CN103905130B - 基于相位邻差的频谱检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相位邻差的频谱检测方法，包括：S1：根据确定采样码片的长度N+1和检测要求的虚警概率P_f，计算判决门限对目标频段的信号进行IQ数据采样，并计算所述采样码片的相位邻差累加量ψ_sum；根据获得的N+1个所述采样码片的所述相位邻差累加量ψ_sum和所述判决门限判定主用户信号是否存在。本发明从信号的相位角度入手，进行频谱检测，而在低信噪比条件下，信号相位的变化比幅度要明显得多，因此本发明在低信噪比条件下检测性能更好，且稳定性更高。本发明还公开了一种基于相位邻差的频谱检测装置。

Description

基于相位邻差的频谱检测方法与装置

技术领域

本发明涉及无线通信中无线电领域，尤其涉及一种基于相位邻差的频谱检测方法与装置。

背景技术

随着无线通信种类和业务量的爆炸性增长，频谱稀缺问题日益严重。然而世界范围内的频谱监测发现，授权频段的频谱利用率普遍较低，如美国国家无线电网络研究实验平台（NationalRadioNetworkResearchTestbed）项目测量报告表明，全美3GHz以下频段的利用率仅为5.2%。在频谱资源一方面日益稀缺，一方面浪费严重的背景下，认知无线电技术应运而生并受到了广泛的重视。电气和电子工程师协会（简称IEEE）的有关工作组（如802.22、802.16）和国际电信联盟（简称ITU）已先后制定或正在积极制定一系列标准以推动该技术在各种应用场景下的应用。

在认知无线电中，次级用户可以在不对主用户造成干扰的情况下动态地接入授权频段，从而提高频谱使用效率。为了不对主用户造成干扰，次级用户在接入之前要先对授权频段进行检测，确定主用户是否占用频谱。所以，频谱检测技术是认知无线电最为关键的技术之一。

现有的频谱检测方法主要有能量检测，循环特征检测和匹配滤波器检测等。这些方法很难在检测性能，计算复杂度和稳定性方面都达到较好的效果，在实际应用时都存在着各种各样的缺点。

如有一篇申请号为“CN200910046690”的中国专利，公开了一种基于特征循环频率的频谱检测方法。该发明利用对信号进行有限长度的循环谱处理，通过判别其在循环频率处的循环谱数值来判定主用户信号是否存在。其实现过程是：首先，采集噪声样本进行循环谱处理得到噪声循环谱序列，再结合要求的虚警概率值来设定判决门限；然后对目标频段的信号进行采样，并进行循环谱处理；最后，比较目标信号在循环谱处值与前面设定的门限相比较，若大于门限，则认为该频段被主用户占用，否则认为该频段没有被主用户占用，次级用户可以接入该频段。该发明通过利用特征循环谱的方法进行频谱检测，可以有效提高低信噪比条件下的检测性能，但是其计算复杂度很高，无法使检测性能和计算复杂度达到较好的统一。在实际应用中，特别是终端侧很难实现。

进一步地，现有算法在进行频谱检测时，在检测性能，计算复杂度和稳定性方面三个方面中的一个性能较为突出，但难以在这三个方面都获得优良的性能。如能量检测方法，其优势在于易于实现和计算复杂度低，是目前最常用的频谱检测方法，但是其检测性能易受噪声功率不确定性影响且低信噪比性能较差。循环特征检测方法在检测性能上相比能量检测有很大的提升，但是其计算复杂度较高，对于处理能力受限的移动终端不实用。匹配滤波器方法理论上性能最好，由于其需要主用户信号的定时、波形等先验信息，而这些信息在认知无线电场景中通常是难以获得的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何实现从相位的角度进行频谱检测精确性、稳定性的提高的问题。

为此目的，本发明提出了一种基于相位邻差的频谱检测方法，包括具体以下步骤：

S1：根据确定采样码片的长度N+1和检测要求的虚警概率P_f，计算判决门限

S2：对目标频段的信号进行IQ数据采样，并计算所述采样码片的相位邻差累加量ψ_sum；

S3：根据获得的N+1个所述采样码片的所述相位邻差累加量ψ_sum和所述判决门限判定主用户信号是否存在。

进一步地，所述步骤S1进一步包括：

S11:根据检测时长和采样速率确定所述采样码片的所述长度N+1和检测要求的所述虚警概率P_f；

S12：根据所述采样码片的所述长度N+1和所述虚警概率P_f计算所述判决门限即其中，erfc^-1为余补误差函数 $\mathrm{erfc}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{x}}{\∫}_x^{\∞}{e}^{-{\mathrm{\η}}^2}\mathrm{d\η}$ 的反函数。

