CN106027180A - 基于模拟滤波器组的快速动态宽带频谱检测方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模拟滤波器组的快速动态宽带频谱检测方案。本发明包括：设置子频带总个数N、起始检测步长b、起始检测窗口左端点k、最大步长门限b_max；检测窗口内所有子频带的能量和P_[k,k+b]是否大于相应窗口的能量门限值Th_[k,k+b],若大于，则依次检测窗口内的每一个子频带能量，并确定是否被占用，检测完之后更新检测的左窗口为k←k+b+1；若小于，更新窗口左端点为k←k+b+1,窗口步长b←2*b，在没有超过最大步长值b_max的情况下，右端点则为k+b，若超过，则为k+b_max；循环以上检测能量步骤，直到检测完N个子频带。本发明基于模拟滤波器组，造价便宜，实用性强，降低了检测成本；并根据已经检测到的频谱资源使用情况，动态调整检测步长，实现了宽带频谱的快速检测。

Description

基于模拟滤波器组的快速动态宽带频谱检测方案

技术领域

本发明涉及一种宽频带频谱检测方案，基于模拟滤波器组的快速动态宽带频谱检测有效解决频谱检测速度慢、价格高的问题，属于认知无线电领域。

背景技术

近年来随着广播通信等领域的飞速发展，频谱资源越来越稀缺，认知无线电技术便应运而生，而频谱感知是认知无线电技术的重要环节。

频谱感知大致可分为窄带频谱检测和宽带频谱检测，与窄带频谱感知相比，宽带频谱感知显然相当具有挑战性。设备价格高昂、检测速度慢、精度低等问题非常严峻。

目前，针对宽带频谱感知的技术很多是基于窄带感知，将宽带划分后，对宽带内的每一个子频带使用窄带感知的方案。在窄带信号检测中有循环平稳特征提取、匹配滤波器检测、能量检测、小波检测和统计检测等经典算法。但是这些方案需要对子频带进行逐一检测，检测时间长，整个系统的时延大大增加；还有使用宽带电路，用高速数字信号处理器(DSP)作为主要设备，但是DSP价格昂贵，功耗大且计算复杂度高；另一种压缩感知技术也可以用于宽带频谱检测，但是该技术的应用必须以得到频带的占用率这一先验信息为前提，不适合快速变化的宽带频谱，此外，压缩感知技术也需要相当的电路开销。

考虑到检测设备的成本问题，我们将目光转向模拟设备，探寻解决检测设备价格高昂、检测时间长等问题的新思路。

1.通过使用模拟滤波器组降低检测成本，同时减少设备带来的时延。最新调查发现，现成的模拟滤波器组和能量探测器的成本已经很低。例如，AD8310，一个高性能的能量探测器，成本仅4.62美元。低通滤波器的成本随过滤带宽的不同而不同，但通常小于5美元。此外，模拟硬件不影响总传感延迟，模拟滤波器的响应延迟只有约纳秒(ns)量级。

2.通过自适应动态调整检测窗口的大小进一步减少检测的时延。根据噪声谱的噪声能量设置门限，将检测到的窗口内的能量与相应的能量对比，根据结果决定采用扩大窗口步长为原来的2倍继续向下检测或者逐个检测窗口内每个子频带的能量。通过对宽带频谱资源使用情况的试探，在没有频谱占用率的先验信息的条件下，逐步优化相关参数，以达到减少检测次数，缩短感知时间的目的。

因此，本发明提出一种基于模拟滤波器组的快速动态宽带频谱检测方案，有效解决了宽带频谱检测中设备价格昂贵，检测时间长的问题。该方案利用了模拟滤波器组，设备成本低，并且将设备相应延时降低至纳秒(ns)量级；能够根据检测结果动态的调整步长，且不需要频带占用率这一先验信息，提高了检测速度；此外，该方案还可用于高频检测。

