CN102594468B

CN102594468B - 短波频谱感知方法及系统

Info

Publication number: CN102594468B
Application number: CN201210047420.6A
Authority: CN
Inventors: 肖海林; 吴雅博; 欧阳缮; 覃莲; 胡振; 濮锦胜
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: CN102594468A

Abstract

本发明公开一种短波频谱感知方法及系统，其射频前端单元动态调整射频模拟前端中多频段短波窄带电调谐滤波器的中心频率，并通过有效的阻抗匹配网络来提高调谐回路的Q值，从而控制滤波器其带宽固定在一个通信信道带宽或者略大于一个通信信道带宽；模数转换模块对上述信号进行过采样后将通带内模拟短波信号转换为数字短波信号，数字信号处理单元采用能量检测的算法来实现对接收信号功率谱的感知。本发明具有短波频段覆盖全面、不会引入镜像干扰、且容易实现的特点。

Description

短波频谱感知方法及系统

技术领域

本发明涉及短波通信领域，具体涉及一种短波频谱感知方法及系统。

背景技术

现代短波通信中，频谱资源的匮乏和频谱管理效率的低下越发的成为短波通信的技术瓶颈，极大的影响着通信的效率。在短波频段内实现认知无线电技术是解决当前短波频谱资源紧缺情况的有效手段。

认知无线电技术是在软件无线电平台的基础上发展起来的。软件无线电平台的中心思想是尽可能的把模数转换功能模块推近天线接收端，后面的数字信号处理全部使用数字化软件来实现，这样可以取得最大的设计灵活性。而在实际的软件无线电平台设计中，面对频率较高的射频信号，采用直接采样的方式对模数转换单元要求过高，现有技术无法实现。市场上通用的软件无线电平台一般采用以模拟混频器为中心的射频前端单元来把连续时间射频信号转换为低中频的模拟信号，然而再进行模数转换。这样就降低了对模数转换单元采样速率的要求，由于对ADC模数转换器的要求并不是太高，因此只需采用带通采样可以满足转换要求。最后在数字信号处理单元中，采用数字下变频的方法将中频信号下变频到基带信号做算法处理。上述方法，在射频前端单元中，虽然有效的降低了接收信号的频率，但是混频器的引用必然会引入镜像干扰，这种干扰是对通信系统影响最大，而且最难以消除的干扰之一；在模数转换单元中，虽然降低了对ADC性能的要求，但是带通采样使量化噪声频谱和信号频谱均匀分布，很难再做降噪的处理；在数字信号处理单元中，采用复杂的变频处理，占用处理器资源，自然也就提高对处理器的要求。

此外，由于现有认知无线电系统平台主要是针对2GHz以上的信号进行设计的，现有认知无线电系统平台的模拟下变频和数字下变频的处理对于频率相对较低的短波（1.5M～30MHz）信号就显得多余，而且极大的影响了短波认知无线电系统的性能和灵活性。可见设计一种专用于短波频段（1.5M～30MHz），且对信号有较高的感知度的短波认知无线电系统平台，特别是短波认知无线电系统平的频谱感知系统，是使得认知无线电技术在短波频段得以推广使用的前提。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种专用于短波频段的短波频谱感知方法及系统，其具有短波频段覆盖全面、不会引入镜像干扰、且容易实现的特点。