进一步地，所述步骤S2进一步包括：

S21：对所述目标频段的信号r(n)进行IQ数据采样，采样长度为N+1。其中，采样所得的I路数据r(n)的实部定义为r_I，Q路数据r(n)的虚部定义为r_Q；

S22：根据采样数据按照下式计算N+1个采样码片的相位θ_n；

${\mathrm{\&theta;}}_n=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \left(\frac{r_Q}{r_I}\right)\mathrm{mod}2\mathrm{\&pi;}& (r_I\&GreaterEqual;0)\\ (\arctan \left(\frac{r_Q}{r_I}\right)+\mathrm{\&pi;})\mathrm{mod}2\mathrm{\&pi;}& (r_I<0)\end{array}\right.;$

其中，(·)mod2π是为了保证计算的相位在[0,2π]的区间内。

S23：根据计算的所述采样码片的所述相位，按照下式计算信号的相位邻差ψ_n=(θ_n+1-θ_n)mod2π；

S24：计算所述邻近信号的所述相位差累加量

进一步地，所述步骤S3进一步包括：

S31：计算所述邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ的绝对值，即|ψsum-Nπ|；

S32：比较所述邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ的绝对值与所述判决门限的数值大小；

S33：若所述邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ的绝对值大于所述判决门限判定主用户信号存在；否则判定所述主用户信号不存在。

为此目的，本发明提出了一种基于相位邻差的频谱检测装置，包括：

门限设定模块，用于根据确定采样码片的长度N+1和检测要求的虚警概率P_f，计算判决门限其中，所述判决门限

邻近相位差累加量计算模块，用于对目标频段的信号进行IQ数据采样，并计算所述采样码片的相位邻差累加量ψ_sum；

判决模块，用于根据获得的N+1个所述采样码片的所述相位邻差累加量ψ_sum和所述判决门限判定主用户信号是否存在。

通过采用本发明所公开一种基于相位邻差的频谱检测方法，首先推导噪声相位邻差与主用户信号存在时的相位邻差的分布，并将邻近相位邻差累加量ψ_sum；设定为检验统计量，然后根据中心极限定理，推导噪声邻近信号相位差的分布，并据此推出虚警概率的表达式，根据此表达式按要求的虚警概率计算判决门限最后比较|ψ_sum-Nπ|与判决门限其中N为邻近信号相位差累加的个数，若大于判决门限则认为主用户信号存在，否则认为主用户信号不存在。此方法在检测精度，计算复杂度和稳定性方面都有着良好的提高。本发明还公开了一种基于相位邻差的频谱检测装置。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例中的一种基于相位邻差的频谱检测方法的步骤流程图；

图2示出了本发明实施例中的一种基于相位邻差的频谱检测装置的结构图；

图3示出了本发明实施例中的一种基于相位邻差的频谱检测装置的门限设定模块的结构图；

图4示出了本发明实施例中的一种基于相位邻差的频谱检测装置的邻近相位累加量计算模块的结构图；

图5示出了本发明实施例中的一种基于相位邻差的频谱检测装置的判决模块的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于相位邻差的频谱检测方法，包括具体以下步骤：

步骤S1：根据确定采样码片的长度N+1和检测要求的虚警概率P_f，计算判决门限

进一步地，步骤S1进一步包括：

步骤S11:根据检测时长和采样速率确定采样码片的长度N+1和检测要求的虚警概率P_f。

步骤S12：根据采样码片的长度N+1和虚警概率P_f计算判决门限即

其中，erfc是余补误差函数，且

$\mathrm{erfc}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{x}}{\&Integral;}_x^{\&infin;}{e}^{-{\mathrm{\&eta;}}^2}\mathrm{d\&eta;}.$