发明内容

基于以上分析，为解决宽带频谱感知中设备价格昂贵、检测时间长的问题，本发明提出了一种基于模拟滤波器组的快速动态宽带频谱检测方案，包括以下步骤：

1.用户初始化设定相关参数；

检测一段宽频带时，在逻辑上将其可划分为若干子频带。用户可以划分子频带总个数N、起始检测步长b、起始检测窗口左端点k、最大步长门限b_max；子频带总个数N可以根据频带的宽度和用户想要得到的精确度来划分，起始检测步长b可以自由设定，通常设置为1，即首先检测一个子频带的能量，起始检测窗口的左端点k为目标频带的最低频率所在子频带，最大步长门限b_max用户可以通过预估频谱的使用率来决定。

2.判断是否结束检测；

判断窗口的左端点是否超过窗口总数，如果超过，则结束检测，反之，继续进行检测。

3.确定窗口的右端点合理；

判断窗口的右端点k+b是否大于宽带的子带总数，如果右端点大于子频带总数，则将窗口又端点调整为N，反之，窗口右端保持不变；

4.检测窗口范围内的能量并和相应门限值比较；

设备可以正常工作，检测窗口内所有子频带的能量和P_[k,k+b]，并和相应的能量门限值Th_[k,k+b]比较。

5.根据比较结果自动选择不同的策略更新相关参数；

当所检测到的能量值P_[k,k+b]小于对应的门限值Th_[k,k+b]时，继续判断当前的步长b，如果b小于b_max，则更新窗口的左端点k为k←k+b+1，同时更新窗口步长b为原来的两倍，即b←2*b，然后继续进行下一个窗口能量检测判断过程，如果b大于b_max，则将b重置为初始值；

当检测到能量值大于相应的门限值，则依次检测[k,k+b]窗口范围内每一个子带的能量，即P_k、P_k+1……P_k+b，并和单个子带对应的门限比较确定窗口范围内被占用的子频带的位置，之后更新窗口左端点为k＝k+b+1，更新b为初始值。

6.使用新的参数循环步骤2-4；

在更新完窗口参数之后进入步骤2-4的新一轮循环，直到完成目标宽带内的所有N个子频带的检测，即当窗口的右端点为N时，不再进行下一轮循环。

上述方案适用于认知无线电中的宽带频谱检测检测系统。

本发明提出的基于模拟滤波器组的快速动态宽带频谱检测方案，利用了模拟设备——模拟滤波器组，同时根据所测窗口内能量值与门限值大小的比较，采用两种不同的检测策略，实现有效解决宽带频谱检测中设备成本高，检测速度慢的问题。本发明相较现有的宽带频谱检测方案主要有以下优点：

1.利用模拟滤波器组，设备成本低；

2.模拟滤波器组不影响总传感延迟，模拟滤波器的响应延迟只有约纳秒(ns)量级；

3.根据能量对比结果采用不同的检测策略，避免了逐个检测子频带，提高了检测速度；

4.方案不需要获得目标宽带的频带占用率这一先验信息，可以

在检测过程中自适应的动态调整检测步长，优化策略，提高检测速度。

5.该方案同样适用于高频检测。

附图说明

图1是本发明方案思路简图。

图2是本发明方案流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明进行详细阐述。

结合流程图说明本发明方案的具体流程如下：

步骤201：用户初始化设定相关参数；

用户可以划分子频带总个数N、起始检测步长b、起始检测窗口左端点k、最大步长门限b_max；

步骤202：判断是否结束检测；

判断窗口的左端点K是否大于子频带总个数N，如果大于，则进入步骤2012，反之，进入步骤203；

步骤203：判断检测窗口右端点是否合理；

判断窗口的右端点k+b是否大于宽带的子带总数，如果右端点大于子频带总数，进行步骤204；反之，进入步骤205；

步骤204：修正右端点；

当窗口的有端点超过目标宽带时，要进行修正，将窗口的右端点修正为子频带的最大值N；这一轮检测结束之后，不再进行下一轮循环；

步骤205:检测当前窗口范围内的能量P_[k,k+b]；

使用能量检测法检测当前窗口范围内的能量P_[k,k+b]；

$E\[P_k\]=\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_1^M|S_k{|}^2=\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_1^M|x_k+{\mathrm{\ω}}_k{|}^2---\left(1\right)$

