TWI517612B - 頻譜感測系統及頻譜感測方法 - Google Patents

Description

頻譜感測系統及頻譜感測方法

本發明係與無線通訊技術有關，特別是關於一種適用於超高頻(UHF)電視頻帶之頻譜感測系統及頻譜感測方法。

近年來，隨著無線通訊技術之進步，各式各樣的應用便應運而生，然而，其所造成的影響之一卻是：面對不同的通訊運用，就分別需要有專屬的通訊裝置，如此不僅造成資源的浪費，也無形增加了使用者的困擾及負擔。因此，為了要讓各種無線通訊技術能在單一設備上兼容並蓄，便發展出一種「感知無線電」(Cognitive Radio)技術。

所謂的「感知無線電」是一種智慧型的無線通訊技術，其具備察覺頻譜環境並將頻譜上的資訊傳遞出去的能力，以使得使用者能夠最有效率地使用無線通訊服務。在實際應用中，感知無線電技術可被應用於400~800 MHz的超高頻電視頻帶。因此，為了能夠清楚地瞭解頻譜環境，良好的頻譜感測系統已被視為感知無線電技術能否成功應用之關鍵。

一般而言，目前針對頻譜進行感測的方法有很多種，大致可分為特徵偵測(feature detection)法與能量偵測(energy detection)法兩種方式。相較於使用特徵偵測法之系統複雜度較高且偵測訊號的格式受到侷限，能量偵測法之系統複雜度較低且其不受偵測訊號格式之限制，亦不需經過複雜的計算(例如數位訊號處理等)，即可馬上得知頻譜上的訊息。然而，傳統 的能量偵測法亦有其缺點，例如其在訊號偵測效能(例如靈敏度、線性度等)上會有限制。

因此，本發明根據能量偵測法提出一種新穎的頻譜感測系統及頻譜感測方法，其不僅適用於超高頻電視頻帶並可透過電路設計方式，來改善傳統採用能量偵測法在頻譜感測系統及頻譜感測方法的訊號偵測效能受限的情況，以解決先前技術所遭遇到之上述種種問題。

根據本發明之一具體實施例係為一種頻譜感測系統。頻譜感測系統包含混頻器、數位控制振盪器、可變增益低通濾波器、峰值偵測器、電壓比較器及數位控制模組。混頻器用以接收輸入訊號並對輸入訊號進行降頻處理。數位控制振盪器耦接混頻器，用以提供降頻用之本地振盪訊號給混頻器。可變增益低通濾波器耦接混頻器，用以對經降頻處理後之訊號進行低通濾波放大處理。峰值偵測器耦接可變增益低通濾波器，用以偵測經低通濾波放大處理後之訊號的峰值並輸出峰值輸出電壓。電壓比較器耦接峰值偵測器，用以比較峰值輸出電壓與參考電壓並輸出比較結果訊號。數位控制模組耦接電壓比較器、數位控制振盪器及可變增益低通濾波器，用以根據比較結果訊號對輸入訊號進行頻譜感測。

根據本發明之另一具體實施例為一種頻譜感測方法。頻譜感測方法包含下列步驟：(a)將數位控制振盪器之振盪頻率設為最低振盪頻率或最高振盪頻率並將濾波器之增益設為最高增益；(b)判斷峰值偵測器之峰值輸出電壓是否大於參考電 壓；(c1)若步驟(b)之判斷結果為是，判斷濾波器之增益是否為最低增益；(c2)若步驟(b)之判斷結果為否，判斷濾波器之增益是否為最高增益；(d1)若步驟(c1)之判斷結果為是或步驟(c2)之判斷結果為否，將增益控制位元存入暫存器中，作為偵測到之信號的強度資訊；(d2)若步驟(c1)之判斷結果為否，將振盪頻率控制位元存入暫存器中，作為偵測到之信號的頻率資訊；(e)若步驟(c2)之判斷結果為是，判斷數位控制振盪器之振盪頻率是否為最高振盪頻率。

