CN104509056B - 在多路复用频带中搜索有用信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在具有频谱宽度大于ΔB的多路复用频带中搜索具有预定频谱宽度ΔB的有用信号的存在的方法(50)，所述方法包括步骤：(51)计算在所述多路复用频带中的功率频谱密度的频率信号表示，(54)通过适合消除具有频谱宽度等于或小于ΔB的信号的全部或部分的滤波器滤波频率信号，计算非有用信号，(56)计算频率信号与非有用信号的比率的功率比率信号表示，以及(57)比较功率比率信号与预定义阈值。本发明还涉及包括这种接收器单元的数字远程通信系统(10)的计算机程序产品、接收单元和站点(30)。

Description

在多路复用频带中搜索有用信号的方法

背景

本发明属于数字通信领域，且更具体地涉及在具有频谱宽度大于ΔB的共享的频带中，搜索预定义频谱宽度ΔB的有用信号的存在。

技术现状

在数字通信系统中，已知的是使用相同的频带，称为“多路复用频带”，用于从终端到站点的有用信号的传输。

一般地，有用信号具有相同的频谱宽度，且所述频谱宽度是该站点预先已知的。在某些情况下，也可能具有多个全部是该站预先已知的可能的频谱宽度。

另外，可在其周围传输有用信号的中心频率，在最一般的情况下，也预先确定且是站点预先已知的。从而，搜索在多路复用频带中传输的有用信号的存在，可限制为在每个可能的中心频率的功率检测。

然而，存在其中有用信号的中心传输频率事先不知道的情况。

例如，发布的专利号为WO 2011/154466的国际PCT申请，描述了一种窄带数字通信系统，其中有用信号的频谱宽度ΔB在从几赫兹到几百赫兹的范围内。

此外，为了确保强制统计频分多址(FSFDMA)，所述有用信号的频移大于频谱宽度ΔB。

因此，可理解的是，在这种情况下，不可能预先知道有用信号在其周围可由数字通信系统站接收的中心频率。因此，在整个多路复用频带中搜索有用信号的存在应被执行，且应相应地伴随搜索中心频率(如果其沿时间变化，至少最初这样做)，其中有用信号可在其周围由站点接收。

特别是在如果多路复用频带显著大于有用信号的频谱宽度ΔB的情况下，这种连接的存在和中心频率的搜索实现起来是复杂的。

概述

本发明的目的是克服现有技术解决方案的所有或部分的局限性，特别是那些本文以上所讨论的局限性，通过提供一种解决方案，其使得以简单而稳定的方式搜索有用信号的存在成为可能，该有用信号具有在多路复用频带中事先不知道的中心频率。

此外，本发明还旨在提供一种解决方案，其使得至少在某些实施方案中，仅检测能够无错解码的有用信号。

为了这个目的，且根据第一方面，本发明涉及在总体信号中寻找有用信号存在的方法，所述有用信号对应于具有由在多路复用频带中的终端传输的、具有预定频谱宽度ΔB的无线电信号，该多路复用频带具有大于ΔB的频谱宽度，总体信号对应于接收到的在多路复用频带中的所有无线电信号。搜索方法包括以下步骤：

-计算表示以多路复用频带的基本频率采样的总体信号的功率频谱密度的频率信号，

-计算称为“非有用信号”的信号，通过由滤波器滤波频率信号，该方法能够主要抑制在所述频率信号中具有等于或小于ΔB的频谱宽度的所有信号或部分信号，

-计算称为“功率比率信号”的信号，其表示在每个基本频率上的频率信号与非有用信号的比率。

-比较功率比率信号与预定阈值，对于所述功率比率信号具有大于所述阈值的局部最大值的基本频率，被认为是存在于总体信号中的有用信号的中心频率。

这样的搜索方法是相对容易实现的，因为在获得频率信号之后其需要很少的操作。特别是，用来计算非有用信号的滤波器可以是简单的有限脉冲响应滤波器。

还应当指出的是，用来计算非有用信号的滤波器是频率滤波器，也就是说，其在频率域中执行对应于不同的基本频率的频率信号的不同样本的线性组合。

因此，该频率滤波器的应用没有引入对应于卷积的必要计算时间的其它延迟，且只引入了可容易地得到补偿的频移。因此，该搜索方法，通过使用频率滤波器，使得能够快速地检测出在总体信号中有用信号，而使用适用于获得的用于不同连续时间的样本的时间滤波器将必然引入取决所述时间滤波器的阶数的延迟。

