CN102300115B - 模拟、数字电视信号的快速识别方法、装置及通信接收端 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用频谱感知从而快速识别模拟、数字电视信号的方法以及实现该方法的认知无线电通信接收端。根据图像载波和伴音载波的位置和宽度，获取图像载波在频道带宽内的中心频点以及伴音载波在频道带宽内的中心频点；累加图像载波中心频点周围的K个频点的幅度值，累加伴音载波中心频点周围的K个频点的幅度值；并将图像载波与伴音载波对应的两个幅度值相加得到第一累加值；选取频道带宽内任意连续2K个还未进行累加计算的频点进行累加得到第二累加值；计算第一累加值与第二累加值之比，并将比值结果与预设门限值比较来判定待测信号为模拟电视信号。
Description
技术领域
本发明涉及信号识别技术，特别涉及认知无线电系统中电视信号类型的识别。
背景技术
认知无线电（Cognitive Radio，CR）作为一种革命性智能频谱共享技术，由于可显著提高频谱的使用率，近年来受到了人们的普遍关注。在认知无线电网络中，次级用户（theSecondary User）通过频谱感知技术捕获授权频段上的空闲频谱，在不干扰到授权用户（thePrimary User）通信的前提下，实现动态的频谱接入，以提高频谱利用率。当检测到频段上有授权用户接入的时候，必须马上退出频段的使用，以避免造成对授权用户的干扰。这样，在不改变现有频谱分配政策的前提下，能极大的提高频谱的使用效率。
为了不干扰到授权电视用户的使用，次级用户通过频谱感知来检测授权用户是否存在，并进一步区分授权用户是模拟电视信号还是数字电视信号。由于频谱感知采用的是盲检测的方式，在接收端不知道所接收信号的任何先验信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用频谱感知从而快速识别模拟、数字电视信号的方法以及实现该方法的认知无线电通信接收端。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，模拟、数字电视信号的快速识别方法，包括以下步骤：
获取待测信号当前时隙对应的频域数据并计算频道带宽内所有频点的幅度值；
根据图像载波和伴音载波的位置和宽度，获取图像载波在频道带宽内的中心频点以及伴音载波在频道带宽内的中心频点；
累加图像载波中心频点周围的K个频点的幅度值，累加伴音载波中心频点周围的K个频点的幅度值；并将图像载波与伴音载波对应的两个幅度值相加得到第一累加值；
选取频道带宽内任意连续2K个还未进行累加计算的频点进行累加得到第二累加值；
计算第一累加值与第二累加值之比，并将比值结果与预设门限值比较，当比值结果小于预设门限值，则判定待测信号为数字电视信号；当比值结果大于或等于预设门限值，则判定待测信号为模拟电视信号。
在模拟电视信号中，包括图像信号和伴音信号。为了减少频率相距较近的图像载频和伴音载频之间的干扰，伴音采用了不同于图像信号的调制方式。伴音信号调频后和图像射频进行频分复用，由同一天线发射。根据数字电视信号频谱的特点，在频道带宽内各频点的幅度值基本接近，第一累加值与第二累加值也应接近。而，模拟电视信号不同，频道带宽内各频点幅度值仅在图像载波附近和伴音载波附近的值比较大，其它位置的幅度值较小，因此第一累加值与第二累加值的比值通常都在几倍至几十倍。本发明利用模拟与数字电视信号在频谱上表现出的不同特点，能够快速地识别出模拟电视信号与数字电视信号。
具体的，选取的频点数K应满足：K×fs≈max（图像载波的宽度，伴音载波的宽度），其中fs表示频谱分辨率，max（）表示取括号中最大值。W=fs×N，其中，W表示频道带宽，N表示频道带宽的总频点数。略等于在此表示选取的频点数K应能包含主要的图像载波与伴音载波所在的频谱宽度。
相应的，实现上述方法的信号类型识别装置包括初始化模块、频点选择模块、累加模块、比较判断模块；
初始化模块用于，获取待测信号当前时隙对应的频域数据并计算频道带宽内所有频点的幅度值；
