CN104901754B - 一种基于信道化频谱感知的信道监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道化频谱感知的信道监测系统，包含高速ADC采样模块、信道化结构、均匀化迭代能量检测模块；所述高速ADC采样模块用于进行AD抽样并模数转换，获得数字复基带信号。所述信道化结构用于确定AD采样频率并将采样频率反馈给高速ADC采样模块；还用于通过多相滤波技术，采用传统傅里叶域低通原型滤波器将信道划分为D个信道化分支，并将数字复基带信号的每一个待监测频道信息送入对应的信道化分支进行监测输出。所述均匀化迭代能量检测模块用于根据均匀化迭代能量检测算法对信道化结构输出结果进行能量检测，实现对每个信道化分支的噪声功率值估计。本发明实现简单、对硬件设施要求低、信道监测可靠性高、鲁棒性好。

Description

一种基于信道化频谱感知的信道监测系统

技术领域

本发明涉及航空无线通信技术领域，尤其涉及无线通信中的信道监测技术，是一种基于频谱感知配合数字信道化结构方式的信道监测系统。

技术背景

在无线通信中，信道监测技术是该领域的关键技术之一，信道质量的好坏是信息能否可靠传输的关键。

为了应对复杂的电磁环境，视距机载链路数据终端设计了多个可用频道。高灵敏度宽带射频接收机容易受到有意或无意的频段压制干扰，在此情况下会出现射频接收机灵敏度大幅度降低的问题。基于频谱感知技术设计的信道监测设备能够感知周围的频谱环境，通过对接收机所处电磁频谱环境实时监测，找到“干净”的工作频段作为测控链路工作频道选择的依据。据信道检测模块对所有可用信道特性的估计值，主动避开或切换掉被干扰的频率，选择质量较好的工作频率，在无干扰或弱干扰的频点上完成通信。有效的抑制人为干扰和自然干扰。

信道监测模块的核心是获取时变的信道状态信息，其方法是通过跟踪和测量可用信道内的噪声功率值来达到信道质量估计。

信道监测分为模拟监测和数字监测，模拟监测采用窄带滤波配合通道功率检测在模拟域实现，需针对每一个待监测信道配备对应的窄带滤波器和功率检波器等设备，硬件设计复杂且成本较大；数字监测通过对射频信号下变频后进行采样，将其转换为数字信号，在数字域实现对各频道的性能估计，其优点是硬件设计简单，但利用高速AD采集下来的数据必须进行实时处理，否则数据容易丢失，这对后面FPGA或DSP等器件性能要求较高。

发明内容

为了简化信道监测设备硬件电路设计复杂度，降低数字监测方法对FPGA、DSP等器件性能的高要求，本发明的发明目的在于提供一种基于信道化频谱感知的信道监测系统，采用基于多相滤波设计数字信道化实现结构，配合采样频率选择及信道划分个数优选设计，可将每一个待监测频道一一对应到与之匹配的信道化分支，实现对所有可用信道的实时监测；利用基于频谱感知的均匀化迭代能量检测方法，对经过信道化后的信道进行能量检测，算法实现简单，而且准确度高，可靠性好；基于软件无线电，采用块处理思想，通过数字信号处理，可以根据实际需求实现对不同通信系统灵活配置。此信道监测方法实现简单、对硬件设施要求低、信道监测可靠性高、鲁棒性好，适用于各种体制的通信系统。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于信道化频谱感知的信道监测系统，包含依次连接的高速ADC采样模块、信道化结构、均匀化迭代能量检测模块；

所述高速ADC采样模块用于根据信道化结构反馈的采样频率F_S对经过射频前端下变频的信号进行AD抽样并模数转换，获得数字复基带信号；

所述信道化结构用于根据频道个数H、频道间隔ΔF进行分析，确定AD采样频率F_S并将采样频率F_S反馈给高速ADC采样模块；还用于通过多相滤波技术，采用传统傅里叶域低通原型滤波器h₀(n)将信道划分为D个信道化分支，并将数字复基带信号的每一个待监测频道信息送入对应的信道化分支进行监测输出；其中信道化分支个数D由频道个数H确定；

所述均匀化迭代能量检测模块用于根据均匀化迭代能量检测算法对信道化结构输出结果进行能量检测，实现对每个信道化分支的噪声功率值估计。

依据上述特征，所述采样频率F_S为：F_S＝D·ΔF，

其中ΔF为频道间隔。

依据上述特征，所述低通原型滤波器h₀(n)的多相分支滤波器的系数为：

h_p(m)＝h₀(mD+p)，

其中，p＝0,1,2…D-1，D为信道个数。

依据上述特征，所述低通原型滤波器h₀(n)的抽取因子M等于信道个数D，M为2的幂次方。

依据上述特征，所述数字复基带信号S(n)经过信道化结构后第k路的信道输出为：

其中，S_p(m)＝S(mD-p)，p＝0,1,2···D-1。

依据上述特征，所述低通原型滤波器h₀(n)的每个多相分支滤波器的阶数大于等于8，当信道化个数D小于等于32时，低通原型滤波器的阶数统一为255阶，当信道化个数D大于32时，低通原型滤波器的阶数为D*8-1阶。