这样的搜索方法从其开始使用起也是鲁棒的，以确定有用信号是否存在于总体信号中，功率比率信号是有用信号将在每个基本频率具有的信号-噪声/干扰比率的表示。

事实上，非有用信号是表示在每个基本频率上的、事先抑制了在该基本频率接收的、频谱宽度等于或小于ΔB的信号(且因此可能存在于总体信号中的所有有用信号)的功率。

频率信号是表示在每个基本频率，在该基本频率上接收的、对应于在该基本频率上的非有用信号的功率的功率，其中所述非有用信号的功率可与存于该基本频率上的有用信号的功率累积。

在具体的实施方式中，搜索方法包括一个或多个以下特点，采用单独或根据所有技术上可能的组合。

在一个具体的实施方案中，其中基本频率由小于ΔB的采样间隔Δb分隔，该方法包括：通过在基本频率上利用滑动窗口平均频率信号，计算称为“平均信号”的信号的步骤，该滑动窗口具有基本上等于ΔB的宽度。在这种情况下，非有用信号通过滤波平均信号计算，且功率比率信号在每个基本频率被作为平均信号与非有用信号的比率的表示来计算。

由于该平均，在每个实质上频谱宽度ΔB的频段中，功率集中在基本上位于基本上带宽ΔB的频带的中心的基本频率周围。从而，改进了有用信号的检测，特别是由于这一事实，即在有用信号存在时，平均的信号将在最接近所述有用信号的实际中心频率的基本频率的水平具有局部最大值，而这在频率信号中不一定成立。

此外，考虑采样间隔Δb比ΔB小得多(例如，小于ΔB/4)是有利的，特别是提高了有用信号的中心频率的准确性。因为随后有用信号的功率分布在频率信号的多个相邻样本，则功率集中是更有利的。

在一个具体的实施方案中，阈值被预先确定为在其之上具有低于5％(优选低于1％)的错误解码有用信号的概率的功率比率信号的值。

“错误解码有用信号的概率”是指，在物理层的级别，在符号(BPSK、DBPSK、QPSK、16QAM等)的解调制后且如果通过已经传输有用信号的终端已经执行信道编码则还在信道解码之后获得的比特中有至少一个错误比特的概率。

用于功率比率信号的这种阈值的选择是特别有利的，其中其使限制能够以高概率无差错解码有用信号的检测成为可能。这样的阈值的选择是可能的，因为功率比率信号是有用信号将在每个基本频率具有的信号-噪声/干扰比率的表示的事实，使得适合的阈值可例如通过仿真预先定义。

应当注意的是，这种错误解码有用信号的低概率的标准，与检测的高概率的标准非常不同。事实上，在这个具体的实施方案中，仅其中其几乎确保具有无错解码的有用信号才被检测。因此，如果错误解码有用信号概率太高，有用信号将不被检测，从而检测概率可以是低的。

优选地，这样的实施方案针对数字通信系统，其可容忍低性能的检测概率，例如由于相同的有用信号由每个终端多次重发的事实。

作为相对的方面，这种搜索方法能够优化旨在解码有用信号的站点的计算能力的使用，这是由于所述计算能力主要用于足够强到可以被解码的有用信号的处理。

根据第二方面，本发明涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括程序代码指令集，当它们由一个或多个处理器执行时，根据本发明实现在总体信号中搜索有用信号的存在的方法。

根据第三个方面，本发明涉及一种单元，其用于接收对应于预定义频谱宽度ΔB的无线电信号的有用信号，该信号由具有大于ΔB的频谱宽度的多路复用频带中的终端传输，所述接收器单元包括被配置用于根据本发明的方法搜索在多路复用频带中有用信号存在的装置。