频点选择模块用于，根据图像载波和伴音载波的位置和宽度，获取图像载波在频道带宽内的中心频点以及伴音载波在频道带宽内的中心频点，在选取图像载波中心频点周围的K个频点以及伴音载波中心频点周围的K个频点，再选取频道带宽内任意连续2K个还未被选取的频点；
累加模块用于，累加图像载波中心频点周围的K个频点的幅度值，累加伴音载波中心频点周围的K个频点的幅度值，并将图像载波与伴音载波对应的两个累加幅度值相加得到第一累加值；再对所述连续2K个频点进行累加得到第二累加值；
比较判断模块用于，计算第一累加值与第二累加值之比，并将比值结果与预设门限值比较，当比值结果小于预设门限值，则判定待测信号为数字电视信号；当比值结果大于或等于预设门限值，则判定待测信号为模拟电视信号。
应用上述方法的认知无线电通信接收端，包括信号接收单元、时域数据采样单元、频谱感知模块、组网与调度控制单元、类型识别模块、频域数据生成单元；
信号接收单元用于，接收无线信号，并将接收的信号送入时域数据采样单元；
时域数据采样单元用于，对接收的信号进行时域采样，并将采样得到的时域数据分别送入频谱感知模块、频域数据生成模块；
频域数据生成单元用于，将当前时隙的时域数据转换为频域数据；
频谱感知模块用于，通过分析当前时隙的时域数据来检测授权用户的存在，当检测到授权用户时，触发类型识别模块；
类型识别模块用于，从频域数据生成单元获取当前时隙的频域数据并计算频道带宽内所有频点的幅度值；根据图像载波和伴音载波的位置和宽度，获取图像载波在频道带宽内的中心频点以及伴音载波在频道带宽内的中心频点；累加图像载波中心频点周围的K个频点的幅度值，累加伴音载波中心频点周围的K个频点的幅度值；并将图像载波与伴音载波对应的两个累加幅度值相加得到第一累加值；再选取频道带宽内任意连续2K个还未被选取进行累加计算的频点进行累加得到第二累加值；计算第一累加值与第二累加值之比，并将比值结果与预设门限值比较，当比值结果小于预设门限值，则判定待测信号为数字电视信号；当比值结果大于或等于预设门限值，则判定待测信号为模拟电视信号；将检测的信号类型结果送入组网与调度控制单元；
组网与调度控制单元，用于参照当前授权用户的信号类型进行组网和调度控制。
具体的，频域数据生成单元用于，通过快速傅里叶变换将接收的时域数据转换为频域数据。
本发明的有益效果是，能够快速地识别出模拟电视信号与数字电视信号，实现简单，计算复杂度低，运算量小。
附图说明
图1为作为接收端的认知无线电硬件平台的工作示意图；
图2为实施例工作流程图。
具体实施方式
本实施将本发明方法应用于认知无线电通信系统中的接收端。
源于动态频谱资源共享宽带无线通信系统搭建为PC（电脑）+DSP（数字信号处理器）+FPGA（现场可编程门阵列）+RF（射频）的四通道硬件体系架构，其中三个通道用于数据传输，一个通道用于频谱感知。在硬件体系架构中，PC负责上层的调度和网络架构协议的实现，DSP和FPGA共同构成了数据传输处理和频谱感知的硬件基础，射频负责无线信号的发射和接收。使用的频段为已经分配给电视使用的694MHz—806MHz频段，为了在不干扰到授权电视用户的使用，需要由频谱感知通道来完成授权用户存在与否的检测工作。为了方便上层的组网和调度算法实现，还需要进一步区分授权用户是模拟电视信号还是数字电视信号。本发明所述方法在现有的认知无线电硬件平台上，利用能够以一种最简单便捷的方式识别两种授权用户信号类型（模拟信号、数字信号），以供上层更好的进行组网和调度控制。
如图1所示，认知无线电通信系统终端包括RF收发模块、ADC（模/数转换器）、FPGA、DSP、PC。
接收信号通过天线经RF收发模块进行带通滤波、两次下变频，在AGC（Automatic GainControl，自动增益控制电路）控制稳定后经ADC进行模拟信号到数字信号的转换后送入FPGA进行处理。
