一種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法及其裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法及其裝置，該感知方法包括以下步驟：對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出；對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸出；利用通過能量檢測(cè)器的原互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果、和互補(bǔ)互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果分別求得第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果；通過第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果獲取到指示性功率譜。該感知裝置包括：微控制器、輸出驅(qū)動(dòng)及顯示電路。本發(fā)明可在遠(yuǎn)低于奈奎斯特速率和盲估計(jì)的前提下，對(duì)原互素譜分析器和互補(bǔ)互素譜分析器兩者的能量輸出的統(tǒng)計(jì)分布特性進(jìn)行綜合檢測(cè)。
【專利說明】
一種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法及其裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知 方法及其裝置，具體涉及信號(hào)欠采樣、互素感知、多相濾波、頻譜估計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線電頻譜是國家的戰(zhàn)略資源，若有效開發(fā)和利用該資源，就可創(chuàng)造出大量物質(zhì) 財(cái)富和引發(fā)巨大社會(huì)效益。傳統(tǒng)的無線頻譜資源的分配是通過政府部門以發(fā)許可證的形式 分配給主用戶(Primary Users，PU)，但伴隨著移動(dòng)通信、廣播電視、無線局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等
技術(shù)領(lǐng)域?qū)o線電頻譜資源需求的日益增長，頻譜資源的匱乏已經(jīng)成為突出問題。
[0003] 為應(yīng)對(duì)如今大量移動(dòng)無線裝置和系統(tǒng)所帶來的不斷增加的帶寬需求，認(rèn)知無線 (CR)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。作為一項(xiàng)有前景的無限通信技術(shù)，通過動(dòng)態(tài)定位空白頻譜，認(rèn)知無線 電技術(shù)能實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)性傳輸，從而高效的利用無線電頻譜資源并解決如今存在的頻譜擁塞問 題[1][2]。而認(rèn)知無限電技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)就是頻譜感知，基于頻譜感知的結(jié)果，認(rèn)知無線 電系統(tǒng)才能搜尋到未利用頻帶，從而在不干擾正在進(jìn)行通信傳輸?shù)挠脩舻那疤嵯逻M(jìn)行機(jī)會(huì) 性傳輸。由于在典型的認(rèn)知無線電場景中，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于當(dāng)前頻譜的占用信息并無先驗(yàn)知 識(shí)，因此對(duì)整個(gè)寬頻帶進(jìn)行感知是十分必要的。
[0004] 傳統(tǒng)的基于奈奎斯特采樣的頻譜感知方法有能量檢測(cè)，濾波器組頻譜感知和多窗 譜估計(jì)等方法[3]。但對(duì)于寬帶頻譜感知，如果運(yùn)用傳統(tǒng)的奈奎斯特采樣方法對(duì)整個(gè)寬頻帶 進(jìn)行采樣，將會(huì)需求非常高的采樣速率，而現(xiàn)今模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-Digital Converter) 的性能和成本要求也難以滿足需求(受最高模數(shù)轉(zhuǎn)換速率限制）。