$=\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_1^M\left(\right|x_k{|}^2+|{\mathrm{\ω}}_k{|}^2+x_k^{\′}{\mathrm{\ω}}_k+x_k{\mathrm{\ω}}_k^{\′})---\left(2\right)$

$E\[P_k\]=\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_1^M|x_k{|}^2+{\mathrm{\Ω}}_j=S_j+{\mathrm{\Ω}}_j.---\left(3\right)$

$P_{\[i,j\]}={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{j}E\[P_i\]=S_{\[i,j\]}+{\mathrm{\Ω}}_{\[i,j\]}\·---\left(4\right)$

即P_[k,k+b-1]＝P_k+P_k+1+P_k+2+…+P_k+b-1。

步骤206：将P_[k,k+b]与相应门限值Th_[k,k+b]比较；

当所检测到的能量值P_[k,k+b]小于对应的门限值Th_[k,k+b]时，执行步骤207；当检测到能量值大于相应的门限值，则执行步骤2010；

步骤207：判断当前步长b是否小于b_max；

将当前的步长b与窗口步长的门限值b_max比较，当b小于b_max时，执行步骤208，反之，执行步骤209；

步骤208:更新检测窗口的左端点k，和窗口步长b；

如果b小于b_max，则更新窗口的左端点k为k←k+b+1，同时更新窗口步长b为原来的两倍，即b←2*b，然后继续进行下一个窗口能量检测判断过程，回到步骤202，当所有子频带检测完毕，退出；

步骤209：将b重置为初始值；

如果b大于b_max，则将b重置为初始值，然后继续进行下一个窗口能量检测判断过程，回到步骤202；

步骤2010：在窗口内逐个确定被占用子频带的位置；

当检测到能量值大于相应的门限值，则依次检测[k,k+b]窗口范围内每一个子带的能量，即P_k、P_k+1……P_k+b，并和单个子带对应的门限比较确定窗口范围内被占用的子频带的位置；然后执行步骤2011；

步骤2011：更新检测窗口的左端点k，和窗口步长b；

当确定好上一个窗口内被占用子频带位置后，更新窗口左端点为k＝k+b+1，更新b为初始值；然后继续进行下一个窗口能量检测判断过程，回到步骤202；

步骤2012：结束，退出检测；

窗口内所有子频带检测完毕，结束，退出检测。

Claims (4)

1.一种基于模拟滤波器组的快速动态宽带频谱检测方案，其特征在于：

用户初始化设定相关参数，包括设置子频带总个数N、起始检测步长b、起始检测窗口左端点k、最大步长门限b_max；

确定窗口的右端点是否合理，判断窗口的右端点k+b是否大于宽带的子带总数，如果是，则将窗口右端点调整为N，否则窗口右端保持不变；

设备正常工作，检测窗口内所有子频带的能量和P_[k,k+b]，并和相应的能量门限值Th_[k,k+b]比较；

当所检测到的能量值P_[k,k+b]小于对应的门限值Th_[k,k+b]时，继续判断当前的步长b，如果b小于b_max，则更新窗口的左端点k为k←k+b+1，同时更新窗口步长b为原来的两倍，即b←2*b，然后继续进行下一个窗口能量检测判断过程，如果b大于b_max，则将b重置为初始值；

当检测到能量值大于相应的门限值，则依次检测[k,k+b]窗口范围内每一个子带的能量，即P_k、P_k+1……P_k+b，并和单个子带对应的门限比较确定窗口范围内被占用的子频带的位置，之后更新窗口左端点为k←k+b+1，更新b为初始值；

在更新完窗口参数之后循环进行自判断窗口右端点是否超过N到再一次更新窗口参数的过程，直到检测完宽带内的所有N个子频带。

2.根据权利要求1所陈述的基于模拟滤波器组的快速动态宽带频谱检测方案，其特征在于，适用于频带子占用率较低的稀疏宽带频谱检测系统。

3.根据权利要求1所陈述的基于模拟滤波器组的快速动态宽带频谱检测方案，其特征在于子频带的划分由用户决定。

4.根据权利要求1所陈述的基于模拟滤波器组的快速动态宽带频谱检测方案，其特征在于检测窗口内总能量的P_[k,k+b]使用模拟滤波器组。