FPGA包括ADC接口模块、I/Q解调模块、FIR（有限长单位冲激响应）滤波模块、降采样（downsample）模块、FFT（快速傅里叶变换）模块、时域数据寄存器、频域数据寄存器。ADC对信号进行时域采样，I/Q解调模块将信号转换为基带信号，FIR滤波模块对信号进行滤波后进行降采样，把数据送入时域数据寄存器，并将时域数据送给后端DSP的频谱感知模块进行频谱感知。同时，降采样后的数据经过FFT模块后得到频域数据存储在频域数据寄存器，当DSP检测到授权用户存在时，DSP的类型识别模块从FPGA中提取频域数据进行信号类型的识别，最后，类型识别模块将识别结果送入PC，以便PC进行优先级判决、组网和调度控制。基于现有的认知无线电系统，在既定的硬件结构中，不需要增加任何新的硬件原件，只需要在FPGA中加入一个计算FFT的模块将频域数据送入后端模块即可实现本发明方法。
如图2所示，DSP的类型识别模块包括初始化模块、频点选择模块、累加模块、比较判断模块；
初始化模块用于，获取待测信号当前时隙对应的频域数据并计算频道带宽内所有频点的幅度值；
频点选择模块用于，根据图像载波和伴音载波的位置和宽度，获取图像载波在频道带宽内的中心频点以及伴音载波在频道带宽内的中心频点，在选取图像载波中心频点周围的K个频点以及伴音载波中心频点周围的K个频点，再选取频道带宽内任意连续2K个还未被选取的频点；
累加模块用于，累加图像载波中心频点周围的K个频点的幅度值，累加伴音载波中心频点周围的K个频点的幅度值，并将图像载波与伴音载波对应的两个累加幅度值相加得到第一累加值；再对所述连续2K个频点进行累加得到第二累加值；
比较判断模块用于，计算第一累加值与第二累加值之比，并将比值结果与预设门限值比较，当比值结果小于预设门限值，则判定待测信号为数字电视信号；当比值结果大于或等于预设门限值，则判定待测信号为模拟电视信号。
在实施过程中，采用一个时隙的数据进行工作流程的说明，如图3所示，包括以下步骤：
射频收发模块首先将接收到694MHz—806MHz上某个频道的信号下变频到25MHz的中频，由ADC把AGC控制稳定后的数据采入FPGA，FPGA经解调、滤波、降采样后，将时域数据送入DSP的频谱感知模块，同时域数据时经过FFT模块生成当前时隙对应的频道信号的频域数据；频谱感知模块通过协方差矩阵算法来检测是否授权用户存在，利用协方差矩阵算法来检测信号为现有的成熟技术，在此不再赘述；
DSP的频谱感知模块检测到有授权用户存在时，DSP进一步控制类型识别模块读入当前时隙的频域数据，进行授权用户类型识别；
一个频道的带宽为8MHz，设频道带宽中包含2048个频点，那么得到频谱分辨率为3900Hz；DSP的类型识别模块首先计算各频点的幅度值X=[x(0),x(1),x(2)…x(N-1)]，N=2047。得到该时隙对应的频域数据并计算幅度值为X=[x(0),x(1),x(2)…x(N-1)]；
DSP根据图像载波的位置和宽度，计算以图像载波为中心的K个频点的幅度值
其中r为图像载波的位置（r=450），K取200；
根据伴音载波的位置和宽度，计算以伴音载波为中心的K个频点的幅度值
其中t为伴音载波的位置（r=1450），K取200；
根据载频和伴音位置累加值计算T1=Y1+Y2；
再在频带内任意选取连续的2K个与上述不重叠的频点，累加计算幅度值
其中m为选取的第一个频点位置，K=200；
根据T1和T2，计算检验统计量γ=T1/T2，并与门限值γ1进行比较。由于模拟电视信号是峰值调制，其信号在带内强度不一，信号的能量主要集中在图像载波和伴音载波周围。因此，其频谱在8MHz的带宽内只有图像载波和伴音载波周围有较强的幅度值；而数字电视信号采用的是正交幅度调制，调制后生成类似噪声式的频谱，在8MHz的带宽内，信号强度都基本相等。当γ<γ1，则判定为数字电视信号，若γ>γ1，则判定为模拟电视信号。其中门限值γ1的选取可以由DSP根据现实环境AGC衰减值和检测的虚警概率统计得到。
Claims (4)
1.模拟、数字电视信号的快速识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待测信号当前时隙对应的频域数据并计算频道带宽内所有频点的幅度值；
