带通采样对上面所说的射频带通滤波器的要求非常苛刻。通常，认知无线电中待感知信道的带宽相对于其中心频率非常的窄，不仅如此，待感知信道还是动态变化的。例如认知无线电的频谱检测器要感知GSM 1800系统中某一个信道是否被授权用户占用，该系统一个信道的带宽只有200kHz，但是其动态变化的中心频率却高达1.8GHz左右。尽管我们在微机电系统技术上已经取得了很大的进步，允许我们在工作过程中动态调整参数，但是如此高选择性的通带可调的射频带通滤波器在目前仍然是无法实现的。带通滤波器通常是射频模块中最昂贵的器件，同时其灵活性也是最差的。换句话说，目前还无法在射频段用带通滤波器直接获取一个动态变化的窄带信号并且足够深地抑制带外干扰。

因此，由于频谱感知面对的复杂环境以及硬件技术的限制，基于带通采样式软件无线电接收机平台的频谱检测器虽然可以获得最大的灵活性，但是也面临着很大的挑战。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于认知无线电频谱感知的前端，该前端以灵活的软件无线电接收机结构作为频谱感知承载平台，能够满足频谱感知对灵活性和可实时重构性的要求；

本发明的另一目的在于提供这种认知无线电频谱感知的方法。

技术方案：本发明所述的用于认知无线电频谱感知的前端，由模拟前端和数字前端组成，所述模拟前端由顺次连接的天线、射频带通滤波器、低噪声放大器和模数变换器四部分组成；所述数字前端由顺次连接的信道滤波器、数字本振、低通滤波器和采样率变换四部分组成；所述模数变换器和所述信道滤波器连接。模拟前端的工作是接收并放大射频信号(可包含一定的带外干扰)，然后按照带通采样原理对射频信号直接采样，得到低中频的数字信号。数字前端的工作是对模拟前端送来的低中频信号进行数字信号处理，滤除带外干扰，变换到基带，并降低处理速率。

本发明所述的认知无线电频谱感知的方法为：动态地调整射频带通滤波器的通带范围，使其包含但可以大于待感知的信道，然后直接将射频模拟信号通过采样变换到低中频，然后对采样后的数字信号进行恰当的处理。

所述频谱感知方法的具体步骤如下：

(1)天线将特定频带的信号接收下来；

(2)调整射频带通滤波器的通带范围，使通带范围包含大于等于认知无线电待感知信道的频段；由于带通滤波器通带宽度可以比待感知信道带宽大，因此容易实现；

(3)低噪声放大器对通过带通滤波器的信号进行放大；

(4)按照带通采样的原理，计算出合适的采样率，对放大后的射频信号直接采样，保证采样后认知无线电待感知信道上的射频信号没有被带外干扰混叠；

(5)经过第四步以后的数字信号中，待感知信道上的信号分量没有被混叠，但是仍然有带外干扰，因此需要通过一个数字信道滤波器，滤除带外干扰；

(6)降低采样率。

上述方法中，前四个步骤是模拟前端的工作，后两个步骤是数字前端的工作。该方法中频谱感知算法采用简单的能量感知法；如果频谱感知算法采用较为复杂的匹配滤波感知法或者循环平稳特性感知法，在步骤(5)之后还依次包含以下步骤：

(5-1)通过数字混频器把信号变换到基带；

(5-2)通过数字低通滤波器滤除混频过程中产生的镜像。

经过上述六个或八个步骤以后，就可以按照某个频谱感知算法(比如能量感知法、匹配滤波法和循环平稳特性感知法等)进行频谱感知了。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果为：(1)本发明的认知无线电频谱感知的前端设计是基于最具灵活性的带通采样式软件无线电平台的，既满足了模数转换器尽可能靠近天线的要求，同时也是现实可行的；(2)本发明利用模数变换器与带通滤波器的折衷来解决射频带通滤波器的设计难题，成功地以可接受的增大采样率为代价降低了对射频带通滤波器的要求；(3)本发明的认知无线电频谱感知的前端所需的模拟器件非常少，模数变换器已经非常接近天线端了，采样之后的工作都可以由软件完成，因此灵活性非常强，可以很方便的进行实时重构；(4)本发明中，由于射频带通滤波器的通带可以比较大，因此易于实现；所需的采样率仍然在可接受的范围，而且信号变换到基带以后，采样率还可以降低到Nyquist速率；(5)本发明认知无线电频谱感知的前端是认知无线电执行频谱感知的硬件和软件平台，基于软件无线电的思想，该方法可以根据需要灵活地调整参数使其工作在不同的频段上。

附图说明

图1为认知无线电频谱感知前端结构示意图；

图2为带宽为B的有用信号通过通带宽度为W的带通滤波器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对最佳实施例进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：如图1所示，认知无线电频谱感知的前端包括二个模块：