相較於先前技術，根據本發明之頻譜感測系統及頻譜感測方法係採用能量偵測法且適用於超高頻電視頻帶，其透過電路設計方式改善傳統採用能量偵測法之頻譜感測系統及頻譜感測方法的訊號偵測效能，除了具有系統複雜度較低、不受偵測訊號格式之限制、不需複雜計算即可得知頻譜上的訊息等優點外，亦可克服傳統的能量偵測法在訊號偵測效能(例如靈敏度、線性度等)上有所限制之缺點，以使得感知無線電技術能夠藉由本發明之頻譜感測系統及頻譜感測方法順利地應用於400~800 MHz的超高頻電視頻帶。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

本發明係提出一種頻譜感測系統及頻譜感測方法。該頻譜感測系統及頻譜感測方法係適用於超高頻電視頻帶，並可透過電路設計方式，來改善傳統採用能量偵測法之頻譜感測系統及頻譜感測方法的訊號偵測效能，以使得感知無線電技術能夠 被應用於400~800 MHz的超高頻電視頻帶。

根據本發明之一具體實施例係為一種頻譜感測系統。請參照圖1，圖1係繪示本發明之頻譜感測系統的電路架構示意圖。如圖1所示，頻譜感測系統1包含混頻器10、數位控制振盪器12、可變增益低通濾波器14、峰值偵測器16、電壓比較器18及數位控制模組20。其中，混頻器10係耦接至可變增益低通濾波器14；數位控制振盪器12係耦接至混頻器10；可變增益低通濾波器14係耦接至峰值偵測器16；峰值偵測器16係耦接至電壓比較器18；電壓比較器18係耦接至數位控制模組20；數位控制模組20則係分別耦接至數位控制振盪器12、可變增益低通濾波器14及電壓比較器18。

接下來，將分別介紹頻譜感測系統1之各組成元件的功能。如圖1所示，輸入訊號S_IN係輸入至混頻器10，並經由混頻器10來對輸入訊號S_IN進行降頻處理。數位控制振盪器12則係用來將一用於降頻之本地振盪訊號提供給混頻器10。需說明的是，數位控制振盪器12的振盪頻率範圍，會決定頻譜感測系統1所能偵測的訊號頻率範圍。於本發明中，頻譜感測系統1係將數位控制振盪器12，設定為於400~800 MHz的頻帶下工作，而其之振盪頻率的解析度為400 kHz，亦即頻譜感測系統1的頻率解析度為400 kHz。

輸入信號S_IN在經過混頻器10進行降頻處理後的訊號，會被傳送至可變增益低通濾波器14，並由可變增益低通濾波器14對經降頻處理後的訊號進行低通濾波放大處理。假設輸入訊號S_IN與數位控制振盪器12所提供的本地振盪訊號之間的頻率差大於400 kHz，則經降頻處理後的訊號可再經由可變增益低通濾波器14進行低通濾波放大處理，由於該降頻後的 訊號會落在可變增益低通濾波器的頻寬外(out-band)，其將會產生嚴重衰減，所以峰值偵測器16將會輸出較低的峰值輸出電壓V_PD；相反地，若輸入訊號S_IN與數位控制振盪器12所提供的本地振盪訊號之間的頻率差小於400 kHz，則經降頻處理後的訊號就會落在可變增益低通濾波器14的頻寬內(in-band)，因此峰值偵測器16就會輸出較高的峰值輸出電壓V_PD。

需說明的是，可變增益低通濾波器14的截止頻率(corner frequency)係較佳地設定為250 kHz，而不是設定為與數位控制振盪器12之振盪頻率解析度一樣的400 kHz。其之原因在於：若可變增益低通濾波器14的截止頻率，與數位控制振盪器12的振盪頻率解析度均設為400 kHz，當濾波器輸入信號略大於400 kHz時，在頻率響應中會看到此信號會落在該濾波器截止頻率的位置附近(略大於截止頻率)，其雖然會略有衰減但衰減幅度仍不足(甚至濾波器輸入信號的頻率為500~600 kHz時，衰減幅度仍不夠)，所以峰值偵測器16仍會輸出大於參考電壓的峰值輸出電壓V_PD，而導致系統會誤判成有偵測到信號；也就是說，由於濾波器的頻寬外(out-band)衰減幅度不夠急劇，反而會導致頻譜感測系統1的頻率解析度大於400 kHz。