[0005] 針對(duì)此問題，國內(nèi)外許多學(xué)者開始利用壓縮感知[4]方法進(jìn)行譜感知，該類方法先 利用遠(yuǎn)低于奈奎斯特速率采樣而得的亞奈奎斯特樣本來重構(gòu)信號(hào)，然后再對(duì)重構(gòu)出的信號(hào) 進(jìn)行頻譜感知，常見的信號(hào)重構(gòu)方法有基追蹤(BP) [5]和貪婪追蹤算法（如正交匹配追蹤 0MP)[6]。壓縮感知方法又可根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)的有無分為盲恢復(fù)和非盲恢復(fù)，非盲恢復(fù)所需要 的采樣速率一般低于盲恢復(fù)的所需速率。以基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器組的亞奈奎斯特采樣方法[7] 為例，盲恢復(fù)方法[8]能在不需子帶信息的情況下，用至少2M個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器恢復(fù)Μ個(gè)子帶的 信號(hào)。
[0006] 但對(duì)于譜感知應(yīng)用來說，由于其目的是確定活躍頻帶的位置，因此沒有必要先利 用壓縮感知等方法恢復(fù)原來的信號(hào)。省去信號(hào)重構(gòu)的過程，就能大幅提高亞奈奎斯特采樣 下的頻譜感知效率。根據(jù)該思路，學(xué)者王曉東利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器組采樣所得的低速率樣本估 計(jì)出了寬帶信號(hào)的功率譜[9]。但其方法仍需要一些先驗(yàn)知識(shí)來保證功率譜的成功恢復(fù)。因 此，找到能在實(shí)踐中應(yīng)用的稀疏譜盲估計(jì)方法，徹底擺脫高速采樣器的約束，是一個(gè)亟待解 決的難題。
[0007] 為解決稀疏譜估計(jì)問題，近年來，一種新型的譜估計(jì)方法一互素感知（c 〇 - p r i m e sensing)理論[10-13]受到越來越多的關(guān)注，該方法首先對(duì)單個(gè)模擬輸入信號(hào)作兩路并行 的稀疏采樣(要求兩路下采樣因子M、N數(shù)值滿足互素關(guān)系），然后對(duì)得到的兩路稀疏樣本分 別作多相濾波，將單通道信號(hào)轉(zhuǎn)換成多通路子信號(hào)，再同時(shí)對(duì)兩路并行的多相濾波輸出信 號(hào)做IDFTdnverse DFT)，最后對(duì)IDFT輸出的多通道信號(hào)做互相關(guān)掃描以估計(jì)信號(hào)頻譜位 置，從而獲得真正意義上的高分辨率譜。該方法因經(jīng)歷了兩級(jí)下采樣(互素下采樣和多相濾 波下采樣），故非常適合于低數(shù)據(jù)率應(yīng)用場合，且結(jié)構(gòu)簡單，算法清晰，一定程度上解決了稀 疏譜估計(jì)問題。該欠采樣譜感知方法在分析窄帶信號(hào)時(shí)展現(xiàn)出很高的價(jià)值[10-13]。
[0008] 發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點(diǎn)和不足：
[0009] 將經(jīng)典的互素感知方法用于分析寬帶信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的交叉項(xiàng)干擾，在 譜圖上表現(xiàn)為多處幅值較大的偽峰，從而使得真實(shí)的各個(gè)寬帶譜的中心頻率變得模糊不 清。
[0010] 參考文獻(xiàn)
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 本發(fā)明提供了一種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法及其裝置，本發(fā)明詳見 下文描述：
[0025] -種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法，所述感知方法包括以下步驟：
[0026]對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出；
[0027]對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸出；
[0028]利用通過能量檢測(cè)器的原互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果、和互補(bǔ)互素譜輸出的能量 檢測(cè)結(jié)果分別求得第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果；
[0029]通過第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果獲取到指示性功率譜。
[0030]所述對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出的步驟具體為：
[0031] 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行兩路下采樣，得到兩路稀疏信號(hào)；