模拟前端：模拟前端包含天线、射频带通滤波器、低噪声放大器和模数变换器；模拟前端的工作是接收并放大射频信号(可包含一定的带外干扰)，然后按照带通采样原理对射频信号直接采样，得到低中频的数字信号；

数字前端：数字前端包含信道滤波器、数字本振、低通滤波器和采样率变换四个部分；数字前端的工作是对模拟前端送来的低中频信号进行数字信号处理，滤除带外干扰，变换到基带，并降低处理速率。

认知无线电频谱感知的方法，具体步骤如下：

第一步：天线将一个很宽频带的信号接收下来；

第二步：调整射频带通滤波器的通带范围，使通带范围包含但可以大于认知无线电待感知信道的频段。由于带通滤波器通带宽度可以比待感知信道带宽大，因此容易实现。设待感知信道的频段范围为[f_L，f_H]Hz，其中f_L和f_H分别为其最低和最高频率，则其带宽B＝f_H-f_L。而射频带通滤波器的通带范围为[f_D，f_U]Hz，通带带宽W＝f_U-f_D，且f_U＞f_H，f_D＜f_L，很明显W＞B。因此除了有用信号和噪声外，还有来自相邻信道的带外干扰一起通过了带通滤波器，如图2所示，[f_D，f_L]和[f_H，f_U]频段的信号均为带外干扰，其中X(f)和Y(f)分别表示通过带通滤波器的总体信号和待感知信道上的信号，上标“+”、“-”分别表示正负频谱；

第三步：通过低噪声放大器对信号进行放大；

第四步：按照带通采样的原理，计算出合适的采样率，对放大后射频信号直接采样，保证采样后认知无线电待感知信道上的射频信号没有被带外干扰混叠。这里的采样率应服从下面的公式：

\frac{f_{U} + f_{H}}{K} \leq f_{s} \leq \frac{f_{D} + f_{L}}{K - 1}

[规则1]

其中K为正整数，取值范围从1到

第五步：经过第四步以后的数字信号中，待感知信道上的信号分量没有被混叠，但是仍然有带外干扰，因此需要通过一个数字信道滤波器，滤除带外干扰；

第六步：通过一个数字混频器把信号变换到基带；

第七步：通过一个数字低通滤波器以滤除混频过程中产生的镜像；

第八步：降低采样率。如果W比B大许多，[规则1]所确定的采样率虽然是可以接受的，但是仍然是比较高的，而且高速率意味着高功耗。现在的信号已经是没有带外干扰的基带信号，因此可以把采样率降低，最低可以降至Nyquist速率。

经过这八个步骤以后，就可以按照某个频谱感知算法(比如能量感知法、匹配滤波法和循环平稳特性感知法等)进行频谱感知了。另外，值得指出的是，如果采用的频谱感知算法是简单的能量感知法，那么第六步和第七步是可以省略的，并不一定要求把信号变换到基带计算能量，在低中频计算能量也是一样的。但是如果采用较为复杂的匹配滤波法或者循环平稳特性感知法，那么第六步和第七步就是必须的了。

熟知本领域的人士将理解，虽然这里为了便于解释已描述了具体实施例，但是可在不背离本发明精神和范围的情况下作出各种改变。因此，除了所附权利要求之外，不能用于限制本发明。

Claims

1.一种用于认知无线电频谱感知的前端，由模拟前端和数字前端组成，其特征在于：所述模拟前端由顺次连接的天线、射频带通滤波器、低噪声放大器和模数变换器四部分组成；所述数字前端由顺次连接的信道滤波器、数字本振、低通滤波器和采样率变换四部分组成；所述模数变换器和所述信道滤波器连接。

2.利用权利要求1所述的用于认知无线电频谱感知的前端进行频谱感知的方法，其特征在于：调整射频带通滤波器的通带范围，使其包含大于等于待感知的信道，然后直接将射频模拟信号通过采样变换到低中频，然后对采样后的数字信号进行处理。

3.根据权利要求2所述的频谱感知的方法，其特征在于具体包含如下步骤：

(1)天线将特定频带的信号接收下来；

(2)调整射频带通滤波器的通带范围，使通带范围包含大于等于认知无线电待感知信道的频段；

(3)低噪声放大器对通过带通滤波器的信号进行放大；

(4)按照带通采样的原理，计算出合适的采样率，对放大后的射频信号直接采样；

(5)通过数字信道滤波器，滤除带外干扰；

(6)降低采样率。

4.根据权利要求3所述的频谱感知的方法，其特征在于步骤(5)之后还依次包括以下步骤：

(5-1)通过数字混频器把信号变换到基带；

(5-2)通过数字低通滤波器滤除混频过程中产生的镜像。