具体地，由于根据噪声邻近相位差ψ'_n=θ_n+1-θ_n服从[-2π,2π]的三角分布，得到公式：

$P_{{\mathrm{\&psi;}}_n^{\&prime;}}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}+\frac{{\mathrm{\&psi;}}_n^{\&prime;}}{4{\mathrm{\&pi;}}^2}& -2\mathrm{\&pi;}\&le;{\mathrm{\&psi;}}_n^{\&prime;}<0\\ \frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}-\frac{{\mathrm{\&psi;}}_n^{\&prime;}}{4{\mathrm{\&pi;}}^2}& 0\&le;{\mathrm{\&psi;}}_n^{\&prime;}\&le;2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.$

根据噪声邻近相位差服从的三角分布的公式定义噪声邻近相位差分布为：

$P_{{\mathrm{\&psi;}}_n}=P_{{\mathrm{\&psi;}}_n^{\&prime;}}\left({\mathrm{\&psi;}}_n\right)+P_{{\mathrm{\&psi;}}_n^{\&prime;}}({\mathrm{\&psi;}}_n-2\mathrm{\&pi;})=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}$

继而，计算噪声邻近相位差的均值以及方差：

${\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{\&psi;}}={\&Integral;}_0^{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&psi;}{P}_{\mathrm{\&psi;}}{d}_{\mathrm{\&psi;}}=\mathrm{\&pi;}$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&psi;}}^2={\&Integral;}_0^{2\mathrm{\&pi;}}{(\mathrm{\&psi;}-{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{\&psi;}})}^2{P}_{\mathrm{\&psi;}}{d}_{\mathrm{\&psi;}}={\mathrm{\&pi;}}^2/3$

最终，根据中心极限定理，噪声邻近相位差累加量ψ_sum的概率分布近似为均值 ${\mathrm{N\&sigma;}}_{\mathrm{\&psi;}}^2=N{\mathrm{\&pi;}}^2/3,$ 方差为 ${\mathrm{N\&sigma;}}_{\mathrm{\&psi;}}^2=N{\mathrm{\&pi;}}^2/3$ 的高斯分布：

$P_{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{sum}}}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{2\mathrm{N\&pi;}/3}}{e}^{-\frac{{({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{sum}}-\mathrm{N\&pi;})}^2}{2{\mathrm{N\&pi;}}^2/3}}$

当存在判决门限时，虚警概率的计算公式为：

其中，erfc是余补误差函数，且

进一步地，根据上式我们可以在已知虚警概率P_f和采样长度N+1时，得到门限其中erfc^-1是余补误差函数erfc的反函数。

步骤S2：对目标频段的信号进行IQ数据采样，并计算采样码片的相位邻差累加量ψ_sum。

进一步地，步骤S2进一步包括：

步骤S21：对所述目标频段的信号r(n)进行IQ数据采样，采样长度为N+1。其中，采样所得的I路数据r(n)的实部定义为r_I，Q路数据r(n)的虚部定义为r_Q。

对于采样所得信号r(n)=r_I+j*r_Q，其中j代表虚部的符号，我们可以把其建模成如下形式：

其中，数据采样长度为N+1，T是采样间隔，A(nT)和分别是主用户信号的瞬时幅度和瞬时相位，f_c是采样频率，x(nT)和y(nT)分别是高斯白噪声的同相分量和正交分量。这里如果不考虑采样间隔T，我们就可以把r(n)与r(nT)等同。

步骤S22：根据采样数据按照下式计算N+1个采样码片的相位θ_n：

${\mathrm{\&theta;}}_n=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \left(\frac{r_Q}{r_I}\right)\mathrm{mod}2\mathrm{\&pi;}& (r_I\&GreaterEqual;0)\\ (\arctan \left(\frac{r_Q}{r_I}\right)+\mathrm{\&pi;})\mathrm{mod}2\mathrm{\&pi;}& (r_I<0)\end{array}\right.$

其中，(·)mod2π是为了保证计算的相位在[0,2π]的区间内。

步骤S23：根据计算的采样码片的相位，按照下式计算信号的相位邻差ψ_n=(θ_n+1-θ_n)mod2π。

步骤S24：计算邻近信号的相位差累加量

步骤S3：根据获得的N+1个采样码片的相位邻差累加量ψ_sum和判决门限判定主用户信号是否存在。

进一步地，步骤S3进一步包括：

步骤S31：计算邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ的绝对值，即|ψ_sum-Nπ|。

步骤S32：比较邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ的绝对值与判决门限的数值大小。

步骤S33：若邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ的绝对值大于判决门限判定主用户信号存在；否则判定主用户信号不存在。