[0032] 對(duì)兩路稀疏信號(hào)分別進(jìn)行多相濾波，輸出兩個(gè)多通道稀疏信號(hào)，由兩個(gè)多通道稀 疏信號(hào)可以分別得到對(duì)應(yīng)的多通道輸出序列；
[0033]在每個(gè)時(shí)刻，對(duì)2路多通道輸出序列分別進(jìn)行IDFT，分別得到輸出序列；
[0034]對(duì)輸出序列互相關(guān)，得到原互素譜輸出。
[0035]所述對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸出的步驟具體為： [0036]對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)中的每路信號(hào)分別加上相移、并進(jìn)行IDFT分別得到輸出 序列；
[0037]求取輸出序列的互相關(guān)，得到互補(bǔ)互素譜輸出。
[0038]所述利用通過能量檢測(cè)器的原互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果、和互補(bǔ)互素譜輸出的 能量檢測(cè)結(jié)果分別求得第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果的步驟具體為：
[0039] 給定虛警概率，設(shè)定閾值，如果頻譜輸出大于閾值，能量檢測(cè)器將譜位置i處判定 為已被占用；
[0040] 如果頻譜輸出小于等于閾值，能量檢測(cè)器將譜位置i處判定為未被占用。
[0041] -種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知的裝置，所述感知裝置包括：
[0042]微控制器，用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出；對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信 號(hào)進(jìn)行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸出；利用通過能量檢測(cè)器的原互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果、 和互補(bǔ)互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果分別求得第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算 結(jié)果;通過第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果獲取到指示性功率譜；
[0043] 輸出驅(qū)動(dòng)及顯示電路，用于顯示指示性功率譜。
[0044]所述微控制器包括：
[0045]原互素譜分析器，用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出；
[0046]互補(bǔ)互素譜分析器，用于對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸 出。
[0047] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明提出的基于綜合互素分析的寬帶頻 譜感知方法及其裝置，若用于寬帶譜感知及實(shí)際工程領(lǐng)域，可產(chǎn)生如下有益效果：
[0048] 第一、極大降低寬帶譜感知需要的采樣速率；
[0049] 相對(duì)于傳統(tǒng)的寬帶頻譜感知方法，本方法不僅省去了多余的信號(hào)重構(gòu)步驟，還能 在使用欠采樣的樣本的情況下實(shí)現(xiàn)一定分辨率的譜重構(gòu)。由于傳統(tǒng)的感知方法需要用奈奎 斯特速率對(duì)整個(gè)寬頻帶上的信號(hào)進(jìn)行采樣，然后將信號(hào)重構(gòu)出來，最后計(jì)算其功率譜。當(dāng)頻 帶寬度達(dá)到GHz數(shù)量級(jí)時(shí)，傳統(tǒng)感知方法需求的奈奎斯特采樣速率將會(huì)超出現(xiàn)有模數(shù)轉(zhuǎn)換 器所能達(dá)到的性能極限。而只要同時(shí)保證一定數(shù)量的饋入系統(tǒng)的快拍，本方法就能將采樣 速率降低到 max(fs/M，fs/N)，其中M，N可以任意大小。顯然本方法可以大幅降低所需的采樣 速率，從而降低寬帶譜感知的成本。
[0050] 例如實(shí)驗(yàn)1中，僅用45.45MHz的最高采樣速率就實(shí)現(xiàn)了本需要1.5GHz采樣速率進(jìn) 行采樣才能實(shí)現(xiàn)的理想結(jié)果。
[0051 ]第二、能精確估計(jì)真實(shí)的譜占用情況；
[0052]本方法提出的譜感知方法能實(shí)現(xiàn)分辨率為fs/MN的譜占用估計(jì)，頻點(diǎn)數(shù)為MN?？梢?在保持一定fS的情況下，選取適量大的互素整數(shù)對(duì)就可以保證不漏掉某些窄帶信號(hào)的譜成 分。
