CN101849365B - 使用相关来检测信号的鲁棒的感知 - Google Patents

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Abstract

为了快速和鲁棒地检测既有用户的存在、并在必要时把频谱迅速地让出给既有用户，在通过上采样的参考信号执行相关检测之前，在次要用户的认知无线电或软件无线电的接收机中执行载波恢复，以便校正大的频偏和改进相关检测器的性能。为了检测接收的信号，把导频值加到参考信号。该参考信号被上采样到该接收的信号的采样频率。将上采样的参考信号与解调的基带信号进行相关，以产生相关值。如果相关值大于预定的检测阈值，则确定该接收的信号存在。

Description

使用相关来检测信号的鲁棒的感知
本申请主张2007年3月6日提交的序列号为60/893,208的美国临时申请的权益。
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(incumbernt)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。
已经提出许多建议来允许由无许可证的设备使用TV频谱，只要该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(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)技术来利用被指派给电视(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电视广播、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地改变当前正使用的频道或CR终端的功率。
为了避免对既有系统的干扰，CR终端使用基于相关(correlation-based)的感知(sensing)方法，所述方法假设在接收的信号中有最小的频偏。然而，测量表明：+/-20kHz的大频偏并不罕见。这些大的偏移可能是有意的或非有意的。某些可能的有意的频偏源可包括：可以校正邻近的干扰的发射机，或接收机前端。某些可能的非有意的频偏源可包括：例如多普勒频偏，或接收机晶体偏移。这些偏移的存在和大小在感知的接收机处常常是未知的，这使得补偿成为问题。然而，如果这些大的频偏在感知的接收机中不被补偿，则相关检测器的性能会很不可靠，特别是在低信噪(SNR)比的情况下。另外，未知的接收的导频电平和定时偏移会降低相关检测器的性能。
按照本发明的实施例，认知无线电或软件无线电的次要(secondary)用户快速和鲁棒地确定既有信号的存在。应当知道，既有用户被赋予对频谱的优先访问权，而次要用户(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。按照本发明的实施例，次要用户快速和鲁棒地检测既有用户的存在并把频谱迅速地让出给既有用户，以预防任何潜在的有害干扰和使得能进行频谱共享。
按照本发明的一个实施例，为了快速和鲁棒地检测既有用户的存在、并在必要时把频谱迅速地让出给既有用户，在执行相关之前在次要用户的认知无线电或软件无线电的接收机中执行载波恢复，以便校正大的频偏和改进相关检测器的性能。
本发明被广泛地应用于与包括至少一个已知PN序列的任何既有信号一起使用。而且，本发明适用于可能以IF或RF频率传送的、在传感器中以任何采样速率进行采样的任何既有信号。
按照本发明的实施例，载波恢复是在通过过采样的参考信号--其例如包括分段同步、511 PN序列长度、63 PN序列或它们的组合--进行相关检测之前执行的。
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的一个实施例的检测器的框图；
图4是图示用于执行载波恢复的过程的流程图；
图5是进一步描述图4的流程图的载波恢复的详细流程图。
现在从示例性系统、方法和设备几方面更详细地描述本发明，所述示例性系统、方法和设备通过在执行相关之前执行载波恢复以便校正大的频偏并由此改进相关检测器的性能，而提供用于在低信噪比下恢复载波信号的鲁棒的和高效的解决方案。
在与主要业务共享频谱频段的任何基于CR的无线系统--诸如IEEE802.22标准中频谱感知是强制性功能。更具体地，频谱感知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造成对主要用户的有害干扰。因此，本发明可被表征为以基于FFT的导频检测为基础的频谱感知技术。
这里描述的频谱感知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。这里描述的频谱感知被设计成主要保护两种类型的既有业务，即，电视业务和无线话筒。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电视频道上运行。
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、Reed-Solomon(里德-所罗门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把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的、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偏移。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。这允许VSB接收机中的RF锁相环(PLL)电路锁定到与所传送数据无关的某信号上。在导频信号被导频插入器20插入后，输出被交给VSB调制器22。VSB调制器22把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，该理论概述为：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个码元组成的伪随机数(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序列的符号也改变，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振幅和位置(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。
