CN103532642B

CN103532642B - 地面数字电视广播频谱感知方法与系统

Info

Publication number: CN103532642B
Application number: CN201310460059.4A
Authority: CN
Inventors: 肖海林; 濮锦胜; 韩霄; 刘念; 闫坤
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: CN103532642A

Abstract

本发明公开一种地面数字电视广播频谱感知方法与系统，射频接收模块的数据输出端经数转换模块与中心控制处理模块的数据输入端相连；射频发射模块的数据输出端经数模转换模块与中心控制处理模块的数据输入端相连；中心控制处理模块的本振输出端分别连接射频接收模块和射频发射模块的本振控制端。本发明以简化系统硬件结构，实现地面数字电视广播频段快速切换，在保证频谱感知速度的同时节省处理器资源为目的，通过以FPGA为处理器灵活的控制本振频率输出，使地面数字电视广播全频段覆盖，对采集的信号进行加窗，采用计算机旋转坐标（Cordic）算法实现FFT处理，并运用基于FFT能量检测算法实现了对地面数字电视广播频段的感知。

Description

地面数字电视广播频谱感知方法与系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种地面数字电视广播（DVB-T）频谱感知方法与系统。

背景技术

随着无线通信业务的发展，可用的频谱资源日益紧张，有限的频谱资源逐渐成为制约无线通信技术发展的瓶颈。因此，节约频谱资源提高频谱利用率将是未来无线通信发展的一个重要领域。然而在目前的频谱授权分配体制下，某些特定的频段内频谱资源竞争激烈，非授权用户不能占用其他授权频段不用的频段，造成了频谱利用率较低。在频谱资源匮乏和利用率低的情况下，为了改变传统的频谱资源分配方式，在时域与空域上充分利用空闲频谱资源，人们提出了认知无线电技术。

认知无线电的重要应用之一是频谱感知，由于地面数字电视广播频段是人们休闲娱乐的一个重要部分，其频段范围为50Mhz-878Mhz。在使用过程中，人们往往观看地面数字电视广播时只是占用其中的一部分频段，而对于其他频段来说，处于空闲状态。在不干扰授权用户的基础上，如果能把处于空闲的频段充分利用起来，将会极大的提高频谱利用率。因此，地面数字电视广播信号的频谱感知技术的研究已成为认知无线电领域的研究热点。

目前地面数字电视广播信号的频谱感知信号处理电路的实现一般是基于MCU芯片、DSP芯片或者FPGA芯片。DSP的工作模式本质上与传统CPU取指令，译码和执行等方式相同，受到指令周期的限制，时序控制较弱，且对于运算复杂，计算量大的算法往往难以满足实时性需求。FPGA具有强大的并行处理能力﹑运算速度快、成本低﹑可靠性高、编程灵活等优点，它内部集成了大量分布式RAM用于实现逻辑设计，块RAM用于数据高速存储，PLL用于时钟的管理，嵌入式乘法器用于数字信号的处理，高速收发器用于数据通信等等，同时流水线的设计可以缩小处理延时，提高FPGA能达到的最高工作频率，具有DSP等芯片无法比拟的优点。

在公开号为CN1885742A的中国专利申请“一种认知无线电实验系统的硬件终端”中，系统采用的是DSP—FPGA的双处理器结构，采用频谱感知算法将基带信号合理分配给DSP和FPGA进行处理，充分利用了DSP和FPGA的各自优势。但是因系统难以满足频谱感知系统的实时性和处理速度的要求，而且硬件结构较复杂，实现很困难，成本很高，不利于商业推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种地面数字电视广播频谱感知方法与系统，其以简化系统硬件结构，实现地面数字电视广播频段快速切换，在保证频谱感知速度的同时节省处理器资源为目的。

为解决上述问题，本发明所是通过以下技术方案实现的：

地面数字电视广播频谱感知方法，包括如下步骤：

（1）中心控制处理模块发送本振频率控制字至射频接收模块以采集待测信号，即

（1.1）预先将DVB-T全频段均分为多个子频段CH1、CH2、CH3……CHg，每个子频段对应一个本振频率fi，其中i为子频段号，i=1,2,……,g；

（1.2）中心控制处理模块第一次输出DVB-T全频段中第一子频段CH1所对应的本振频率f1至射频接收模块；射频接收模块在该本振频率的控制下，对接收到的射频信号x₁(t)进行感知处理，并将感知处理后的送入模数转换模块中进行采样得到第一子频段CH1的采样信号x₁(n)；