[0053]由實(shí)驗(yàn)1可以看出，選取互素整數(shù)對(duì)M = 37，N = 33就能將所有12個(gè)帶寬為5MHz的子 帶信號(hào)給定位出來。
[0054]第三、具有較高的抗噪性能。
[0055]互素感知譜估計(jì)方法需要進(jìn)行一定量的樣本平均，因此會(huì)造成一定的延遲時(shí)間 (信號(hào)的各個(gè)快拍可以相互重疊，便可大幅降低延遲時(shí)間），但卻能達(dá)到很強(qiáng)的抑制噪聲的 效果；
[0056]例如在實(shí)驗(yàn)2中，在SNR = -50dB這樣的情況下，分析器仍能得出清晰的頻譜分布。
【附圖說明】
[0057]圖1為一種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法的流程圖；
[0058]圖2為原互素譜分析器的流程圖；
[0059]圖3為互補(bǔ)型互素譜分析器的流程圖；
[0060]圖4為Remez算法設(shè)計(jì)的低通濾波器傳輸曲線圖；
[0061]圖5為互素寬帶頻譜感知的結(jié)果圖；
[0062]圖6為原始互素感知輸出的結(jié)果圖；
[0063]圖7為SNR = 0dB下的感知情況示意圖；
[0064] 圖8為SNR = -50dB下的感知情況示意圖；
[0065]圖9為本發(fā)明的硬件實(shí)施圖；
[0066]圖10為DSP內(nèi)部程序流圖。
【具體實(shí)施方式】
[0067]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0068]為了去除現(xiàn)有技術(shù)方法中存在的偽效應(yīng)，本發(fā)明實(shí)施例提出了基于綜合互素分析 的寬帶頻譜感知方法，該方法可在遠(yuǎn)低于奈奎斯特速率和盲估計(jì)的前提下，對(duì)原互素譜分 析器和互補(bǔ)互素譜分析器兩者的能量輸出的統(tǒng)計(jì)分布特性進(jìn)行綜合檢測(cè)。
[0069] 實(shí)施例1
[0070] 本發(fā)明實(shí)施例提出的寬帶頻譜感知方法的流程如圖1所示，該方法主要包括信號(hào) 的互素感知處理，能量探測(cè)器以及頻譜結(jié)合計(jì)算，詳見下文描述：
[0071] 101:對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出；
[0072] 102:對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸出；
[0073] 103:利用通過能量檢測(cè)器的原互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果、和互補(bǔ)互素譜輸出的 能量檢測(cè)結(jié)果分別求得第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果；
[0074] 104:通過第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果獲取到指示性功率譜。
[0075]其中，步驟101中的對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出的步驟具體為：
[0076] 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行兩路下采樣，得到兩路稀疏信號(hào)；
[0077] 對(duì)兩路稀疏信號(hào)分別進(jìn)行多相濾波，輸出兩個(gè)多通道稀疏信號(hào)，由兩個(gè)多通道稀 疏信號(hào)可以分別得到對(duì)應(yīng)的多通道輸出序列；
[0078]在每個(gè)時(shí)刻，對(duì)2路多通道輸出序列分別進(jìn)行IDFT，分別得到輸出序列；
[0079]對(duì)輸出序列互相關(guān)，得到原互素譜輸出。
[0080]其中，步驟102中的對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸出的步 驟具體為：
[0081]對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)中的每路信號(hào)分別加上相移、并進(jìn)行IDFT分別得到輸出 序列；
[0082]求取輸出序列的互相關(guān)，得到互補(bǔ)互素譜輸出。
[0083]其中，步驟103中的利用通過能量檢測(cè)器的原互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果、和互補(bǔ) 互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果分別求得第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果的 步驟具體為：