依据上述特征，所述均匀化迭代能量检测模块通过对每个信道化输出的结果进行频谱检测，经过FFT变换后在频域对频谱进行能量累积，输出的结果即为当前被检测频道内的噪声功率值。

依据上述特征，所述均匀化迭代能量检测模块以信道化后每个通道的时间带宽积TB＝u为一固定值作为参考依据，对FFT变换后频谱能量累积点数的取值为其中，F_S为AD采样频率，ΔF为频道间隔，同时以点数长度为间隔进行三路迭代能量累积。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、实现简单，不需要复杂硬件设备和高昂的成本，工程实现复杂度底，满足机载设备小型化和高可靠性基本要求，兼顾设备功耗、可扩展性和灵活性，满足不同航空无线传输系统数据差异化需求及性能升级需求。

2、适用范围广泛，该信道监测方案适用于设计了多个可用频道且频道等间隔的无线传输系统。

3、实现性能优异，采样率选择和信道划分优选策略配合信道化高效实现结构，将每一个待监测频道与多相滤波器分支一一映射，实现所有频道同步高精度监测；同时，基于频谱感知的均匀化迭代能量检测方法，利用三路迭代检测同时对信道监测结果进行更新，提升信道监测的实时性和可靠性。

附图说明

图1为本发明一种基于信道化频谱感知的信道监测系统的结构示意图；

图2为本发明中信道化结构的结构示意图；

图3为本发明中多相滤波器组与待监测频道对应结构示意图；

图4为本发明中均匀化迭代能量检测模块的结构示意图；

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，本发明主要包括高速ADC采样模块、基于多相滤波器的信道化结构、基于频谱感知的均匀化迭代能量检测等。根据通信系统需求，通过对可用通信频道个数H、频道间隔ΔF进行分析，确定AD采样频率F_S以及信道划分个数D；用已选定的采样频率F_S对经过射频前端下变频的信号进行AD抽样并模数转换，获得数字复基带信号；将数字复基带信号通过基于多相滤波的信道化模块进行处理，使每一个待监测频道信息从对应的信道化结构分支输出；根据均匀化迭代能量检测算法对信道化输出结果进行能量检测，实现对每个信道的噪声功率值估计。具体为：

(1)高速ADC采样模块

高速ADC采样模块的作用是对经过下变频的待监测带宽内的信号进行AD抽样，获得复基带信号；将模拟信号转换为数字信号，在数字域进行后续的数字信号处理，以简单有效的方式实现对各频道的性能估计。

ADC采样频率过高会给系统实时处理带来较大压力，采样率过低会丢失掉一些必要的监测信息，使后续信道监测结果可靠性降低。因此，对应不同的通信系统需根据实际情况选择合适的采样频率，以达到监测性能和信号处理压力的平衡，采样频率由信道化结构提供。

(2)基于多相滤波器的信道化结构

本部分主要完成二方面内容，一是采样频率选择，二是信道划分优选。AD采样频率和信道划分个数的选择是整个信道监测系统实现性能的关键。

本方案中，基于多相滤波的信道化采用复信道划分结构，抽取因子M等于信道个数D，M一般为2的幂次方。

对于一个已知的无线通信系统，频道设计个数H、频道间隔ΔF已确定，可根据此参数选定合适的采样频率F_S和信道划分个数D。

以UHF波段视距链路传输系统为例，可用频道设计为H＝11个，频道中心频率从500MHz-550MHz，频道频率间隔步进ΔF＝5MHz；射频信号在进入AD采样之前先进行500MHz下变频，信号频率变为0MHz-50MHz；由信道化设计下抽取因子M一般为2的幂次方，因此选定信道划分个数D＝M＝16；信道化结构传统傅里叶域低通原型滤波器h₀(n)带宽设定为B₀＝ΔF＝5MHz，其3dB截止频率为fc＝π/D＝2.5MHz；AD采样频率F_S＝D·ΔF＝80MHz。

由以上选定的采样频率F_S以及信道划分个数D设计出的信道化结构可将11个可用频道对应到1-11个信道化分支进行监测，同时每个频道的中心频率正好落在对应多相滤波器分支的通带中心，消除了各频道监测环境条件的差异性，实现结构如图3所示。

基于多相滤波的数字信道化高效实现结构：

数字信道化将信道化结构在数字域实现，具有灵活、低设备量、低成本的特点。

设h_p(m)＝h₀(mD+p)是低通滤波器h₀(n)的多相分支滤波器的系数，其中，p＝0,1,2…D-1，D为信道个数。

信号S(n)经过信道化结构后第k路的信道输出

其中，S_p(m)＝S(mD-p)，p＝0,1,2…D-1。其信道化实现结构图如图2所示。

对于信道化结构传统傅里叶域低通原型滤波器h₀(n)的设计，为保证系统信道监测性能，同时兼顾系统运算复杂度，要求每个多相分支滤波器需要大于等于8阶，当信道数小于等于32时，滤波器阶数统一设计为255阶，当道数大于32时，滤波器阶数设计为D*8-1阶。