（1.3）中心控制处理模块接收第一子频段CH1的采样信号x₁(n)，并通过感知算法判决该本振频率f1所对应的子频段CH1信号是否存在；当感知子频段CH1信号存在时，则中心控制处理模块输出DVB-T频段中第二子频段CH2所对应的本振频率f2；当感知子频段CH1信号不存在时，则中心控制处理模块一直输出本振频率f1，中心控制处理模块一直监测本振频率f1对应的第一子频段CH1的状态，直到感知该子频段CH1信号存在；

（1.4）返回步骤（1.2）直至将DVB-T全频段中的所有子频段全部感知完成；

（2）中心控制处理模块依次对采集到的各个子频段的采样信号进行加窗处理，加窗后的信号为

y_i(n)=x_i(n)w(n)

式中,xi(n)为采样信号，i表示子频段号1≤i≤g，w(n)为汉明窗的窗函数；

（3）中心控制处理模块运用坐标旋转数字计算方法实现对加窗后的信号进行快速傅里叶处理，即通过坐标旋转数字计算方法代替快速傅里叶运算过程中复数乘法器以实现快速傅里叶处理，快速傅里叶处理后的信号为

Y_{i} (w) = DFT [y_{i} (n)] = Σ_{n = 0}^{N - 1} y_{i} (n) w_{N}^{nw}, (0 \leq w \leq N - 1)

式中，N为傅里叶变换长度，y_i(n)为步骤（2）所得加窗后的信号，Y_i(w)与y_i(n)构成了傅立叶变换对；

（4）中心控制处理模块计算DVB-T全频段所感知到的所有子频段进行快速傅里叶处理后的信号的总能量，即将DVB-T全频段所感知到的所有子频段进行快速傅里叶处理后的数据经过乘法器平方并累加求和后取平均得到最终信号能量值，其中信号总能量为

E = \frac{1}{N} Σ_{w = 0}^{N - 1} Y_{i} {(w)}^{2}

式中，N为傅里叶变换长度，Y_i(w)为各子频段经快速傅里叶处理后的信号；

（5）中心控制处理模块对DVB-T全频段的信号总能量进行阀值判决，即将信号总能量值E与阀值λ进行比较，若E<λ,判决该频段信号不存在，感知算法一直对该频段进行监测，同时将该频段信息发送给发射机，；若E>λ，判决该频段信号存在，感知算法对下一DVB-T频段进行检测，如此循环，直至覆盖整个DVB-T频段；上述阀值为

λ = {Nδ}_{n}^{2} + Q^{- 1} (P_{f}) \sqrt{2 N δ_{n}^{4}}

式中，Q^-1为Q函数的反函数，为噪声功率，P_f为虚警概率，N为傅里叶变换长度。

上述方法中，所述每2个相邻子频段的本振频率之间的步进L介于1M～8M之间，即1M<L<8M。

基于上述地面数字电视广播频谱感知方法所设计的地面数字电视广播频谱感知系统，主要由电源部分、以及与电源部分相连的射频发射接收部分和数据处理部分组成；其中射频发射接收部分包括射频接收模块和射频发射模块；数据处理部分包括中心控制处理模块、模数转换模块和数模转换模块；射频接收模块的数据输出端经数转换模块与中心控制处理模块的数据输入端相连；射频发射模块的数据输出端经数模转换模块与中心控制处理模块的数据输入端相连；中心控制处理模块的本振输出端分别连接射频接收模块和射频发射模块的本振控制端。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1、通过以FPGA为处理器灵活的控制本振频率输出，使地面数字电视广播全频段覆盖，对采集的信号进行加窗，采用计算机旋转坐标（Cordic）算法实现FFT处理，并运用基于FFT能量检测算法实现了对地面数字电视广播频段的感知；

2、FPGA内部集成了大量分布式RAM用于实现逻辑设计，块RAM用于数据存储，PLL用于时钟的管理，嵌入式乘法器用于数字信号的处理等等，故本系统具有强大的并行处理能力﹑运算速度快、成本低﹑可靠性高、编程灵活的优点；

3、采用FPGA作为核心控制处理器的单处理器结构，与射频发送接收结合在一起，相比多处理器结构，简化了系统结构，节省了硬件资源和成本，降低了系统的能耗；

4、该频谱感知系统对DVB-T整个频段进行了划分，能够有效地检测无线电频谱中频段的使用以及迅速地利用临时不用的频率，而不干扰其他授权用户之间的通信；

5、在感知算法采用基于FFT的能量检测，运用改进的Cordic算法实现FFT运算中的复乘，既保证了数据处理速度，又节约了系统资源，整个算法复杂度低，检测时耗短，实现简单。