为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

一种短波频谱感知方法，包括如下步骤：

（1）通过射频前端单元的短波带通滤波器接收频率为1.5MHz～30MHz的短波信号；

（2）射频前端单元的低噪声放大器将接收的短波信号进行放大及抑制噪声功率；

（3）调整射频前端单元的升阻抗匹配网络使输入阻抗升高；

（4）动态调节射频前端单元的窄带滤波器的谐振中心频率，使窄带滤波器的带宽固定在一个通信信道带宽或者略大于一个通信信道带宽的细化频段内；

（5）调整射频前端单元的降阻抗匹配网络使输入阻抗降低；

（6）将调谐后的短波信号送入射频前端单元的自动增益控制模块进行自动增益控制；

（7）将上述步骤输出的模拟短波信号输入到模数转换单元中进行过采样，使其转换为数字短波信号；

（8）将数字短波信号送入到数字信号处理单元中；

（9）数字信号处理单元对输入的数字短波信号进行数字化降速处理；

（10）数字信号处理单元采用能量检测算法来对上述数字短波信号实现频谱感知。

上述方法中，在步骤（6）之后，还进一步包括采用中频放大器对模拟短波信号进行固定增益放大的步骤。

上述方法中，在步骤（8）和（9）之间，还进一步包括对输入的数字短波信号进行数字化信道滤波。

上述方法中，在步骤（10）之前，还进一步包括对降速处理后数字短波信号进行数字化低通滤波的步骤。

上述方法中，步骤（4）所述细化频段为1.5MHz～2.5MHz、2.5MHz～3.5MHz、3.5MHz～5.5MHz、5.5MHz～8MHz、8MHz～12MHz、12MHz～16MHz、16MHz～24MHz或24MHz～30MHz。

一种短波频谱感知系统，主要由射频前端单元、模数转换单元和数字信号处理单元组成，射频前端单元通过模数转换单元与数字信号处理单元相连；所述射频前端单元包括短波带通滤波器、低噪声放大器、升阻抗匹配网络、窄带滤波器、降阻抗匹配网络和自动增益控制模块；短波带通滤波器经由低噪声放大器与升阻抗匹配网络输入端相连，升阻抗匹配网络的输出端经由窄带滤波器与降阻抗匹配网络的输入端相连，降阻抗匹配网络的输出端连接自动增益控制模块的输入端，自动增益控制模块的输出端与模数转换单元相连。

上述系统中，窄带滤波器主要由波段选择控制电路、多路一次调谐电路、低噪声放大电路和多路二次调谐电路所组成；其中波段选择控制电路由控制按键和译码器构成；控制按键与译码器的输入端相连，译码器的多个输出端则分别连接每一路一次调谐电路和二次调谐电路的控制端；每一路一次调谐电路的输出端一并连接至低噪声放大电路的同相输入端上，每一路二次调谐电路的输入端一并连接至低噪声放大电路的输出端上；上述每一路一次调谐电路的输入端共同形成窄带滤波器的信号入端，二次调谐电路的输出端则共同形成窄带滤波器的信号出端。

上述系统中，射频前端单元还进步一包括中频放大器，该中频放大器连接在自动增益控制模块的输出端与模数转换单元之间。

上述系统中，模数转换单元为Δ-Σ型模数转换芯片。

上述系统中，数字信号处理单元包括信道滤波模块、多速率信号处理模块、低通滤波模块和功率谱计算模块；信道滤波模块的输入端连接模数转换单元，信道滤波模块的输出端连接多速率信号处理模块的输入端，多速率信号处理模块的输出端经由低通滤波模块与功率谱计算模块相连。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、射频前端采用细化短波频段，并在细化短波频段内步进制扫频实现对接收信号的感知，短波频段覆盖全面；此外，射频前端对天线接收的短波信号预处理过程中不需要模拟下变频，不会引入镜像干扰，极大提高了系统的信噪比；

2、模数转换模块采用高性能Δ-Σ型ADC进行过采样，有效的将量化噪声和有用信号分离开来，这不仅能够提高采样量化信噪比，使感知精度提高，而且方便系统的降噪处理；

3、系统通过射频前端预处理和过采样模数转换后，对噪声做了最大限度的抑制，提高了系统信噪比，使得整机在短波频谱感知精度上有一定程度的提高，使得后续步骤可灵活的采用软件方式进行数字信号处理，对高信噪比的短波信号有很高感知度，相对比较容易实现；

4、采用的感知算法是能量检测算法，数字信号处理模块在进行信号处理时，不需要进行传统的数字下变频处理，这就在一定程度上节约了处理器的资源，降低了对处理器的要求。

附图说明

图1为本发明一种短波频谱感知系统原理图。

图2为一种窄带滤波器的电路原理图。

图3为窄带滤波器的特性与通信信道带宽示意图。

图4为过采样方式对量化噪声功率谱分布影响示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明一种短波频谱感知系统主要由射频前端单元、模数转换单元和数字信号处理单元组成。射频前端单元通过模数转换单元与数字信号处理单元相连。