根据第四方面，本发明涉及数字通信系统的站点，包括根据本发明的接收器单元。

附图描述

在阅读下面的描述中作为非限制性的实例，本发明将更好地理解，相关附图示出为：

-图1：数字通信系统的简化表示，

-图2：示出了有用信号搜索方法的主要步骤的图，

-图3a至3d：在图2的搜索方法步骤的输出得到的频率信号的实例。

在这些图中，从一个附图到另一个中相同的引用，指示相同或相似的元件。为清楚起见，所示元件并不按比例绘制，除非另外提及。

实施方案的详细讨论

图1非常示意性地示出了通信系统10，其包括多个终端20和一个站点30。

在本发明的上下文中，“站点”通常是指任何能够接收无线电信号的接收器设备。站点30是任何终端20的实例，或特定设备，诸如有线或无线通信网络的接入点，集中由每个所述终端20传输的数据。

“无线电信号”是指经由无线方式传播的电磁波，具有在无线电波的常规频谱(从几赫兹到几百千兆赫)中的频率或在相邻频带中的频率。

应当指出的是，主要考虑从终端20到站点30的数据传输的情况。从站点30到终端20的数据的可能传输不包括在本发明的范围内。

终端20以共享频带传输有用信号到站点30，该频带被称为“多路复用频带”，具有频谱宽度ΔM。

由终端20传输的有用信号具有小于ΔM的预定频谱宽度ΔB。优选地，多路复用频带的频谱宽度ΔM显著大于有用信号的频谱宽度ΔB，能够多路复用大量终端20。例如，频谱宽度ΔM大于频谱宽度ΔB至少一百倍。

频谱宽度ΔB和ΔM均被站点30预先已知。然而，终端20围绕其传输有用信号的中心频率不必由站点30预先已知。例如，如前面所指出的，当在有用信号的频移大于所述有用信号的频谱宽度ΔB时，这是成立的(参见国际申请WO 2011/154466)。

以下描述中认为，没有这种限制，数字通信系统，诸如在国际申请WO 2011/154466中描述的，其中有用信号具有窄频带(频谱宽度ΔB的范围从几赫兹到几百赫兹)且所述有用信号的频移大于频谱宽度ΔB。

还应当指出的是，有用信号的频谱宽度ΔB对应于所述有用信号的瞬时频谱宽度。确实应该理解的是，特别是由于所述有用信号的频移的情况下，随着时间推移由有用信号连续采用的频率应该对应于具有宽度大于ΔB的频带。

相应地，站点30应搜索在整个多路复用频带中的有用信号的存在，与搜索在所述多路复用频带中存在的有用信号的中心频率结合。

为了这个目的，站点30特别地包括能够接收与所有在多路复用频带中接收到的无线电信号对应的总体信号的接收器单元。

该接收器单元包括模拟接收器模块和数字接收器模块。

模拟接收器模块包括视为本领域技术人员已知的一组装置(天线、模拟滤波器、放大器、本地振荡器、混频器等)，其能够改变总体信号的频率。

模拟接收器单元输出模拟信号，该信号与围绕低于多路复用频带中心频率的中间频移的总体信号对应，且其可以是零(在这种情况下，相应的以已知的方式，提供两路模拟信号到在同相I和正交Q的路径)。

以已知的方式，该数字接收器模块包括一个或多个模拟-数字转换器(A/D)，其能够以预定的采样周期采样由模拟接收器模块传送的模拟信号，以获得表示该模拟信号的数字信号St。

该数字接收器模块还包括用于处理A/D转换器输出的数字信号的单元。基于数字信号，该处理单元特别地执行在总体信号中搜索有用信号的存在的方法50的步骤，这些将在下面进一步详细描述。

例如，处理单元包括处理器和具有其中存储计算机程序产品的电子存储器，以一组程序代码指令的形式，当其由处理器执行时，根据本发明实现搜索有用信号的存在的方法50的所有步骤或部分步骤。在一个变型中，处理单元包括可编程逻辑电路、FPGA、PLD等类型和/或专用集成电路(ASIC)，能够实现所述搜索方法50的所有步骤或部分步骤。