根据图像载波和伴音载波的位置和宽度，获取图像载波在频道带宽内的中心频点以及伴音载波在频道带宽内的中心频点；
累加图像载波中心频点周围的K个频点的幅度值，累加伴音载波中心频点周围的K个频点的幅度值；并将图像载波与伴音载波对应的两个累加幅度值相加得到第一累加值；选取的频点数K应满足：K×fs≈max（图像载波的宽度，伴音载波的宽度），其中fs表示频谱分辨率，max（）表示取括号中最大值；fs=W/N，其中，W表示频道带宽，N表示频道带宽的总频点数；
选取频道带宽内任意连续2K个还未被选取进行累加计算的频点进行累加得到第二累加值；
计算第一累加值与第二累加值之比，并将比值结果与预设门限值比较，当比值结果小于预设门限值，则判定待测信号为数字电视信号；当比值结果大于或等于预设门限值，则判定待测信号为模拟电视信号。
2.认知无线电通信接收端，包括信号接收单元、时域数据采样单元、频谱感知模块、组网与调度控制单元，其特征在于，还包括类型识别模块、频域数据生成单元；
所述信号接收单元用于，接收无线信号，并将接收的信号送入时域数据采样单元；
所述时域数据采样单元用于，对接收的信号进行时域采样，并将采样得到的时域数据分别送入频谱感知模块、频域数据生成模块；
所述频域数据生成单元用于，将当前时隙的时域数据转换为频域数据；
所述频谱感知模块用于，通过分析当前时隙的时域数据来检测授权用户的存在，当检测到授权用户时，触发类型识别模块；
所述类型识别模块用于，从频域数据生成单元获取当前时隙的频域数据并计算频道带宽内所有频点的幅度值；根据图像载波和伴音载波的位置和宽度，获取图像载波在频道带宽内的中心频点以及伴音载波在频道带宽内的中心频点；累加图像载波中心频点周围的K个频点的幅度值，累加伴音载波中心频点周围的K个频点的幅度值；并将图像载波与伴音载波对应的两个累加幅度值相加得到第一累加值；再选取频道带宽内任意连续2K个还未进行累加计算的频点进行累加得到第二累加值；计算第一累加值与第二累加值之比，并将比值结果与预设门限值比较，当比值结果小于预设门限值，则判定待测信号为数字电视信号；当比值结果大于或等于预设门限值，则判定待测信号为模拟电视信号；将检测的信号类型结果送入组网与调度控制单元；频点数K应满足：K×fs≈max（图像载波的宽度，伴音载波的宽度），其中fs表示频谱分辨率，max（）表示取括号中最大值；fs=W/N，其中，W表示频道带宽，N表示频道带宽的总频点数。
所述组网与调度控制单元，用于参照当前授权用户的信号类型进行组网和调度控制。
3.如权利要求2所述认知无线电通信接收端，其特征在于，所述频域数据生成单元用于，通过快速傅里叶变换将接收的时域数据转换为频域数据。
4.信号类型识别装置，其特征在于，包括初始化模块、频点选择模块、累加模块、比较判断模块；
所述初始化模块用于，获取待测信号当前时隙对应的频域数据并计算频道带宽内所有频点的幅度值；
所述频点选择模块用于，根据图像载波和伴音载波的位置和宽度，获取图像载波在频道带宽内的中心频点以及伴音载波在频道带宽内的中心频点，在选取图像载波中心频点周围的K个频点以及伴音载波中心频点周围的K个频点，再选取频道带宽内任意连续2K个还未被选取的频点；，频点数K应满足：K×fs≈max（图像载波的宽度，伴音载波的宽度），其中fs表示频谱分辨率，max（）表示取括号中最大值；fs=W/N，其中，W表示频道带宽，N表示频道带宽的总频点数；
所述累加模块用于，累加图像载波中心频点周围的K个频点的幅度值，累加伴音载波中心频点周围的K个频点的幅度值，并将图像载波与伴音载波对应的两个累加幅度值相加得到第一累加值；再对所述连续2K个频点进行累加得到第二累加值；
所述比较判断模块用于，计算第一累加值与第二累加值之比，并将比值结果与预设门限值比较，当比值结果小于预设门限值，则判定待测信号为数字电视信号；当比值结果大于或等于预设门限值，则判定待测信号为模拟电视信号。
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