上述射频前端单元的作用是接收信号并做相应的预处理。数字信号处理单元包括短波带通滤波器、低噪声放大器、升阻抗匹配网络、窄带滤波器、降阻抗匹配网络、自动增益控制模块和中频放大器。短波带通滤波器经由低噪声放大器与升阻抗匹配网络输入端相连，升阻抗匹配网络的输出端经由窄带滤波器与降阻抗匹配网络的输入端相连，降阻抗匹配网络的输出端连接自动增益控制模块的输入端，自动增益控制模块的输出端经由中频放大器与模数转换单元相连。通过调整短波带通滤波器的中心频率，使系统能够接收1.5MHz～30MHz的短波信号。低噪声放大器能够对接收的短波信号进行放大，同时抑制噪声功率。升阻抗匹配网络使输入阻抗升高来达到提高窄带滤波器谐振回路Q值的目的。窄带滤波器采用细化短波频段的设计思想，实现短波频段的全覆盖步进制扫描。降阻抗匹配网络使升高的阻抗返回至原阻抗。自动增益控制模块能够保证其输出信号功率不发生严重抖动。中频放大器能够有效提高系统对小信号的感知能力。

在本发明优选实施例中，窄带滤波器如图2所示，主要由波段选择控制电路、多路一次调谐电路、低噪声放大电路和多路二次调谐电路所组成；其中波段选择控制电路由控制按键和译码器构成；控制按键与译码器的输入端相连，译码器的多个输出端则分别连接每一路一次调谐电路和二次调谐电路的控制端；每一路一次调谐电路的输出端一并连接至低噪声放大电路的同相输入端上，每一路二次调谐电路的输入端一并连接至低噪声放大电路的输出端上；上述每一路一次调谐电路的输入端共同形成窄带滤波器的信号入端，二次调谐电路的输出端则共同形成窄带滤波器的信号出端。

由于窄带滤波器采用变容二极管和电感的并联谐振回路实现，其构成的谐振网络呈现容性，而容性网络的特点是随着输入信号频率的升高，系统网络的Q值逐渐下降。如果将1.5MHz～30MHz的短波信号不做细化分频而直接调谐的话，窄带滤波器的带宽将不能控制在窄带带宽，且输入信号频率越高，带宽越大，这种现象将直接导致滤波器不能有效的抑制掉有效带宽外部噪声，从而使系统性能严重下降。因此，本发明采用阻抗匹配网络和细化短波频段共同来解决上述问题。首先，使用采用两级1:4的传输线变压器级联构成升阻抗匹配网络来实现50Ω到3.2kΩ的输入阻抗匹配，提高电调谐滤波器的输入阻抗，从而达到提高谐振网络Q值的目的。其次，将短波频段细化为1.5MHz～2.5MHz、2.5MHz～3.5MHz、3.5MHz～5.5MHz、5.5MHz～8MHz、8MHz～12MHz、12MHz～16MHz、16MHz～24MHz、或24MHz～30MHz八个细化频段，每个细化频段中采用不同参数的电感和变容管，来防止电调谐滤波器的带宽无限制展宽。最后，再通过两级4:1的传输线变压器构成降阻抗匹配网络或者通过其他合适的阻抗匹配网络来完成3.2kΩ到50Ω的输出阻抗匹配。本方法虽然不能避免电调谐滤波器带宽展宽的现象发生，但是能够有效的将带宽控制在一个通信带宽之内，很好的满足了本系统的需求。

上述模数转换单元的作用是按照过采样的原理对预选放大后的短波信号直接采样，得到高速的短波数字信号。在本发明优选实施例中，采用高采样率的Δ-Σ型模数转换芯片来实现。Δ-Σ型模数转换芯片适用于短波频段，通过过采样的原理对输入信号进行采样。Δ-Σ型模数转换芯片减少了量化噪声在有用信号的带宽内分布，可以利用低通滤波器将这些噪声滤除，进一步提高系统的信噪比。

上述数字信号处理单元的作用是对模数转换模块送来的高速短波数字信号进行降噪、降速、滤波以及算法实现等处理。数字信号处理单元是由基于FPGA的数字信号处理平台构成，包括信道滤波模块、多速率信号处理模块、低通滤波模块和功率谱计算模块；信道滤波模块的输入端连接模数转换单元，信道滤波模块的输出端连接多速率信号处理模块的输入端，多速率信号处理模块的输出端经由低通滤波模块与功率谱计算模块相连。