因此，本發明可採用降低數位控制振盪器12的振盪頻率解析度之方式，或是採用降低可變增益低通濾波器14的截止頻率之方式來解決此一問題，此一實施例係選擇將可變增益低通濾波器14的截止頻率，從原本的400 kHz降低成250 kHz，雖然輸入信號S_IN經過混頻器10降頻(~400 kHz)後，再送到可變增益低通濾波器14，會造成信號衰減，但藉由改變可變增益低通濾波器14的截止頻率，可以適當地給予信號增益與衰 減，其就能符合頻譜感測系統1的頻率解析度為400 kHz。

峰值偵測器16所輸出的峰值輸出電壓V_PD會傳送至電壓比較器18，並透過電壓比較器18而在將峰值輸出電壓V_PD與參考電壓V_REF(~0.8V)進行比較後，將比較結果訊號輸出至數位控制模組20。最後，再由數位控制模組20根據電壓比較器18的比較結果訊號對輸入訊號進行頻譜感測。需說明的是，數位控制模組20根據電壓比較器18的比較結果訊號對輸入訊號進行頻譜感測的詳細步驟可參考本發明之另一具體實施例的頻譜感測方法及圖2所述的技術內容，於此不另行贅述。

於頻譜感測系統1中，數位控制模組20之主要功用，是偵測於某些特定頻率上是否存在著訊號並對訊號之強度進行大致分析。如圖1所示，頻譜感測系統1之數位控制模組20包含數位控制單元200、解碼器202及暫存器204。其中，數位控制單元200係分別耦接至數位控制振盪器12、電壓比較器18、解碼器202及暫存器204；解碼器202係耦接至可變增益低通濾波器14。

數位控制單元200除了會接收來自電壓比較器18的比較結果訊號之外，還會接收系統時脈訊號CLK。數位控制單元200會將包含10個控制位元的第一控制訊號，輸出至數位控制振盪器12，藉以控制數位控制振盪器12的振盪頻率，因此第一控制訊號所包含之10個控制位元可被視為與頻率相關的資訊，而頻譜感測系統1亦可被視為一個混合訊號的頻率數位轉換器。

此外，數位控制單元200亦會將包含5個控制位元的第二控制訊號輸出至解碼器202，並在經解碼器202解碼後將包含 31個控制位元的第三控制訊號，輸出至可變增益低通濾波器14。需說明的是，可變增益低通濾波器14總共具有31段可調整增益(gain-steps)，其係被第三控制訊號所包含之31個控制位元所控制，可變增益低通濾波器14藉此即可透過可變增益功能來測量接收訊號的強度。數位控制單元200亦會輸出啟動訊號EN至電壓比較器18，以啟動電壓比較器18並進行峰值輸出電壓V_PD與參考電壓V_REF之比較。

至於暫存器204則會接收並暫存數位控制單元200所輸出之包含10個控制位元的第一控制訊號，以及包含5個控制位元的第二控制訊號，並且輸出具有15個控制位元的數位輸出訊號S_OUT。

根據本發明之另一具體實施例係為一種頻譜感測方法。請參照圖2，圖2係繪示本發明之頻譜感測方法的流程圖。如圖2所示，首先，該方法會執行步驟S10及S12，以將數位控制振盪器之振盪頻率設為最低振盪頻率，並將濾波器之增益設為最高增益。需說明的是，該方法亦可將數位控制振盪器之振盪頻率設為最高振盪頻率，其與設為最低振盪頻率並無差異。至於該方法將濾波器之增益設為最高增益，則是為了節省每次進行頻譜感測所需花費的時間。

接著，該方法會執行步驟S14，以判斷峰值輸出電壓是否大於參考電壓。若步驟S14的判斷結果為是，亦即峰值輸出電壓係大於參考電壓，此時該方法會執行步驟S16，並判斷濾波器之增益是否為最低增益。若步驟S14的判斷結果為否，亦即峰值輸出電壓係小於或等於參考電壓，則代表在最高增益下訊號仍太小而無法被偵測到，抑或是在已確定存在著訊號而調降增益找訊號強度的階段，途中因電路增益太小而導 致無法偵測到訊號(亦即無法找到該訊號之強度)，故此時該方法會執行步驟S18，並判斷濾波器之增益是否為最高增益。