如图2所示，本发明提供了一种基于相位邻差的频谱检测装置的结构10，包括：门限设定模块101、邻近相位差累加量计算模块102以及判决模块103。

具体地，门限设定模块，用于根据确定采样码片的长度N+1和检测要求的虚警概率P_f，计算判决门限其中，判决门限邻近相位差累加量计算模块，用于对目标频段的信号进行IQ数据采样，并计算采样码片的相位邻差累加量ψ_sum；判决模块，用于根据获得的N+1个采样码片的相位邻差累加量ψ_sum和判决门限判定主用户信号是否存在。

进一步地，门限设定模块101，它的输入为采样码片长度N和要求的虚警概率，输出为判决门限邻近相位差累加量计算模块102，它的输入为采样信号的IQ数据，输出为采样信号的邻近相位差的累加量ψ_sum；判决模块103，它的输入为门限设定模块输出的判决门限邻近相位累加量计算模块输出的信号邻近相位累加量，输出为判定结果，即主用户信号是否存在。

如图3所示，本发明实施例中的一种基于相位邻差的频谱检测装置的门限设定模块101结构。

具体地，根据输入的采样长度和虚警概率，按照公式计算出判决门限。

如图4所示，本发明实施例中的一种基于相位邻差的频谱检测装置的邻近相位累加量计算模块102结构。

具体地，对目标频段的信号进行IQ数据采样，其中采样长度为N+1，根据采样的IQ数据，计算每个采样码片的相位，并对每个相位进行模2π操作，继而计算信号邻近相位差，并进行模2π操作，最终计算邻近相位差的累加量。

如图5所示，本发明实施例中的一种基于相位邻差的频谱检测装置的判决模块103结构。

具体地，计算邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ差值的绝对值，将得到的结果与判决门限相比较，若大于判决门限，判定主用户信号存在，否则，判定主用户信号不存在。

进一步地，通过上述所述，根据信号的邻近相差的累加量可以有效的对频谱进行检测。根据门限设定模块的过程，可以看出门限的判定与噪声的功率无关，因此不会受到噪声功率不确定性的影响，因此具有较好的稳定性，且具有简捷性，计算复杂度低的优点。

更进一步地，本发明公开的一种基于相位邻差的频谱检测方法计算复杂度较低，仅需要计算信号的相位及其差值和累加值，因此计算复杂度低，在达到很好的检测性能的同时，保证了极低的计算复杂度，因此更加便于实现；其次，本发明从信号的相位视角入手，进行频谱检测，而在低信噪比条件下，信号相位的变化比幅度要明显得多，因此本发明公开的一种基于相位邻差的频谱检测方法在低信噪比条件下检测性能更好，即在认知系统中，可以提升次级用户接入的概率，同时更加有效地避免对主用户信号的干扰；最后，本发明的稳定性较好，这里的稳定性是指受噪声的功率不确定性影响的程度，本发明中，从判决门限的计算可以看出，判决门限的设定与噪声功率没有关系，因此也基本不受噪声功率不确定性的影响，稳定性很好。

更进一步地，在试验中，本发明在500个采样点，虚警概率为1%信噪比为-7dB条件下可以达到99%的检测效率。

通过采用本发明所公开一种基于相位邻差的频谱检测方法，首先推导噪声相位邻差与主用户信号存在时的相位邻差的分布，并将邻近相位邻差累加量ψ_sum；设定为检验统计量，然后根据中心极限定理，推导噪声邻近信号相位差的分布，并据此推出虚警概率的表达式，根据此表达式按要求的虚警概率计算判决门限，最后比较|ψ_sum-Nπ|与判决门限，其中N为邻近信号相位差累加的个数，若大于判决门限则认为主用户信号存在，否则认为主用户信号不存在。此方法在检测精度，计算复杂度和稳定性方面都有着良好的提高。本发明还公开了一种基于相位邻差的频谱检测装置。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (2)