图3是按照本发明的示例性实施例的、带有基于FFT的估计单元423的感知单元400的框图。如图所示，感知单元400包括调谐器410、解调器420、第一匹配滤波器430、复相关单元440、本地参考信号生成单元460、绝对值确定单元470和阈值检测器480。
解调器420包括模拟-数字(A/D)转换器421、复混频器422、以及基于FFT的估计单元423。
本地参考信号生成单元460包括PN511和导频生成单元461、过采样单元465、以及第二匹配滤波器467。
在运行时，调谐器410接收经由天线通过空中传送的高频信号43，并把接收的高频信号调谐到低IF信号45。A/D转换器421把低IF(LIF)信号45转换成数字LIF信号47，其作为一个输入被提供到复混频器422。在复混频器422中，把数字LIF信号与从基于FFT的估计单元423输出的参考信号55相组合。基于FFT的估计单元423输出特征频率fc的估值。在下面相对于图5的流程图详细地描述在按照本发明实施例的基于FFT的估计单元423中用于估计载波频率fc的过程。复混频器422的输出是复解调基带信号49，它被提供到第一匹配滤波器430，用于执行匹配滤波(MF)操作以产生复信号51。复信号51作为一个输入被提供到复相关单元440，复相关单元440执行与从第二匹配滤波器467输出的过采样的本地参考信号59的复相关。第二匹配滤波器467接收来自过采样单元465的本地参考信号58。本地参考信号57在PN511+导频单元461中生成，并被提供到过采样单元465。
复相关单元440输出复相关信号53，它作为输入被提供到绝对值单元470。绝对值单元470输出绝对值复相关信号61作为对阈值检测器480的一个输入。绝对值复相关信号61被与作为第二输入提供到阈值检测器480的阈值63相比较，以便确定既有用户的信号是存在还是不存在。
应当明白，阈值63的选择是由想要的虚警(false alarm)概率PFA确定的。
现在参照图4，图上提供了一个流程图，用于图示快速和鲁棒地检测既有用户的信号的存在的方法。按照所描述的方法，在进行相关之前执行载波恢复，以便校正大的频偏并由此改进相关检测器的性能。接下来要描述的步骤尤其有利的是，可以适当地补偿大的频偏，因此使得相关检测器的性能是非常可靠的，特别是在低信噪比的情况下。而且，未知的接收的导频电平和定时偏移被减小，以进一步提高相关检测器的性能。
按照图4描述的方法是在图3的感知单元400的上下文中被提供的。应当明白，所述方法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。
在方块502，估计经由天线接收的接收信号x(t)的载波频率fc。这在下面参照图5的流程图更详细地描述。在方块504，通过使用估计的载波频率fc，把接收的信号x(t)解调成基带信号，即，y(t)＝x(t)e-j2πfct。在方块506，基带信号，即，y(t)＝x(t)e-j2πfct，用在匹配滤波器中的带宽5.38MHz的SQRC滤波器进行滤波，其中滤波器带宽大体上为中心频率的+/-11.5％，以便生成滤波的基带信号。在方块508，生成本地参考信号。这是通过把导频值加到PN511序列并且上采样参考信号到接收的信号的采样频率而达到的。在方块510，本地参考信号被过采样，以生成过采样的本地参考信号。在方块512，把过采样的本地参考信号作为输入提供到第二匹配滤波器，以生成滤波的本地参考信号。在方块514，把滤波的本地参考信号与复相关信号进行相关。在方块516，提供绝对复相关值。在方块518，把绝对复相关值与阈值检测值63相比较，以确定接收的(既有)信号的存在。
现在参照图5，图上的流程图图示了图4的方块502的更多细节。如上所述，方块502针对的是估计接收的信号x(t)的载波频率fc。在方块602，对LIF信号x(t)的一部分执行FFT变换。在方块604，在多个相邻的数据部分上对FFT输出的绝对值求平均，从而产生单个平均的FFT输出。在方块606，识别平均的FFT输出的峰值。在方块608，把识别的峰值与阈值进行比较，以确定哪个更大。如果确定峰值大于阈值，则该过程在方块610继续进行。否则，该过程在方块612继续进行。在方块610，所识别的峰值位置(peak position)被用作为载波频率的估值，以解调接收的信号x(t)。在方块612，接收的信号的标称导频位置(nominal pilotlocation)被用作为载波频率的估值，以解调接收的信号x(t)。
像数字ATSC标准那样，模拟国家电视系统委员会(NTSC)广播信号也包含导频信号和其他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。对于这些模拟电视广播信号，还有周期性地出现的已知的重影抵消参考(GCR)信号，该信号被电视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。本发明还扩展到其他类型的模拟电视广播信号。
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各个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，并在电视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。
本发明可适用于其他的OFDM广播信号，诸如ETSI数字音频广播(DAB)和美国带内同频道(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。
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把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，而是打算由所附权利要求及其等同物来限制。

Claims (12)