若步驟S16的判斷結果為否，亦即濾波器之增益並非為最低增益，此時該方法會執行步驟S20，以將振盪頻率控制位元存入至暫存器中，以作為偵測到之信號的頻率資訊。接著，於步驟S22中，該方法會將濾波器之增益調降1段單位增益，並重新執行步驟S14。

若步驟S16的判斷結果為是，亦即濾波器之增益已為最低增益，卻仍可被偵測到有訊號，代表該訊號強度很強，此時該方法會執行步驟S24，並將增益控制位元存入暫存器中，以作為偵測到之信號的強度資訊。

若步驟S18的判斷結果為否，亦即濾波器之增益並非為最高增益且偵測不到訊號，代表這是在調降增益至某值時，導致系統無法找到該存在訊號之強度，此時該方法會執行步驟S24，並將增益控制位元存入暫存器中，以作為偵測到之信號的強度資訊。接著，該方法會執行步驟S26，以判斷數位控制振盪器之振盪頻率是否為最高振盪頻率。

若步驟S18的判斷結果為是，亦即濾波器之增益已為最高增益，但訊號仍太小而無法被偵測到，此時該方法亦會執行步驟S26，以判斷數位控制振盪器之振盪頻率是否為最高振盪頻率。

若步驟S26的判斷結果為是，亦即數位控制振盪器之振盪頻率已為最高振盪頻率，此時該方法將執行步驟S28，代表此為乾淨的頻譜或結束偵測。若步驟S26的判斷結果為否，亦即數位控制振盪器之振盪頻率並非為最高振盪頻率，此 時該方法會執行步驟S30及S32，以將數位控制振盪器之振盪頻率往上增加1單位頻率(400 kHz)，並將濾波器之增益設為最高增益，並重新執行步驟S14，以繼續進行下個頻道(channel)的信號偵測。

相較於先前技術，根據本發明之頻譜感測系統及頻譜感測方法，係採用能量偵測法且適用於超高頻電視頻帶，其係透過電路設計方式來改善傳統採用能量偵測法之頻譜感測系統及頻譜感測方法的訊號偵測效能，其除了具有系統複雜度較低、不受偵測訊號格式之限制、以及不需複雜計算即可得知頻譜上的訊息等優點外，亦可克服傳統的能量偵測法在訊號偵測效能(例如靈敏度、線性度等)上有所限制之缺點，以使得感知無線電技術能夠藉由本發明之頻譜感測系統及頻譜感測方法，而順利地應用於400~800 MHz的超高頻電視頻帶。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

S10~S32‧‧‧流程步驟

1‧‧‧頻譜感測系統

10‧‧‧混頻器

12‧‧‧數位控制振盪器

14‧‧‧可變增益低通濾波器

16‧‧‧峰值偵測器

18‧‧‧電壓比較器

20‧‧‧數位控制模組

S_IN‧‧‧輸入訊號

V_PD‧‧‧峰值輸出電壓

V_REF‧‧‧參考電壓

200‧‧‧數位控制單元

202‧‧‧解碼器

204‧‧‧暫存器

CLK‧‧‧系統時脈訊號

EN‧‧‧啟動訊號

S_OUT‧‧‧數位輸出訊號

圖1係繪示本發明之頻譜感測系統的電路架構示意圖。

圖2係繪示本發明之頻譜感測方法的流程圖。

1‧‧‧頻譜感測系統

10‧‧‧混頻器

12‧‧‧數位控制振盪器

14‧‧‧可變增益低通濾波器

16‧‧‧峰值偵測器

18‧‧‧電壓比較器

20‧‧‧數位控制模組

S_IN‧‧‧輸入訊號

V_PD‧‧‧峰值輸出電壓

V_REF‧‧‧參考電壓

200‧‧‧數位控制單元

202‧‧‧解碼器

204‧‧‧暫存器

CLK‧‧‧系統時脈訊號

EN‧‧‧啟動訊號

S_OUT‧‧‧數位輸出訊號

Claims (9)