图2示出了在多路复用频带中搜索由终端20传输的有用信号存在的方法50的主要步骤，其是：

-51计算频率信号Sf，

-54计算称为“非有用信号”的信号Snu，

-56计算称为“功率比率信号”的信号Srp，

-57比较功率比率信号Srp与预定义的阈值。

在图2中示出的实施方式中，除了上述主要步骤之外，搜索方法50还包括将在下文中描述的任选的步骤。

在计算步骤51中计算的频率信号Sf是总体信号的功率频谱密度的表示，以下所述功率频谱密度被称为“PSD”。

更具体地，频率信号Sf由表示以多路复用频带中规律分布的基本频率fn(0≤n≤N-1)在总体信号的功率频谱密度PSD采样的N个值的样本Sf(n)(0≤n≤N-1)组成，其中多路复用频带具有采样间隔Δb假定使得N·Δb＝ΔM。换句话说：

-Sf＝{Sf(n)，其中0≤n≤N-1},

-Sf(n)～PSD(fn)，"～"意思是"表示",

-fn＝f0+n·Δb，其中0≤n≤N-1。

为了准确地估算存在于总体信号中的可能的有用信号的中心频率，采样间隔Δb还被选择为小于有用信号的频谱宽度ΔB。在优选的实施方案中，采样间隔Δb比频谱宽度ΔB小得多，例如小于ΔB/4。

图2示出了计算频率信号Sf的步骤51的特定实施方案。在该实施方案中，计算频率信号Sf的步骤51包括子步骤：

-510计算数字信号St的快速傅里叶变换(FFT)，其中St是定义在时域的信号，

-在每个基本频率，511计算的频率信号Sf作为快速傅立叶变换的结果的模值。

已知数字信号St(总体信号的表示)的功率频谱密度，在每个基本频率，通过计算快速傅立叶变换的结果的模值的平方获得。因此，频率信号Sf由下面的表达式被链接到总体信号的功率频谱密度PSD：

图3a以对数刻度示出了搬移到基带的总体信号的功率频谱密度PSD的实例。换句话说，图3a示出了对于分布在频率间隔[-ΔM/2；ΔM/2]的基本频率的函数20·log(Sf(n))的变化。

应当注意的是，在图3a中，功率频谱密度PSD包括集中在零频率的谱线，其对应于不希望的DC分量，在所述图3a中称为“DC”。零频率通常是非常大的干扰(disturbed)，其确实是被由本领域技术人员所知的，由此在搜索有用信号的存在中其通常被忽略，这是由于下面的事实：

-不需要的DC分量风险导致错误的检测(即，错误地认为中心位于零频率的有用信号是存在的)，

-即使有用信号将出现且位于零频率，对其无错误解码的概率也是低的。

在图2中示出的实施方式中，搜索方法50包括计算称为“平均信号”的信号Sm的步骤52。在步骤52中计算出的平均信号Sm是使用在基本频率fn(0≤N≤N-1)上的滑动窗口的对频率信号Sf进行平均获得的，所述滑动窗口具有基本上等于有用信号的频谱宽度ΔB的宽度。

频率信号Sf的这种平均的目的是集中功率，在每个基本上具有频谱宽度ΔB的频带中，基本上围绕位于频谱宽度ΔB基本上的频带的中心的基本频率。从而，在有用信号存在时，平均信号Sm应该理论上包括在最接近于所述有用信号的实际中心频率的基本频率的水平的局部极大值，而这在频率信号Sf中不一定成立。

因此，平均信号Sm表示在每个基本频率上以该基本频率为中心的频谱宽度ΔB的频带中接收的全部功率，其对应于在该频带中的非有用信号的功率，可能与存在于该频带中的有用信号的功率累积。

例如，计算平均信号Sm的步骤52包括计算下列表达式：

其中

-h＝{h(m),其中–M/2≤m≤M/2}是用于平均的滑动窗口，M是偶数，

-Sf(n+m)＝Sf(n+m)如果0≤n+m≤N-1

-Sf(n+m)＝0如果n+m<0或如果n+m>N-1。

具有频谱宽度基本上等于频谱宽度ΔB的平均窗口，例如M被选择以使得(M-2)·Δb≤ΔB≤(M+2)·Δb。

在具体的实施方案中，使用的滑动窗口是简单的矩形窗口。换句话说,h(m)＝1/(M+1)其中–M/2≤m≤M/2。根据其它实例，不排除考虑可能表示加权平均的其它类型的滑动窗口。