1.一种用于检测接收的信号的方法，包括：
把导频值加到参考信号；
上采样参考信号到接收的信号的采样频率；
使用估计的载波频率来将该接收的信号解调成解调的基带信号；
把上采样的参考信号与该解调的基带信号进行相关，以产生相关值；以及
如果相关值大于预定的检测阈值，则确定该接收的信号存在；
其中该载波频率通过以下方式估计：
对该接收的信号的N个部分执行频域变换，从而产生复数N个独立向量；
取该复数N个独立向量的每个向量的绝对值；
取该N个独立向量的每个向量的绝对值的平均，从而产生单个平均的独立向量；
识别该单个平均的独立向量的峰值；
把识别的单个平均的独立向量的峰值与阈值进行比较；以及
如果识别的峰值大于阈值，则使用所识别的单个平均独立向量的峰值位置作为载波频率的估值，否则，使用该接收的信号的标称导频位置作为载波频率的估值。
2.一种用于在传感器中检测接收的信号的存在的方法，包括：
估计接收的信号的载波频率；
使用估计的载波频率来解调该接收的信号，以生成复解调基带信号；
低通滤波该复解调基带信号；
生成具有和该接收的信号相同的采样速率的过采样的本地参考信号；
把过采样的本地参考信号与经低通滤波的复解调基带信号进行相关，从而产生复相关值；
取复相关值的绝对值；
把复相关值的绝对值与检测阈值进行比较；以及
如果复相关值的绝对值大于检测阈值，则确定该接收的信号存在；
其中所述估计还包括：
对该接收的信号的N个部分执行频域变换，从而产生复数N个独立向量；
取该复数N个独立向量的每个向量的绝对值；
取该N个独立向量的每个向量的绝对值的平均，从而产生单个平均的独立向量；
识别该单个平均的独立向量的峰值；
把识别的单个平均的独立向量的峰值与阈值进行比较；以及
如果识别的峰值大于阈值，则使用所识别的单个平均独立向量的峰值位置作为载波频率的估值，否则，使用该接收的信号的标称导频位置作为载波频率的估值。
3.按照权利要求2的方法，其中所述频域变换是FFT变换。
4.按照权利要求3的方法，其中FFT变换在单个停顿中执行。
5.按照权利要求3的方法，其中FFT变换在多个停顿中执行。
6.按照权利要求2的方法，其中所述频域变换是功率谱密度变换。
7.按照权利要求2的方法，其中所述接收的信号在已知位置处包括至少一个导频。
8.按照权利要求7的方法，其中所述低通滤波包括滤波在所述导频周围区域中的复解调基带信号，其中所述导频处在该接收的信号的所述已知位置。
9.按照权利要求2的方法，其中所述接收的信号是射频信号和中频信号之一。
10.一种用于在无线系统中检测接收的信号(43)的存在的传感器(400)，包括：
调谐器(410)，用于接收一个射频信号(43)，以产生低IF(LIF)信号(45)；
解调单元(420)，用于使用估计的载波频率来解调低IF(LIF)信号(45)，以产生复解调基带信号(49)；
第一匹配滤波器(430)，用于对第一复信号(49)执行匹配滤波操作，以产生第二复信号(51)；
本地参考信号生成单元(460)，用于生成过采样的本地参考信号(59)；
复相关单元(440)，用于在过采样的本地参考信号(59)与第二复信号(51)之间执行复相关，以产生第三复信号(53)；
绝对值单元(470)，用于取第三复信号(53)的绝对值，以产生第四复信号(61)；以及
阈值检测器(480)，用于将第四复信号(61)与阈值(63)进行比较，以确定是否存在该接收的信号(43)；
其中该解调单元包括估计单元，用于通过以下方式来估计载波频率，即：对该接收的信号的N个部分执行频域变换，从而产生复数N个独立向量；取该复数N个独立向量的每个向量的绝对值；取该N个独立向量的每个向量的绝对值的平均，从而产生单个平均的独立向量；识别该单个平均的独立向量的峰值；把识别的单个平均的独立向量的峰值与阈值进行比较；以及如果识别的峰值大于阈值，则使用所识别的单个平均独立向量的峰值位置作为载波频率的估值，否则，使用该接收的信号的标称导频位置作为载波频率的估值。
11.按照权利要求10的传感器，其中所述本地参考信号生成单元(460)还包括：
PN511和导频生成单元(461)，用于生成本地参考序列(57)；
过采样单元(465)，用于接收本地参考序列(57)并生成过采样的本地参考序列(58)；以及
第二匹配滤波器(467)，用于接收中间的本地参考序列(58)并生成本地参考信号(59)。
12.按照权利要求10的传感器，其中该传感器是软件无线电和认知无线电之一。
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