1. 一種頻譜感測系統，包含：一混頻器，其係用以接收一輸入訊號並對該輸入訊號進行降頻處理；一數位控制振盪器，其係耦接至該混頻器，以將一用於降頻之一本地振盪訊號提供給該混頻器；一可變增益低通濾波器，其係耦接至該混頻器，用以對經降頻處理後之訊號進行低通濾波放大處理；一峰值偵測器，其係耦接至該可變增益低通濾波器，以偵測經濾波處理後之訊號的峰值，並輸出一峰值輸出電壓，其中該峰值輸出電壓的大小，係與該輸入訊號與該數位控制振盪器所提供之該本地振盪訊號之間的頻率差，是否大於該可變增益低通濾波器的截止頻率有關；一電壓比較器，其係耦接至該峰值偵測器，以比較該峰值輸出電壓與一參考電壓，並輸出一比較結果訊號；以及一數位控制模組，其係耦接至該電壓比較器、該數位控制振盪器、以及該可變增益低通濾波器，以根據該比較結果訊號對該輸入訊號進行頻譜感測。
2. 如申請專利範圍第1項所述之頻譜感測系統，其中該數位控制模組包含：一數位控制單元，其係耦接至該電壓比較器及該數位控制振盪器，以接收該比較結果訊號並將一第一控制訊號輸出至該數位控制振盪器，以控制該數位控制振盪器的振 盪頻率，並輸出一第二控制訊號；一解碼器，其係耦接於該數位控制單元與該可變增益低通濾波器之間，以對該第二控制訊號進行解碼並將一第三控制訊號輸出至該可變增益低通濾波器，以控制該可變增益低通濾波器之複數段可調整增益；以及一暫存器，其係耦接於該數位控制單元與該數位控制振盪器之間，以及該數位控制單元與該解碼器之間，以選擇性接收並暫存該第一控制訊號與該第二控制訊號，並輸出一數位輸出訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之頻譜感測系統，其中該第三控制訊號係具有31個控制位元，且該可變增益低通濾波器之該複數段可調整增益係為31段。
4. 如申請專利範圍第1項所述之頻譜感測系統，其中該數位控制振盪器12的振盪頻率範圍係為400-800MHz，且該頻譜感測系統的頻率解析度為400kHz。
5. 如申請專利範圍第1項所述之頻譜感測系統，其中該可變增益低通濾波器的截止頻率為250kHz。
6. 一種頻譜感測方法，包含下列步驟：(a)將一數位控制振盪器之振盪頻率設為最低振盪頻率或最高振盪頻率，並將一濾波器之增益設為最高增益；(b)判斷一峰值偵測器之一峰值輸出電壓是否大於一參考電壓；(c1)若步驟(b)之判斷結果為是，則判斷該濾波器之增益是否 為最低增益；(c2)若步驟(b)之判斷結果為否，則判斷該濾波器之增益是否為最高增益；(d1)若步驟(c1)之判斷結果為是或步驟(c2)之判斷結果為否，則將一增益控制位元存入一暫存器中，以作為所偵測到之信號的一強度資訊；(d2)若步驟(c1)之判斷結果為否，則將振盪頻率控制位元存入該暫存器中，以作為偵測到之信號的一頻率資訊；以及(e)若步驟(c2)之判斷結果為是，判斷該數位控制振盪器之振盪頻率是否為最高振盪頻率。
7. 如申請專利範圍第6項所述之頻譜感測方法，其中於步驟(d2)之後，進一步包含下列步驟：將該濾波器之增益調降1單位增益後重新執行步驟(b)。
8. 如申請專利範圍第6項所述之頻譜感測方法，其進一步包含下列步驟：若步驟(e)之判斷結果為否，則將該數位控制振盪器之振盪頻率往上增加1單位頻率，並將該濾波器之增益設為最高增益後重新執行步驟(b)。
9. 如申請專利範圍第6項所述之頻譜感測方法，其進一步包含下列步驟：若步驟(e)之判斷結果為是，則代表其為乾淨頻譜或結束偵測。