附图说明

图1为地面数字电视广播频谱感知系统实施例总体架构框图；

图2为FPGA中心控制模块结构框图；

图3为基于FFT的能量检测算法的框图；

图4为Cordic算法实现FFT处理的结构框图；

图5为地面数字电视广播频谱感知系统方法实施例信号处理流程图。

具体实施方式

参见图1，一种地面数字电视广播频谱感知系统，主要由电源部分、以及与电源部分相连的射频发射接收部分和数据处理部分组成；其中射频发射接收部分包括射频接收模块和射频发射模块；数据处理部分包括中心控制处理模块、模数转换模块和数模转换模块；射频接收模块的数据输出端经数转换模块与中心控制处理模块的数据输入端相连；射频发射模块的数据输出端经数模转换模块与中心控制处理模块的数据输入端相连；中心控制处理模块的本振输出端经一本振动模块连接射频接收模块和射频发射模块的本振控制端。

射频发射模块的结构与现有技术相同或相近似。射频接收模块包括有DVB-T接收天线，低通滤波器，低噪声放大器和中频处理电路，通过二次变频使信号固定在L Mhz（1<L<8）频带范围内。即中频处理电路在FPGA控制其本振作用下将射频接收的信号固定在L Mhz（1<L<8）频带范围内并且对接收的DVB-T信号进行功率放大。当射频接收信号的信噪比较低时，所得信号功率比较小，而接收信号的信噪比较大时，所得信号功率比较大。中频信号预处理后送入数据处理部分的输入信号的功率至少大于一个A/D量化电平，并且信号幅度要尽量统一。在本发明优选实施例中，射频发射模块和射频接收模块的本振模块使用ADI公司的ADF4351锁相环芯片，实现低噪声，快速锁定输出频率。

中心控制处理模块为现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable GateArray）。在本发明优选实施例中，中心控制处理模块FPGA采用的ALTERA公司的CycloneII EP2C8Q240C8N芯片，内部集成了大量分布式RAM用于实现逻辑设计、块RAM用于数据高速存储、PLL用于时钟的管理、嵌入式乘法器用于数字信号的处理、高速收发器用于数据通信等等，具有强大的并行处理能力﹑运算速度快、成本低﹑可靠性高、编程灵活等优点。

中心控制处理模块FPGA，如图2所示，包括时钟模块、数据控制模块、本振控制模块、感知算法模块以及频谱状态信息模块。时钟模块协调各个模块正常工作，数据控制模块连接本振控制模块、感知算法模块、频谱状态信息模块；本振控制模块输出控制字连接射频端本振频率产生模块，模数转换模块采集射频接收的信号接入感知算法模块、感知算法模块连接频谱状态信息模块。射频接收机接收信号经过中频预处理之后接入模数转换模块AD，转换为数字信号接入FPGA的感知算法模块，感知算法模块结果送至频谱状态信息模块，得到最终检测频段的信息。频谱状态信息模块信息频段处于空闲时，将检测到的频段信息通过数模转换将数字信号转换为模拟信号，DA转换芯片的模拟信号经射频的发射机发射，反之，控制发射机处于休眠状态。

射频接收模块的本振频率产生模块是在FPGA中本振控制模块作用下产生g个频段对应的本振频率，其中g=(878-50)/L。

中心控制处理模块的数据控制模块按照FPGA中的PLL时钟管理协调其连接的本振控制模块、感知算法模块和频谱状态信息模块的逻辑时序，保证各子模块协调工作。系统中需要不同频率的工作时钟驱动相应的工作电路，FPGA的锁相环PLL对外部输入时钟进行相应的处理。PLL提供先进的时钟管理能力，例如本振外部时钟输出、AD、DA工作的采样时钟信号。

中心控制处理模块的本振控制模块的控制字以10Mhz的时钟频率送入射频模块中的本振，同时驱动模数、数模转换模块的AD转换芯片采集射频信号，在每一次感知算法结束后，根据判决结果控制本振频率控制字的输出。

中心控制处理模块的感知算法模块,如图3所示,对采集的射频信号x_i(n)进行加窗w(n)，运用Cordic算法实现的FFT处理Y_i(w)，对经过FFT变换后的数据进行平方求和取平均，获得采集信号的能量值E，与预设的阀值λ进行比较，得到最终的检测结果。

所述Cordic算法实现FFT过程，如图4所示，地址产生模块在时序控制下，产生第一存储器的写信号，第一存储器写满后，将数据读取输出至蝶形前端计算模块，同时地址产生模块在时序控制下，产生第二存储器的写信号。角度存储模块在时序控制下将角度读取输出到Cordic算法模块，蝶形前端计算模块的结果输出到Cordic算法模块，经过Cordic算法输出的结果送入至模校正模块，然后将校正后的结果再送入第一存储器的同时时序控制产生第一存储器的写信号，以作为下一级蝶形运算的输入数据。时序控制产生第二存储器的读信号，重复存储器1中数据处理过程，第一存储器与第二存储器的读写操作交替进行，直到蝶形运算结束。