在此模块的设计中，主要有以下几个特点：

1、根据通信系统实际需求，通过对AD采样频率和信道划分个数的择优选择，以达到信道化的高效实现结构，在极大地降低系统运算复杂度的同时提升信道监测的实时性；

2、通过对信道化结构传统傅里叶域低通原型滤波器h₀(n)的合理设计，实现每一个待监测频道的中心频率正好落在对应多相滤波器分支的通带中心，消除监测条件差异性，获得更高的信道监测可靠度。

3、通过灵活改变信道化结构传统傅里叶域低通原型滤波器h₀(n)的阶数设计，以保证系统信道监测性能的同时兼顾降低系统运算复杂度”。

(3)基于频谱感知的均匀化迭代能量检测模块

能量检测是一种对匹配滤波器做简化的非相关检测手段。这种检测算法简单可行，它对信号形式没有任何要求，也不必像匹配滤波器那样，必须知道信号的先验信息，因此，在信道监测中用于对噪声功率的检测非常适合。

基于频谱感知的能量检测算法通过对每个信道化输出的结果进行频谱检测，经过FFT变换后在频域对频谱进行能量累积，输出的结果即为当前被检测频道内的噪声功率值，如果该频道出现干扰信号，能量检测输出值会出现明显增加；对各个工作频道的噪声功率值列表备选，以此为依据配合适当的自动或手动切换策略，即可实现对频段压制干扰的有效规避。

能量检测结果的有效性与FFT点数以及平均观察时间均有关系，为适应不同通信系统差异性需求以及保证监测结果的实时性和可靠性，这里以信道化后每个通道的时间带宽积TB＝u为一固定值作为参考依据，对FFT变换后频谱能量累积点数的取值为其中，F_S为AD采样频率，ΔF为频道频率间隔。同时以点数长度为间隔进行三路迭代能量累积，以达到信道监测结果实时更新速率提高三倍的效果。实现结构图如图4所示。

在此模块的设计中，主要有以下几个特点：

1、通过频谱能量累积点数的合适取值以及点数长度为间隔进行三路均匀化迭代能量检测方法，在保证监测结果可靠性的同时提高监测结果实时更新速率”的思想。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于信道化频谱感知的信道监测系统，包含依次连接的高速ADC采样模块、信道化结构、均匀化迭代能量检测模块，其特征在于：

所述高速ADC采样模块用于根据信道化结构反馈的采样频率F_S对经过射频前端下变频的信号进行AD抽样并模数转换，获得数字复基带信号；

所述信道化结构用于根据频道个数H、频道间隔ΔF进行分析，确定AD采样频率F_S为：F_S＝D·ΔF，并将采样频率F_S反馈给高速ADC采样模块；还用于通过多相滤波技术，采用传统傅里叶域低通原型滤波器h₀(n)将信道划分为D个信道化分支，并将数字复基带信号的每一个待监测频道信息送入对应的信道化分支进行监测输出；其中信道化分支个数D大于或等于频道个数H，ΔF为频道间隔；

所述均匀化迭代能量检测模块用于根据均匀化迭代能量检测算法对信道化结构输出结果进行能量检测，实现对每个信道化分支的噪声功率值估计。

2.根据权利要求1所述的信道监测系统，其特征在于所述低通原型滤波器h₀(n)的抽取因子M等于信道化分支个数D，M为2的幂次方。

3.根据权利要求1所述的信道监测系统，其特征在于所述低通原型滤波器h₀(n)的多相分支滤波器的系数为：

h_p(m)＝h₀(mD+p)，

其中，p＝0,1,2···D-1，D为信道化分支个数。

4.根据权利要求3所述的信道监测系统，其特征在于数字复基带信号S(n)经过信道化结构后第k路的信道输出为：

$y_p\left(m\right)=\frac{1}{D}\underset{p=0}{\overset{D-1}{\Σ}}\[x_p\left(m\right)\]e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{D}kp}=IDFT\left(x_p\right(m\left)\right)$

其中，S_p(m)＝S(mD-p)，p＝0,1,2···D-1。

5.根据权利要求1所述的信道监测系统，其特征在于所述低通原型滤波器h₀(n)的每个多相分支滤波器的阶数大于等于8，当信道化分支个数D小于等于32时，低通原型滤波器的阶数统一为255阶，当信道化分支个数D大于32时，低通原型滤波器的阶数为D*8-1阶。

6.根据权利要求1所述的信道监测系统，其特征在于所述均匀化迭代能量检测模块通过对每个信道化输出的结果进行频谱检测，经过FFT变换后在频域对频谱进行能量累积，输出的结果即为当前被检测频道内的噪声功率值。

7.根据权利要求6所述的信道监测系统，其特征在于所述均匀化迭代能量检测模块以信道化后每个通道的时间带宽积TB＝u为一固定值作为参考依据，对FFT变换后频谱能量累积点数的取值为其中，F_S为AD采样频率，ΔF为频道间隔，同时以点数长度为间隔进行三路迭代能量累积。