[0084]給定虛警概率，設(shè)定閾值，如果頻譜輸出大于閾值，能量檢測(cè)器將譜位置i處判定 為已被占用；
[0085]如果頻譜輸出小于等于閾值，能量檢測(cè)器將譜位置i處判定為未被占用。
[0086]綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提出了基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法，該方法 可在遠(yuǎn)低于奈奎斯特速率和盲估計(jì)的前提下，對(duì)原互素譜分析器和互補(bǔ)互素譜分析器兩者 的能量輸出的統(tǒng)計(jì)分布特性進(jìn)行綜合檢測(cè)。
[0087] 實(shí)施例2
[0088]下面結(jié)合具體的計(jì)算公式、例子對(duì)實(shí)施例1中的方案進(jìn)行詳細(xì)的介紹，詳見下文描 述：
[0089] 201:信號(hào)的互素感知處理；
[0090] Step 1對(duì)輸入信號(hào)x(n)進(jìn)行兩路下采樣，下采樣因子分別為Μ和N(M和N為互素的 整數(shù)），得到兩路稀疏信號(hào)xu(n)和Xv(n);
[0091 ] Step 2對(duì)xu(η)和xv(η)分別進(jìn)行多相濾波，輸出兩個(gè)多通道稀疏信號(hào)：和 Ο)其中0彡P(guān)彡M-ι，0彡q彡N-l;
[0092] 其中，由兩個(gè)多通道稀疏信號(hào)可以分別得到對(duì)應(yīng)的多通道輸出序列 元,,，⑷，/> = 0"，.，Af-1、Κ(π)，是=0, ·"Μ-1。
[0093] Step 3在每個(gè)時(shí)刻η，對(duì)多通道輸出序列{.、,(》)，產(chǎn)〇，...，Μ -1}進(jìn)行Μ點(diǎn)IDFT，得到輸 出序列{uk(n)，k = 0, · · ·，Μ-1}。
[0094] 類似地，對(duì)多通道輸出序列U,,(?U/ = 0..…~'-1 i進(jìn)行N點(diǎn)IDFT，得到輸出序列{V1 (η)，1 = 0, · · ·，Ν_1} 〇
[0095] Step 4對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào){Xu,P(n)，p = 0, . . .，Μ_1}中的每路信號(hào)分別加上 相移· · ·，Μ-1}，得到輸出{ ，再重復(fù)Step 3得到輸出 {稱是=0:，...,財(cái)-1}。
[0096] 同理可得到另一路輸出/ = (U., iV -1}。
[0097] St印 5求取IDFT后的輸出序列{uk(n)，k = 0, · · ·，M-1}和{νι(η)，1 = 0, · · ·，N-1}的 互相關(guān)，得到原互素譜輸出? &(e'Ki),/ = 〇,U,MV-l };求取輸出序列彳&(?)，& = 0....,A/-1 }和 { / = 的互相關(guān)，得到互補(bǔ)互素譜輸出丨義(ew),f = 。
[0098] 202:能量探測(cè)器；
[0099] 給定虛警概率Pfa，設(shè)定閾值Th如式(1)所示
[0100] Th=v · Q_1(Pfa)+〇2 (1)
[0101] 其中，v是原互素功率譜輸出九以，在譜位置i上統(tǒng)計(jì)得到的標(biāo)準(zhǔn)差；〇2是噪聲功 率；
|是Q(x)的反函數(shù)，再將Pfa代入Qlx)中。
[0102] 如果頻譜輸出P(i)>Th，能量檢測(cè)器將譜位置i處判定為已被占用；如果頻譜輸出 P(i)<T h，能量檢測(cè)器將譜位置i處判定為未被占用。原互素譜分析器和互補(bǔ)型互素譜分析 器通過能量探測(cè)器后分別得到能量檢測(cè)結(jié)果l(e" 3)和tw，。
[0103] 203 :頻譜結(jié)合計(jì)算。
[0104] 利用通過能量檢測(cè)器的原互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果！ K_)./ = (U...，MV-l卜.和 互補(bǔ)互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果（t(eW),/ = 0丄..，AW-l},按式⑵分別求得指示器p1(i)和 P2(i) 〇
[_]只心^) (2) p2{i)=Y^)Y"(^)
[0106]最后結(jié)合指示器計(jì)算公式(3)求得頻譜。
[0108] 本發(fā)明的總體信號(hào)處理框架
[0109] 假設(shè)待檢測(cè)的寬帶信號(hào)s(t)由多子帶組成，即
[0111]則感知周期內(nèi)的觀測(cè)信號(hào)可以表示為式(5)所示，其中n(t)代表加性高斯白噪聲。