本发明一种短波频谱感知方法，包括如下步骤：

（1）通过射频前端单元的短波带通滤波器接收频率为1.5MHz～30MHz的短波信号。

（2）射频前端单元的低噪声放大器将接收的短波信号进行放大及抑制噪声功率。

（3）调整射频前端单元的升阻抗匹配网络使输入阻抗升高。

（4）动态调节射频前端单元的窄带滤波器的谐振中心频率，使窄带滤波器的带宽固定在一个通信信道带宽或者略大于一个通信信道带宽的细化频段内。

（5）调整射频前端单元的降阻抗匹配网络使输入阻抗降低。

在发明优选实施例中，由于窄带滤波器采用变容二极管和电感的并联谐振回路实现，其构成的谐振网络呈现容性，而容性网络的特点是随着输入信号频率的升高，系统网络的Q值逐渐下降。如果将1.5MHz～30MHz的短波信号不做细化分频而直接调谐的话，窄带滤波器的带宽将不能控制在窄带带宽，且输入信号频率越高，带宽越大，这种现象将直接导致滤波器不能有效的抑制掉有效带宽外部噪声，从而使系统性能严重下降。因此，本发明采用阻抗匹配网络和细化短波频段共同来解决上述问题。首先，使用采用两级1:4的传输线变压器级联构成升阻抗匹配网络来实现50Ω到3.2kΩ的输入阻抗匹配，提高电调谐滤波器的输入阻抗，从而达到提高谐振网络Q值的目的。其次，将短波频段细化为1.5MHz～2.5MHz、2.5MHz～3.5MHz、3.5MHz～5.5MHz、5.5MHz～8MHz、8MHz～12MHz、12MHz～16MHz、16MHz～24MHz、或24MHz～30MHz八个细化频段，每个细化频段中采用不同参数的电感和变容管，来防止电调谐滤波器的带宽无限制展宽。最后，再通过两级4:1的传输线变压器构成降阻抗匹配网络或者通过其他合适的阻抗匹配网络来完成3.2kΩ到50Ω的输出阻抗匹配。本方法虽然不能避免电调谐滤波器带宽展宽的现象发生，但是能够有效的将带宽控制在一个通信带宽之内，很好的满足了本系统的需求。

参见图3，设W为一个通信信道的带宽，f_s为多频段短波预选放大滤波器的中心频率，固定其带宽B₁或B₂（B₁等于一个通信信道带宽，B₂略大于一个通信信道带宽），动态调整f_s进行短波全频段扫频，使通过多频段短波预选放大滤波器通带的信号具有带感知信道的频段。理想状况下可以设计多频段短波预选放大滤波器的带宽为B₁，而实际中所设计的滤波器带宽往往略大于B₁，这样除了有用信号和带内噪声，相邻信道的信号也会作为干扰信号夹杂进来，所以使多频段短波预选放大滤波器的带宽越接近B₁，系统的感知精度将会越高。

（6）将调谐后的短波信号送入射频前端单元的自动增益控制模块进行自动增益控制，以使其保持输出信号功率不发生严重抖动。

（7）为了提高系统的灵敏度和动态范围，采用射频前端单元的中频放大器对模拟短波信号进行固定增益放大，以提高对小信号检测的灵敏度。

按照过采样原理，对1中所述的信号进行直接采样，其采样率应服从以下规则：

f′_s=R×f_s

其中f_s为奈奎斯特采样频率，R成为过采样比率，并且R＞1。这种采样方式，由于量化比特数没有改变，故总的量化噪声功率也不变，但是这时的量化噪声的频谱分布发生了变化，如图4，即将原来均匀分布,

频带内的量化噪声分散到了

的频带上。R值越大，通频带内量化噪声越小。

本发明的模数转换段元采用高速Δ-Σ型ADC芯片来实现对输入短波信号的过采样。一个过采样的模数转换单元，其A/D采样率工作在一个远高于本转换的模拟信号的带宽频率。它的奈奎斯特采样频率f_NYQUIST：

f_NYQUIST>2×f_SIGNAL

其中，f_SIGNAL是输入信号中的最高频率。过采样的好处在于降低地通带内的量化噪声，并且把产生的量化噪声谐波搬移到通带之外。现有的认知无线电平台由于采用对高中频进行采样，只能进行其他采样形式，使得以过采样为优势的Δ-Σ型ADC芯片无法运用。而本系统专门用于短波频段，输入信号频率低，在低频段只有10MHz以下，所以比较适合Δ-Σ型ADC芯片的使用。而在高频段30MHz左右时，过采样的方式就显得吃力，所以短波内高频段的过采样依然面临挑战。