在图2所示的具体实施方案中，搜索方法50包括步骤53，在平均信号Sm被转换为对数刻度期间，通过如下计算信号Slog：

Slog(n)＝20·log(Sm(n)),其中0≤n≤N-1

转换到对数刻度是有利的，使更简单地计算功率比率信号Srp成为可能。

图3b示出了从图3a中所示的信号获得的信号Slog。如图3b中所示，通过围绕其中心频率的有用信号的功率的集中，且还通过存在于频率信号Sf的噪声的功率频谱密度的波动的降低，该平均示出了能够对应于有用信号的局部最大值R1、R2、R3。

在图2所示的一个具体的实施方案中，信号Slog源自平均信号Sm，且然后总体信号的功率频谱密度DSP的表示传送到两个不同的处理分支：

-第一分支，其中非有用信号Snu根据信号Slog计算(计算步骤54)，

-第二分支，其中称为“搬移信号”Sd的信号根据信号Slog计算。

在第一分支中，非有用信号Snu，通过能够抑制具有频谱宽度等于或小于ΔB的所有信号或部分信号的滤波器装置，由信号Slog的滤波来计算。

因此，计算非有用信号Snu的步骤54执行多路复用频带中的信号Slog的频率变化的低通滤波。实际上，信号Slog的“快”变化，其对应于占据窄频带的信号，将比信号Slog的“慢”频率变化更多的衰减，其对应于占据宽频带的信号。

与占用频带大于ΔB的信号进行比较，计算非有用信号Snu的步骤54期间使用的滤波器能够强烈衰减占据等于或小于ΔB的频带的信号。这种滤波器的设计被认为是在本领域技术人员的能力范围内。

由于具有上述特性的滤波器的使用，应该理解的是，在获得的非有用信号Snu中：

-可能存在于总体信号中(且因此在信号Slog中)的有用信号将被强烈地衰减，

-在整个多路复用频带中基本上恒定频谱密度的噪声，将被轻微衰减。

因此，在每个基本频率，信号Slog的滤波使得获得在以该基本频率为中心的频谱宽度ΔB中接收的功率的非有用信号Snu的表示成为可能，频谱宽度等于或小于ΔB的信号(且相应地全部有用信号可能存在于总体信号中)已预先抑制。非有用信号Snu因此是存在于多路复用频带中的噪声/干扰的表示。

因此，信号Slog的滤波提供了非有用信号Snu，其中有用信号已被基本上抑制。

图3c示出了从在图3b所示的信号Slog中获得的非有用信号Snu。可观察到的是，由于滤波，局部最大值R1、R2和R3已经强烈地衰减，而在多路复用频带中的信号Slog的平均强度被轻微地衰减。

在第二分支中，搜索方法50包括步骤55，在步骤55中，源自平均信号的信号Slog被频移，以获得其频率与非有用信号Snu重新对齐的搬移信号Sd。

事实上，以已知的方式，非有用信号Snu展示频移，其由频率滤波引入且其取决于所实现的频率滤波器的阶数。由被认为是本领域技术人员的能力范围内的操作，以简单的方式执行所引入的频移和其补偿的确定。

然后，有用信号搜索方法50包括计算功率比率信号Srp的步骤56，在每个基本频率，所述功率比率信号是获得用于该基本频率的平均信号Sm与获得用于该基本频率的非有用信号Snu的比率的表示。

在图2所示的实例中，功率比率信号Srp根据非有用信号的Snu和搬移信号Sd计算，后者基本上对应于平均信号Sm。

由于非有用信号Snu和搬移信号Sd都使用对数刻度的事实，在每个基本频率，功率比率信号Srp通过简单的搬移信号Sd减去非有用信号Snu计算：

Srp(n)＝Sd(n)–Snu(n)，其中0≤n≤N-1

图3d示出了根据在图3b和3c中示出的信号获得的功率比率信号Srp。

然后，有用信号搜索方法50包括比较功率比信号Srp与预定阈值Vmin的步骤57。在该步骤中，所述功率比率信号Srp具有比所述阈值Vmin大的局部最大值的基本频率被认为是存在于总体信号中的有用信号的中心频率。