1.一种基于相位邻差的频谱检测方法，其特征在于，包括具体以下步骤：

S1：根据确定采样码片的长度N+1和检测要求的虚警概率P_f，计算判决门限

S2：对目标频段的信号进行IQ数据采样，并计算所述采样码片的相位邻差累加量ψ_sum；

S3：根据获得的N+1个所述采样码片的所述相位邻差累加量ψ_sum和所述判决门限判定主用户信号是否存在；

步骤S1进一步包括：

S11:根据检测时长和采样速率确定所述采样码片的所述长度N+1和检测要求的所述虚警概率P_f；

S12：根据所述采样码片的所述长度N+1和所述虚警概率P_f计算所述判决门限即其中，erfc^-1为余补误差函数 $erfc\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_x^{\mathrm{\&infin;}}{e}^{-{\mathrm{\&eta;}}^2}d\mathrm{\&eta;}$ 的反函数；

步骤S2进一步包括：

S21：对所述目标频段的信号r(n)进行IQ数据采样，采样长度为N+1；其中，采样所得的I路数据r(n)的实部定义为r_I，Q路数据r(n)的虚部定义为r_Q；

S22：根据采样数据按照下式计算N+1个采样码片的相位θ_n；

${\mathrm{\&theta;}}_n=\left\{\begin{array}{cc}arctan\left(\frac{r_Q}{r_I}\right)\mathrm{mod}2\mathrm{\&pi;}& (r_I\&GreaterEqual;0)\\ \left(arctan\right(\frac{r_Q}{r_I})+\mathrm{\&pi;})\mathrm{mod}2\mathrm{\&pi;}& (r_I<0)\end{array}\right.;$

其中，(·)mod2π是为了保证计算的相位在[0,2π]的区间内；

S23：根据计算的所述采样码片的所述相位，按照下式计算信号的相位邻差ψ_n＝(θ_n+1-θ_n)mod2π；

S24：计算邻近信号的所述相位差累加量

步骤S3进一步包括：

S31：计算邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ的绝对值，即|ψ_sum-Nπ|；

S32：比较所述邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ的绝对值与所述判决门限Th_|的数值大小；

S33：若所述邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ的绝对值大于所述判决门限判定主用户信号存在；否则判定所述主用户信号不存在。

2.一种基于相位邻差的频谱检测装置，其特征在于，包括：

门限设定模块，用于根据确定采样码片的长度N+1和检测要求的虚警概率P_f，计算判决门限

邻近相位差累加量计算模块，用于对目标频段的信号进行IQ数据采样，并计算所述采样码片的相位邻差累加量ψ_sum；

判决模块，用于根据获得的N+1个所述采样码片的所述相位邻差累加量ψ_sum和所述判决门限判定主用户信号是否存在；

所述门限设定模块进一步用于：

根据检测时长和采样速率确定所述采样码片的所述长度N+1和检测要求的所述虚警概率P_f；

根据所述采样码片的所述长度N+1和所述虚警概率P_f计算所述判决门限即其中，erfc^-1为余补误差函数 $erfc\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_x^{\mathrm{\&infin;}}{e}^{-{\mathrm{\&eta;}}^2}d\mathrm{\&eta;}$ 的反函数；

所述邻近相位差累加量计算模块进一步用于：

对所述目标频段的信号r(n)进行IQ数据采样，采样长度为N+1；其中，采样所得的I路数据r(n)的实部定义为r_I，Q路数据r(n)的虚部定义为r_Q；

根据采样数据按照下式计算N+1个采样码片的相位θ_n；

${\mathrm{\&theta;}}_n=\left\{\begin{array}{cc}arctan\left(\frac{r_Q}{r_I}\right)\mathrm{mod}2\mathrm{\&pi;}& (r_I\&GreaterEqual;0)\\ \left(arctan\right(\frac{r_Q}{r_I})+\mathrm{\&pi;})\mathrm{mod}2\mathrm{\&pi;}& (r_I<0)\end{array}\right.;$

其中，(·)mod2π是为了保证计算的相位在[0,2π]的区间内；

根据计算的所述采样码片的所述相位，按照下式计算信号的相位邻差ψ_n＝(θ_n+1-θ_n)mod2π；

计算邻近信号的所述相位差累加量

所述判决模块进一步用于：

计算邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ的绝对值，即|ψ_sum-Nπ|；

比较所述邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ的绝对值与所述判决门限的数值大小；

若所述邻近相位差累加量ψ_sum与Nπ的绝对值大于所述判决门限判定主用户信号存在；否则判定所述主用户信号不存在。