上述地址产生模块为在时钟为50M的时序控制下产生计数为N(256≤N≤2048)的计数区间，使存储器数据的读写能有序的进行。

上述第一和第二存储器模块为用QuartusII产生的双口RAM核，存储深度为N(256≤N≤2048)，通过控制读写使能，分别进行读取。

上述蝶形前端计算模块的每一个蝶形结构完成基本迭代运算

X_{m} (k) = X_{m - 1} (k) + X_{m - 1} (j) W_{N}^{r},

X_{m} (j) = X_{m - 1} (k) - X_{m - 1} (j) W_{N}^{r},

式中，m表示第m列迭代，k，j为数据所在行数。在时序控制下时将计算所得的X_m-1(k)写入RAM中作为下一级的输入数据与经过模校正模块计算的结果对齐。

上述Cordic算法模块：Cordic算法模块在FPGA中通过Verilog语言实现，输入信号经初始化后，同时送入Cordic计算模块，采用16位有效数据位和一位高位符号位作为输入，采用旋转模式，流水线性操作，进行16次迭代实现乘法器功能。

上述角度存储模块用matlab软件产生以mif文件保存，然后在QuartusⅡ软件打开后另存为hex文件的类型，此时的hex文件再导入FPGA生成的ROM中。数据控制模块以一定的时钟周期按地址读取ROM中的参数。

上述模校正模块通过16次的迭代逼近模校正因子，将模校正因子K分解为其中ε∈{-1;+1}，α=16，迭代K≈0.60725，Cordic算法模块输出数据乘以K校正因子，送入存储器模块。

中心控制处理模块的频谱状态信息模块为在检测DVB-T频段信号过程中，频谱感知算法检测结果为检测信号不存在时，使发射机处于工作状态，并且将检测到的DVB-T中第i（i∈{1;g}）段频谱空闲信息送至发射机，检测信号不存在时，则使发射机处于休眠状态。

上述系统所实现的面数字电视广播频谱感知方法，如图5所示，包括如下步骤：

（1）中心控制处理模块发送本振频率控制字至射频接收模块以采集待测信号；即

（1.4）返回步骤（1.2）直至将DVB-T全频段中的所有子频段全部感知完成。

在本发明优选实施例中，频率控制字是锁相环芯片ADF4351中六个寄存器的值，在时序控制下按顺序输出DVB-T各L Mhz（1<L<8）频段对应的本振频率。采集待测信号的模数转换器为TI公司的ADS4129最大采样率f_s为250Mhz，本例中采样频率f_s=100Mhz采样信号为中频信号中心频率24Mhz，带宽为8Mhz。

y_i(n)=x_i(n)w(n)

式中，x_i(n)为采样信号，i为子频段号，w(n)为汉明窗的窗函数。

在本发明优选实施例中，加窗处理采用的是汉明（hamming）窗，当发送本振输出频率fi的频率控制字时，对采集数据进行如下的处理：

A=[y₁₁y₁₂...y_1n]

式中，n表示以100Mhz的采样率进行采样后的采样点数，本例中n=1024，y_i(n)表示对待测信号进行模数转换后的数据。

Y_{i} (w) = DFT [y_{i} (n)] = Σ_{n = 0}^{N - 1} y_{i} (n) w_{N}^{nw}, (0 \leq w \leq N - 1)

在本发明优选实施例中，所述FFT的实现是运用cordic算法通过移位加减代替FFT变换中的复数乘法，本例中进行1024点FFT处理，其中cordic算法采用旋转模式，流水线性操作，进行16次迭代，用Matlab工具产生预旋转的旋转因子，存入用Quartus产生的单口ROM中，旋转因子系数为16位数据有效位和一位高位符号位，存储深度为256。

Y_i(w)=DFT[x_i(n)·w(n)]