在图3d所示的实例中(其中不需要的DC分量已被忽略)，所考虑的阈值Vmin基本上等于8分贝(dB)，且其可观察到三个局部最大值R1、R2和R3全部大于所述阈值Vmin。因此，这三个局部最大值R1、R2和R3被视为对应于有用信号，且这些局部最大值已经获得的基本频率被认为是这些有用信号的相应的中心频率。

在优选的实施方案中，阈值Vmin被预先确定为功率比率信号Srp的值，在该值之上，错误解码检测到的有用信号的概率低于5％(优选低于1％)。

这种阈值Vmin的选择是有利的，因为其使优化站点30的计算能力的使用成为可能，这是由于所述计算能力主要用于处理足够大的能被解码的有用信号。

更一般地，本发明的范围并不限于以上描述的作为非限制性实例的实施方案。

特别地，根据其它实例，不排除具有到在搜索方法50的不同位置执行的对数刻度的转换的步骤53，例如，就在计算功率比率信号Srp的步骤56之前不久，一方面在非有用信号Snu上执行，且在另一方面，在搬移信号Sd上执行。

另外，在上述的实例中，检索方法50包括采取作为输入的信号Slog的两个处理分支。然而，这两个处理分支可能采取其它的信号作为输入。根据非限制性的实例，两个分支可采取频率信号Sf作为输入。在这种情况下，第一分支(获得非有用信号Snu)可执行步骤52的平均和步骤54的滤波，以及可能执行到对数刻度的转换。然后，第二分支执行步骤52的平均和可能执行到对数刻度的转换。因此，在本实例中，每个处理分支包括步骤52的平均。在第一分支中，步骤52的平均和步骤54的滤波还可使用单个滤波器共同执行。

Claims (8)

1.一种在总体信号中搜索有用信号的存在的方法(50)，所述有用信号对应于具有预先定义的频谱宽度ΔB、由终端在多路复用频带中传输的无线电信号，所述多路复用频带具有大于ΔB的频谱宽度，所述总体信号对应于在所述多路复用频带中接收的全部无线电信号，其特征在于所述方法包括以下步骤：

-(51)计算频率信号，该频率信号表示以所述多路复用频带的基本频率采样的所述总体信号的功率频谱密度，

-(54)通过能够抑制频谱宽度等于或小于ΔB的全部或部分信号的滤波器，对所述频率信号滤波，计算称为“非有用信号”的信号，

-(56)计算称为“功率比率信号”的信号，其为所述频率信号在每个基本频率上与所述非有用信号的比率的表示，

-(57)比较所述功率比率信号和预定义阈值，其中所述功率比率信号具有比所述阈值更大的局部最大值的基本频率被认为是存在于所述总体信号中的有用信号的中心频率。

2.根据权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，所述基本频率由小于ΔB的采样间隔Δb分隔，所述方法包括通过使用滑动窗口在所述基本频率上平均所述频率信号，计算称为“平均信号”的信号的步骤(52)，所述滑动窗口具有基本上等于ΔB的宽度，且：

-所述非有用信号由对所述平均信号进行滤波来计算，

-所述功率比率信号被计算作为在每个基本频率上的所述平均信号与所述非有用信号的比率的表示。

3.根据权利要求2所述的方法(50)，其特征在于，计算所述平均信号的所述步骤(52)的过程中考虑的所述滑动窗口是矩形窗口。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法(50)，其特征在于，所述阈值被预先确定为在其之上错误解码有用信号的概率低于5％的所述功率比率信号的值。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法(50)，其特征在于，所述阈值被预先确定为在其之上错误解码有用信号的概率低于1％的所述功率比率信号的值。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法(50)，其特征在于，所述基本频率由小于ΔB/4的采样间隔Δb分隔。

7.一种用于接收有用信号的接收单元，所述有用信号对应于预定义频谱宽度ΔB的无线电信号，其由终端在具有大于ΔB的频带宽度的多路复用频带中传输，其特征在于，所述接收单元包括被配置为根据权利要求1至6中的任一项所述的方法(50)在所述多路复用频带中搜索有用信号的存在的装置。

8.一种数字远程通信系统(10)的站点(30)，其特征在于，包括如权利要求7所述的接收单元。