CN102355437A - 一种频谱检测预处理方法、预处理系统及频谱检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出应用在认知无线电中的一种抑制数字主用户的带外干扰的频谱检测预处理方法以及实现该方法的系统。在频谱感知处理之前进行以下步骤：将采样点的数据变换到频域；确定当前预处理的频道所对应的频段；用频道的中心部分的频谱替换频道的边界部分的频谱。本发明用未受影响的中心频谱替换会受到数字主用户带外干扰的边界频谱，经过了这样的预处理，在进行频谱感知时，就不会因数字主用户带外干扰而将空闲频道误判为已被占用。

Description

一种频谱检测预处理方法、预处理系统及频谱检测系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及认知无线电系统中空闲频谱检测的干扰抑制技术。

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。

现在全球无线电管制政策主要是固定分配策略，一段频谱资源一旦划分给某个业务，该业务都将在全部时间和指定地理位置上完全占有这些资源。这种政策造成了巨大的浪费。回收广播电视频谱以重新分配在世界范围内是大势所趋。

为了不干扰到授权电视用户的使用，次级用户通过需要通过频谱感知来检测授权用户是否存在。

现有的数字电视标准均选择了正交频分多址(OFDM)技术。基带信号采用了时域受限的矩形波，因此在频域中是无限延长的，且衰减速度不是很快，存在带外干扰。数字电视为减少自身的相互干扰，均采用不连续的8Mhz频段进行节目传输。例如：在694-806MHz的频段上，成都地区采用中心频率为762MHz，786Mhz和802MHz的频段进行传输。认知无线电系统如果同样共享数字电视的频谱资源，数字电视因其信号的带外则会对相邻频道的频谱感知产生干扰，如图1所示，中心频率为786Mhz和802Mhz的频段之间还有一个8MHz的空闲频段，但由于带外干扰，在对该空闲频段进行频谱感知时，由于两侧频段的带外，会影响对该空闲频段检测结果，导致空闲频道被判决为被占用，从而达不到认知无线电利用空闲频道，从而提高频谱利用率的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供应用在认知无线电中的一种抑制数字主用户的带外干扰的频谱检测预处理方法以及实现该方法的系统。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种频谱检测预处理方法，其特征在于，在频谱感知处理之前进行以下步骤：

频域变换步骤：将采样点的数据变换到频域；

频道选取步骤：确定当前预处理的频道所对应的频段；

频谱处理步骤：用频道的中心部分的频谱替换频道的边界部分的频谱。

申请人通过分析数字主用户带外干扰产生的原因从而提出本发明方案。在OFDM调制方式中，如果基带信号采用矩形波，则每个子信道上已调信号的频谱为函数Sa(x)的形状，其主瓣宽度为2/TsHz，其中T_s为OFDM信号长度(不包括循环前缀)。由于在T_s时间内共有OFDM信号的N个抽样，所以OFDM信号的时域抽样周期为T_s/N，其中f_s为OFDM信号的抽样频率，这些已调子载波信号频谱Sa(x)函数的主瓣宽度为2/Ts，间隔为1/Ts。使用IFFT(快速傅立叶反变换)将OFDM信号从频域变化到时域，实际上等效地使用了一个矩形形状的脉冲成形滤波器，所以，一个OFDM符号对于第n个子载波上的发射信号功率谱密度φ_n(f)可表示为：

φ_n(f)＝d_n·|Sinc(π(f-f_n)T_s)|，n＝1，...N

其中d_n为调制在第n个子载波上的数据，f为频率，f_n为第n个子载波的中心频率，Sinc函数如图1所示，单一子载波频谱为其绝对值。OFDM信号的频谱即这些子载波的叠加：

$S\left(f\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_n\left(f\right)$

其功率谱密度如图2所示。显然数字主用户会对相邻频道的边界部分产生干扰，而在认知无线电系统中，干扰被感知接收机放大后会对信道的检测产生影响，引起误判。因此，本发明用未受影响的中心频谱替换会受到数字主用户带外干扰的边界频谱，经过了这样的预处理，在进行频谱感知时，就不会因数字主用户带外干扰而将空闲频道误判为已被占用。

进一步的，为了消除直流干扰，频谱处理步骤中还进行零频置零。

进一步的，频谱替换之前还对是否进行频谱替换进行判断，通过统计当前预处理的频道所对应的频段中采样点的幅度值，当幅度值大于门限值的采样点个数大于预设个数值时，进入频谱处理步骤，否则，返回频道选取步骤。