[0113] 再將觀測(cè)信號(hào)分別輸入到圖2,3所示的基于濾波器組的互素譜分析器中，并通過 能量探測(cè)器，隨后利用上述兩路的輸出序列構(gòu)造口:⑴^⑴，再按式⑶求出指示性功率譜 P(i)〇
[0114] 綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提出了基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法，該方法 可在遠(yuǎn)低于奈奎斯特速率和盲估計(jì)的前提下，對(duì)原互素譜分析器和互補(bǔ)互素譜分析器兩者 的能量輸出的統(tǒng)計(jì)分布特性進(jìn)行綜合檢測(cè)。
[0115] 實(shí)施例3
[0116] 下面結(jié)合具體的計(jì)算公式對(duì)實(shí)施例1、2中方案的原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹，詳見下文 描述：
[0117] 301:原互素譜分析器
[0118]圖2中，輸入信號(hào)x(n)為假想的Nyquist采樣，其采樣間隔T=l/fNyq，分別以降采樣 因子N、M(要求兩者滿足互素關(guān)系)并行下采樣形成兩路低速率流^仏)和χν(η)(這等效為用 兩個(gè)采樣速率為f Nyq/N、fNyq/M的ADC直接并行對(duì)輸入模擬信號(hào)做離散化）；然后對(duì)Xu(n)(或 Xv (η))做Μ路(或N路)多相分解，并分別通過多相子濾波器EP(z)和Rq(z)進(jìn)行濾波，再分別對(duì)各 相濾波的并行輸出做Μ點(diǎn)的IDFT(或N點(diǎn)的IDFT)，最終對(duì)兩路IDFT(即對(duì)應(yīng)乘以IDFT矩陣朽； 和〇的各支路輸出進(jìn)行互相關(guān)掃描即得互素譜輸出t W)，/==0,1,。
[0119] 302:互補(bǔ)型互素譜分析器
[0120]為了獲取更直觀的寬帶信號(hào)功率譜，需要設(shè)計(jì)一個(gè)互補(bǔ)型互素譜分析器，圖3中的 互補(bǔ)互素譜分析器相比于圖2情況，大多數(shù)處理是相同的，不同之處僅作了如下處理：
[0121 ] 1)逐樣本地交替改變xu,P(n)(或χν, Ρ(η))的符號(hào)；
[0122] 2)在進(jìn)入濾波器組EP(Z)(或Rq(z))前，將第一步相移后的信號(hào)乘以(或e -jpVN 彡
[0123] 可以證明，以上處理等同于對(duì)整個(gè)輸入信號(hào)x(n)做頻移大小為0.5Af = ji/MN后， 得到與之互補(bǔ)的序列= ⑷勺原有互素譜分析結(jié)果義(#)。
[0124] 進(jìn)而，在后面的步驟中，對(duì)原有互素譜輸出和互補(bǔ)互素譜輸出做綜 合，可以消除交叉項(xiàng)干擾和偽峰效應(yīng)。
[0125] 303:能量探測(cè)器
[0126] 從原互素譜分析器和互補(bǔ)型互素譜分析器的輸出分別得到iX(ew)，i = 〇，U，MV-l; 和(eKti }。由于在寬帶譜感知中，子帶數(shù)量眾多，夂(#)和之(e，可近似為 高斯隨機(jī)序列（由中心極限定理可知），因此頻譜檢測(cè)問題可以表示為每個(gè)頻點(diǎn)的二元假設(shè) 檢驗(yàn)問題：
[0128]其中，v是原互素譜輸出&(e1，(或元友，）在譜位置i上統(tǒng)計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)差，〇 2是給 定的噪聲功率，P(i)為未知的信號(hào)功率。因此將虛警概率Pfa定為：
[0130] 一旦確定了常虛警概率，則閾值Th可由式（1)計(jì)算。如果\(CK<i)(或義( elfii))>Th，聲 明為m，能量檢測(cè)器將頻點(diǎn)i處判定為已被占用；如果s uw)(或之(#))彡Th，聲明為Η〇,能 量檢測(cè)器將頻點(diǎn)i處判定為未被占用。
[0131] 綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提出了基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法，該方法 可在遠(yuǎn)低于奈奎斯特速率和盲估計(jì)的前提下，對(duì)原互素譜分析器和互補(bǔ)互素譜分析器兩者 的能量輸出的統(tǒng)計(jì)分布特性進(jìn)行綜合檢測(cè)。
[0132] 實(shí)施例4
[0133] 下面結(jié)合具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)施例1、2和3中的方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證，詳見下文描 述：
[0134] (1)寬帶頻譜感知驗(yàn)證
[0135] 實(shí)驗(yàn) 1