（8）将上述步骤输出的模拟短波信号输入到模数转换单元中进行过采样，使其转换为数字短波信号。

（9）通过上述射频前端的预处理以及模数转换单元的过采用后，接收到的短波模拟信号的噪声被最大限度的抑制后，送入到数字信号处理单元中。

（10）数字信号处理单元对输入的数字短波信号进行数字化信道滤波，以滤除信道噪声，提高系统的信噪比。

（11）由于经过数模转换采样后的数字短波信号速率很高，直接对其进行感知算法实现比较困难，所以数字信号处理单元还需对输入的数字短波信号进行数字化降速处理来匹配后续的算法实现。

（12）数字信号处理单元对降速处理后数字短波信号进行数字化低通滤波来滤除带外噪声，提高系统的信噪比。

（13）数字信号处理单元采用能量检测算法来对上述数字短波信号实现频谱感知。由于数字信号处理单元在进行信号处理时，不需要进行传统的数字下变频处理，这就在一定程度上节约了处理器的资源，降低了对处理器的要求。

Claims

1.短波频谱感知方法，其特征是包括如下步骤：

（3）调整射频前端单元的升阻抗匹配网络使输入阻抗升高；

（4）动态调节射频前端单元的窄带滤波器的谐振中心频率，使窄带滤波器的带宽固定在一个通信信道带宽的细化频段内；

（5）调整射频前端单元的降阻抗匹配网络使输入阻抗降低；

（8）将数字短波信号送入到数字信号处理单元中；

2.根据权利要求1所述的短波频谱感知方法，其特征是：在步骤（6）之后，还进一步包括采用中频放大器对模拟短波信号进行固定增益放大的步骤。

3.根据权利要求1所述的短波频谱感知方法，其特征是：在步骤（8）和（9）之间，还进一步包括对输入的数字短波信号进行数字化信道滤波。

4.根据权利要求1所述的短波频谱感知方法，其特征是：在步骤（10）之前，还进一步包括对降速处理后数字短波信号进行数字化低通滤波的步骤。

5.根据权利要求1所述的短波频谱感知方法，其特征是：步骤（4）所述细化频段为1.5MHz～2.5MHz、2.5MHz～3.5MHz、3.5MHz～5.5MHz、5.5MHz～8MHz、8MHz～12MHz、12MHz～16MHz、16MHz～24MHz或24MHz～30MHz。

6.短波频谱感知系统，主要由射频前端单元、模数转换单元和数字信号处理单元组成，射频前端单元通过模数转换单元与数字信号处理单元相连，其特征是：所述射频前端单元包括短波带通滤波器、低噪声放大器、升阻抗匹配网络、窄带滤波器、降阻抗匹配网络和自动增益控制模块；短波带通滤波器经由低噪声放大器与升阻抗匹配网络输入端相连，升阻抗匹配网络的输出端经由窄带滤波器与降阻抗匹配网络的输入端相连，降阻抗匹配网络的输出端连接自动增益控制模块的输入端，自动增益控制模块的输出端与模数转换单元相连。

7.根据权利要求6所述的短波频谱感知系统，其特征是：所述窄带滤波器主要由波段选择控制电路、多路一次调谐电路、低噪声放大电路和多路二次调谐电路所组成；其中波段选择控制电路由控制按键和译码器构成；控制按键与译码器的输入端相连，译码器的多个输出端则分别连接每一路一次调谐电路和二次调谐电路的控制端；每一路一次调谐电路的输出端一并连接至低噪声放大电路的同相输入端上，每一路二次调谐电路的输入端一并连接至低噪声放大电路的输出端上；上述每一路一次调谐电路的输入端共同形成窄带滤波器的信号入端，二次调谐电路的输出端则共同形成窄带滤波器的信号出端。

8.根据权利要求6所述的短波频谱感知系统，其特征是：射频前端单元还进步一包括中频放大器，该中频放大器连接在自动增益控制模块的输出端与模数转换单元之间。

9.根据权利要求6所述的短波频谱感知系统，其特征是：模数转换单元为Δ-Σ型模数转换芯片。

10.根据权利要求6所述的短波频谱感知系统，其特征是：数字信号处理单元包括信道滤波模块、多速率信号处理模块、低通滤波模块和功率谱计算模块；信道滤波模块的输入端连接模数转换单元，信道滤波模块的输出端连接多速率信号处理模块的输入端，多速率信号处理模块的输出端经由低通滤波模块与功率谱计算模块相连。