可选的，当预处理之后的频谱感知处理时在时域进行，则还需要在频谱处理步骤之后将频谱处理后的数据变换至时域。

一种抑制干扰的频谱检测预处理系统，其特征在于，包括频域变换模块、频道选取模块、频谱处理模块；

所述频域变换模块，用于将采样点的数据变换到频域；

所述频道选取模块，用于确定当前预处理的频道所对应的频段；

所述频谱处理模块，用于用频道的中心部分的频谱替换频道的边界部分的频谱。

进一步的，为了消除直流干扰，所述频谱处理模块，还用于将零频置零。

进一步的，所述频谱处理模块在进行频谱替换之前，先统计当前预处理的频道所对应的频段中采样点的幅度值，当幅度值大于门限值的采样点个数大于预设个数值时，继续频谱替换，否则，触发频道选取模块选择下一个预处理频道。

一种频谱检测系统，包括频谱感知系统，其特征在于，还包括频谱检测预处理系统；所述频谱检测预处理系统包括频域变换模块、频道选取模块、频谱处理模块；

所述频域变换模块，用于将采样点的数据变换到频域；

所述频道选取模块，用于确定当前预处理的频道所对应的频段；

所述频谱处理模块，用于用频道的中心部分的频谱替换频道的边界部分的频谱，并将频谱处理后的频道频谱数据输入至频谱感知系统；

所述频谱感知系统，用于通过对输入的数据来判断当前频道是否空闲。

具体的，当频谱感知系统需要在时域进行处理时，则频谱检测预处理单元还包括时域变换模块，所述时域变换模块用于，将频谱处理后的数据变换至时域，之后输入至频谱感知单元。

本发明的有益效果是，通过本发明的预处理方法能简单的排除数字主用户的对邻道的带外干扰，并且不影响信道的正常检测，能使认知无线电系统正确的检测到可用频段，高效的利用频谱资源。进一步的，零频数据置零还能去掉进入到频谱感知单元的直流分量，提高有关检测算法的实际性能。

附图说明

图1为数字主用户的带外干扰示意图；

图2为截断归一化Sinc函数；

图3为子载波为2048的OFDM信号频谱图；

图4为认知无线电系统中感知通道结构框图；

图5为实测数字主用户的邻道频谱图；

图6为经过预处理系统后的邻道频谱图；

图7为预处理系统处理流程。

具体实施方式

本实施例基于现有的认知无线电感知通道的系统，系统框图如图4所示，包括RF(射频电路)、由ADC(数模转换模块)、FPGA(现场可编程门阵列)、DSP(数字信号处理)组成的基带板、PC(计算机)。

射频电路包括滤波器，低噪放和功率放大等电路、多级本振，多级本振实现多级下变频，且接收中心频率可控，最终传给基带板中频信号25Mhz。

基带板中由FPGA完成频谱检测预处理，即本实施例的频谱检测预处理系统在FPGA中实现。系统给FPGA和ADC提供参考时钟均为100Mhz，FPGA通过射频控制接口，完成固定的增益控制，使其输出的中频信号大小均在ADC的量程内。

FPGA和DSP可以分工合作完成不同的频谱感知算法，即本实施例的频谱感知系统由FPGA和DSP实现。

PC对频谱感知结果进行记录。

实测受干扰的邻道频谱如图5所示，在21Mhz至29Mhz的一个频道的频段内，该频道边界附近(靠近21Mhz、29Mhz的边界部分)都有明显的信号分量，显然在此频道的两边都存在数字主用户，且在零频有直流分量。为消除数字主用户对邻道的带外干扰，FPGA中的频谱检测预处理系统处理流程如图7所示，具体实施过程如下：

频道选取模块根据上层的命令自动切换到不同频道。频域变换模块接收来自ADC采样的该频道的稳定中频数据，采样点N＝2048，采样点对应的中频数据分别是x(1)，x(2)，...，x(2048)。再对2048点进行FFT处理，得到X(1)，X(2)，...，X(2048)，频谱处理模块对第一个数置零，X(1)＝0即零频置零，去掉直流干扰；当然，零频置零也可在频谱替换之后执行；