[0136] 假設(shè)在一個(gè)認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，監(jiān)視著的寬帶譜范圍為F=[fmin，fmax]。在感知周 期中，存在m個(gè)活動(dòng)的不相干的子帶信號(hào)，第i個(gè)子帶信號(hào)給定為如下形式：
[0138] 其中，{cU[n]}是調(diào)制符號(hào)序列，gl(t)是脈沖成形函數(shù)(1\是碼元間隔hgdt-nTO 為給每個(gè)傳輸碼元加上的濾波函數(shù)4 1是81(〇的載波頻率，假設(shè)各子帶信號(hào)S1(t)，S2 (t)，. . .，sm(t)是相互獨(dú)立且零均值的。
[0139] 本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)fmin = 0,奈奎斯特速率fs = fmax=l/T=1.5GHz。子帶帶寬均設(shè)為5MHz (由符號(hào)寬度Ti確定），12路信號(hào)載波的標(biāo)準(zhǔn)化頻率設(shè)為心=10 Δ f，f2=130 Δ f，f3 = 250 Δ f ,f4 = 370 Af,f5 = 490 Af ,f6 = 61〇Af ,f7 = 730 Af,f8 = 850 Af ,f9 = 97〇Af ,fi〇=l〇3〇A f，fn = 1090Af，f12 = 1210Af (頻率分辨率Af = fmax/MN)。所有子帶信號(hào)的{di[n]}均為 QPSK符號(hào)，脈沖成形函數(shù)8辦)使用的是滾降系數(shù)為0.1的根升余弦函數(shù)，消耗的快拍數(shù)1^ = 1000，互素整數(shù)對(duì)取為M = 37，N = 33。能量探測(cè)器中的目標(biāo)虛警概率Pfa設(shè)為0.01』(z)和G (z)使用Remez算法設(shè)計(jì)，傳輸曲線如圖4所示。
[0140] 最終觀測(cè)到的信號(hào)為將式(8)代入式(5)的結(jié)果，同時(shí)本例中將噪聲設(shè)為0,抗噪性 能將在之后的實(shí)驗(yàn)中敘述，本方法估計(jì)的功率譜如圖5所示。
[0141] 從圖5中的P(i)可以看出，經(jīng)過本方法，可以精確定位所有12個(gè)子帶信號(hào)的載波位 置。圖中僅僅通過能量探測(cè)器的輸出4妒)和己妒):由于偽峰過多，均無法直接分辨出子帶 信號(hào)的真實(shí)分布情況，必須將兩者合理結(jié)合起來才能反應(yīng)真實(shí)的譜占用信息。
[0142] 而對(duì)于未通過能量探測(cè)器的原始互素譜輸出&(#)和&(#)如圖6所示，雖然依稀 可見載波主峰的位置，但存在很多和主峰幅度相差不大的偽峰，使得其不適用于實(shí)際情況。
[0143] 以上表明了本方法既能大幅度降低采樣速率(本實(shí)驗(yàn)中兩路采樣速率僅為fsl = WM~40.54MHz，fs2 = WN~45.45MHz)，又能真實(shí)地表示出整個(gè)寬頻帶上的頻譜分布情 況。如果需要提高分析器的頻率分辨率，可以在增加快拍數(shù)的同時(shí)改用更大的互素整數(shù)對(duì)。
[0144] 另外，從圖5的檢測(cè)結(jié)果的分布可看出，只要輸入信號(hào)的譜可以隔開，就可以檢測(cè) 所有譜峰的位置。因而本發(fā)明的方法是一種真正意義上的"盲"檢測(cè)方法。
[0145] (2)加噪情況下魯棒性實(shí)驗(yàn)
[0146] 實(shí)驗(yàn) 2
[0147] 選擇與實(shí)驗(yàn)1相似的信號(hào)（僅將子帶數(shù)改為m = 6,載波頻率改為^ = 100 4 15 = 350 Af，f3 = 600 Af，f4 = 610A f，f5 = 715A f，f6= 1〇〇〇 Af)，使用零均值高斯白噪聲構(gòu)造 不同信噪比（SNR)的激勵(lì)，快拍數(shù)Ls = 300。本實(shí)驗(yàn)將給出在信噪比為OdB和-50dB下的識(shí)別 情況，如圖7和圖8所示。
[0148] 由圖7和圖8可以看出，兩種不同信噪比下均能準(zhǔn)確定位^ = 100 Δ f，f2 = 350 Δ f， f3 = 600 Δ f，f4 = 610 Δ f，f5 = 715 Δ f，f6 = 1 〇〇〇 Δ f的主峰和少數(shù)旁峰。
[0149] 在信噪比為-50dB的情況下依然能夠成功反應(yīng)真實(shí)的頻譜分布情況，并成功抑制 住所有的噪聲成分，這主要是由于算法對(duì)信號(hào)一定數(shù)量的快拍進(jìn)行平均的效果，雖然快拍 數(shù)增加也會(huì)帶來感知時(shí)間的延長，但卻增強(qiáng)了互素譜分析器的對(duì)噪魯棒性。對(duì)于無線通信 信道中存在的大量噪聲來說，本發(fā)明較好的抗噪性能使之能更好地適應(yīng)于寬帶頻譜感知 中。