式中，w(n)为汉明窗的窗函数。

本例中FFT实现过程中每级蝶形运算后的数据是在两个RAM中交替读写的，RAM存储深度为1024。

E = \frac{1}{N} Σ_{w = 0}^{N - 1} Y_{i} {(w)}^{2}

式中，N为傅里叶变换长度，Y_i(w)为各子频段经快速傅里叶处理后的信号；在本发明优选实施例中，N=1024。

λ = {Nδ}_{n}^{2} + Q^{- 1} (P_{f}) \sqrt{2 N δ_{n}^{4}}

在本发明优选实施例中，待测信号信噪比在-5db～5db范围内时，预设N介于256～2048之间，预设P_f介于0.01～0.1之间，预设介于1～2之间，得阀值λ介于282～4330之间。当E>λ时，发送本振频率控制字不变，感知算法一直监测检测的DVB-T频段同时将检测的频谱空闲信息发送出去；当E<λ时，发送本振频率控制本振输出频率在原有的频率上叠加L Mhz输出，如此反复至频段覆盖DVB-T全频段。本例中L=8Mhz。

Claims

1.地面数字电视广播频谱感知方法，其特征是包括如下步骤：

(1)中心控制处理模块发送本振频率控制字至射频接收模块以采集待测信号，即

(1.1)预先将DVB-T全频段均分为多个子频段CH1、CH2、CH3……CHg，每个子频段对应一个本振频率fi，其中i为子频段号，i＝1,2,……,g；

(1.2)中心控制处理模块第一次输出DVB-T全频段中第一子频段CH1所对应的本振频率f1至射频接收模块；射频接收模块在该本振频率的控制下，对接收到的射频信号x₁(t)进行感知处理，并将感知处理后的送入模数转换模块中进行采样得到第一子频段CH1的采样信号x₁(n)；

(1.3)中心控制处理模块接收第一子频段CH1的采样信号x₁(n)，并通过感知算法判决该本振频率f1所对应的子频段CH1信号是否存在；当感知子频段CH1信号存在时，则中心控制处理模块输出DVB-T全频段中第二子频段CH2所对应的本振频率f2；当感知子频段CH1信号不存在时，则中心控制处理模块一直输出本振频率f1，中心控制处理模块一直监测本振频率f1对应的第一子频段CH1的状态，直到感知该子频段CH1信号存在；

(1.4)返回步骤(1.2)直至将DVB-T全频段中的所有子频段全部感知完成；

(2)中心控制处理模块依次对采集到的各个子频段的采样信号进行加窗处理，加窗后的信号为

y_i(n)＝x_i(n)w(n)

式中x_i(n)为采样信号，i为子频段号1≤i≤g，w(n)为窗函数；

(3)中心控制处理模块运用坐标旋转数字计算方法实现对加窗后的信号进行快速傅里叶处理，即通过坐标旋转数字计算方法代替快速傅里叶运算过程中复数乘法器以实现快速傅里叶处理，快速傅里叶处理后的信号为

Y_{i} (w) = DFT [y_{i} (n)] = Σ_{n = 0}^{N - 1} y_{i} (n) W_{N}^{nw}, (0 \leq w \leq N - 1)

式中，0≤n≤N-1，N为傅里叶变换长度，y_i(n)为步骤(2)所得加窗后的信号，Y_i(w)与y_i(n)构成了傅立叶变换对；

(4)中心控制处理模块计算DVB-T全频段所感知到的所有子频段进行快速傅里叶处理后的信号的总能量，即将DVB-T全频段所感知到的所有子频段进行快速傅里叶处理后的数据经过乘法器平方并累加求和后取平均得到最终信号能量值，其中信号总能量为

E = \frac{1}{N} Σ_{w = 0}^{N - 1} Y_{i} {(w)}^{2}

(5)中心控制处理模块对DVB-T全频段的信号总能量进行阀值判决，即将信号总能量值E与阀值λ进行比较，若E<λ,判决该子频段信号不存在，感知算法一直对该子频段进行监测，同时将该子频段信息发送给发射机；若E>λ，判决该子频段信号存在，感知算法对下一DVB-T子频段进行检测，如此循环，直至覆盖整个DVB-T全频段；上述阀值为

λ = N δ_{n}^{2} + Q^{- 1} (P_{f}) \sqrt{2 N δ_{n}^{4}}

2.根据权利要求1所述的地面数字电视广播频谱感知方法，其特征是，每2个相邻子频段的本振频率之间的步进L介于1M～8M之间，即1M<L<8M。

3.基于权利要求1所述地面数字电视广播频谱感知方法而设计的地面数字电视广播频谱感知系统，其特征在于：由电源部分、以及与电源部分相连的射频发射接收部分和数据处理部分组成；其中射频发射接收部分包括射频接收模块和射频发射模块；数据处理部分包括中心控制处理模块、模数转换模块和数模转换模块；射频接收模块的数据输出端经数转换模块与中心控制处理模块的数据输入端相连；射频发射模块的数据输出端经数模转换模块与中心控制处理模块的数据输入端相连；中心控制处理模块的本振输出端分别连接射频接收模块和射频发射模块的本振控制端。