频谱处理模块对频域数据取模，|X(1)|，|X(2)|，...，|X(2048)|，设定门限值，优选的，门限值为当前预处理的频道的中心频率所在采样点的幅度值的2倍，Th＝2*|X(512)|，因其模值大小的对称性，优选的，只对前1024点特定频率范围的模值进行比较，记录超过此门限值的采样点个数，若采样点个数为0或采样点个数小于等于一个预设个数值，表明频道边界无由带外影响而形成的信号分量，则不需要进行频谱交换；若超过门限值的采样点个数不为0或者大于预设个数值，则进行频谱替换；

频道内21Mhz和29Mhz边界附近，频谱处理模块确定需要进行频谱替换的采样点个数为Y的边界频谱，在25Mhz中心频率附近去中心部分的频谱X(n₁)-X(n₂)(n₂-n₁＝Y)来替换边界频谱；如图6所示，经预处理后的频道消除了直流分量和受干扰的边界部分的频谱分量；

时域变换模块最后进行2048点IFFT处理操作，变换到时域，预处理完成，把数据交给后续的感知处理系统。如果感知算法是在频域中完成，则不需要进行IFFT处理。现在的频谱资源管理策略是固定分配，因此分配的频带大小和中心频率是固定的，数字主用户的中心频谱能反映信道的占用情况，即信道空闲，中心频带空闲；信道忙，中心频带存在信号频谱。因此可以用中心频带替换受影响的边界频带频谱，且不会对频谱的检查产生不利影响，此外，为了便于计算，在FPGA中还能固定频谱交换的大小和范围，可先通过Matlab分析数字主用户的带外影响范围确定，简单快速。经过实际验证，本发明提出的带外干扰抑制的预处理系统，能有效的抑制数字主用户的干扰，辅助提高认知无线电系统感知通道的频谱检测性能。

显然，本领域的技术人员应该明白，本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种频谱检测预处理方法，其特征在于，在频谱感知处理之前进行以下步骤：

频域变换步骤：将采样点的数据变换到频域；

频道选取步骤：确定当前预处理的频道所对应的频段；

频谱处理步骤：用频道的中心部分的频谱替换频道的边界部分的频谱。

2.如权利要求1所述一种频谱检测预处理方法，其特征在于，所述频谱处理步骤中还进行零频置零。

3.如权利要求1或2所述一种频谱检测预处理方法，其特征在于，频谱替换之前还对是否进行频谱替换进行判断，统计当前预处理的频道所对应的频段中采样点的幅度值，当幅度值大于门限值的采样点个数大于预设个数值时，进行频谱替换，否则，返回频道选取步骤。

4.如权利要求3所述一种频谱检测预处理方法，其特征在于，所述门限值为当前预处理的频道的中心频率采样点的幅度值的2倍。

5.如权利要求1所述一种频谱检测预处理方法，其特征在于，频谱处理步骤之后还有时域变换步骤：将频谱处理后的数据变换至时域。

6.抑制干扰的频谱检测预处理系统，其特征在于，包括频域变换模块、频道选取模块、频谱处理模块；

所述频域变换模块，用于将采样点的数据变换到频域；

所述频道选取模块，用于确定当前预处理的频道所对应的频段；

所述频谱处理模块，用于用频道的中心部分的频谱替换频道的边界部分的频谱。

7.如权利要求6所述抑制干扰的频谱检测预处理系统，其特征在于，所述频谱处理模块，还用于将零频置零。

8.如权利要求6或1所述抑制干扰的频谱检测预处理系统，所述频谱处理模块还用于，在进行频谱替换之前，先统计当前预处理的频道所对应的频段中采样点的幅度值，当幅度值大于门限值的采样点个数大于预设个数值，继续频谱替换，否则，触发频道选取模块选择下一个预处理频道。

9.频谱检测系统，包括频谱感知系统，其特征在于，还包括频谱检测预处理系统；所述频谱检测预处理系统包括频域变换模块、频道选取模块、频谱处理模块；

所述频域变换模块，用于将采样点的数据变换到频域；

所述频道选取模块，用于确定当前预处理的频道所对应的频段；

所述频谱处理模块，用于用频道的中心部分的频谱替换频道的边界部分的频谱，并将频谱处理后的频道频谱数据输入至频谱感知系统；

所述频谱感知系统，用于通过对输入的数据来判断当前频道是否空闲。

10.如权利要求9所述频谱检测系统，其特征在于，所述频谱感知系统在时域对输入的数据进行判断；

所述频谱检测预处理系统还包括时域变换模块；

所述时域变换模块，用于将频谱处理后的频道频谱数据变换到时域后输入至频谱感知单元。

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