[0150 ]綜上所述，本方法只需給定各子帶中心頻率的虛警檢測(cè)概率，便可算出對(duì)應(yīng)的能 量探測(cè)檢測(cè)閾值，獲得高精度的、完全抑制偽效應(yīng)的寬帶信號(hào)的中心頻率檢測(cè)結(jié)果。故本方 法在認(rèn)知無線電、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等涉及欠采樣無線譜感知的場合有較寬廣的應(yīng)用前景。
[0151] 實(shí)施例5
[0152] 下面結(jié)合具體的硬件，對(duì)實(shí)施例1-3中的方法設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的硬件裝置，詳見下文描 述：
[0153] -種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知的裝置，該感知裝置包括：
[0154]微控制器，用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出；對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信 號(hào)進(jìn)行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸出；利用通過能量檢測(cè)器的原互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果、 和互補(bǔ)互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果分別求得第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算 結(jié)果;通過第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果獲取到指示性功率譜；
[0155] 輸出驅(qū)動(dòng)及顯示電路，用于顯示指示性功率譜。
[0156] 其中，微控制器包括：
[0157] 原互素譜分析器，用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出；
[0158]互補(bǔ)互素譜分析器，用于對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸 出。
[0159] 綜上所述，本裝置只需給定各子帶中心頻率的虛警檢測(cè)概率，便可算出對(duì)應(yīng)的能 量探測(cè)檢測(cè)閾值，獲得高精度的、完全抑制偽效應(yīng)的寬帶信號(hào)的中心頻率檢測(cè)結(jié)果。故本裝 置在認(rèn)知無線電、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等涉及欠采樣無線譜感知的場合有較寬廣的應(yīng)用前景。
[0160] 實(shí)施例6
[0161] 下面結(jié)合圖9和圖10對(duì)實(shí)施例5中的感知裝置進(jìn)行進(jìn)一步地說明，詳見下文描述：
[0162] 在圖9中，首先將實(shí)際觀測(cè)信號(hào)、濾波器系數(shù)、互素整數(shù)對(duì)M，N和快拍數(shù)量Ls存入外 部RAM中，再將它們實(shí)時(shí)輸入到DSP中，經(jīng)過DSP內(nèi)部核心算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行下采樣、多相濾 波、IDFT、能量探測(cè)器判決、指示器計(jì)算和頻譜重構(gòu)等，最后借助輸出驅(qū)動(dòng)顯示及其顯示模 塊顯示出整塊頻帶上譜占用情況。
[0163] 其中，圖9的DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器）為核心器件，在頻 譜感知的過程中，完成如下主要功能：
[0164] 1)調(diào)用內(nèi)部核心算法，完成實(shí)際采集信號(hào)的下采樣、多相濾波、IDFT、能量探測(cè)器 判決、指示器計(jì)算和頻譜重構(gòu)等過程；
[0165] 2)控制下采樣值以及信號(hào)樣本，實(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，使其符合實(shí)際需要；
[0166] 3)將譜感知結(jié)果實(shí)時(shí)輸出至驅(qū)動(dòng)和顯示模塊。
[0167] 需指出，由于采用了數(shù)字化的估計(jì)方法，因而決定圖9系統(tǒng)的復(fù)雜度、正確性和穩(wěn) 定性的主要因素并不是圖9中DSP器件的外圍連接，而是DSP內(nèi)部程序存儲(chǔ)器所存儲(chǔ)的核心 算法。
[0168] DSP器件的內(nèi)部程序流程如圖10所示。
[0169] 本發(fā)明將所提出的"基于濾波器組的互素寬帶頻譜感知方法及其裝置"的核心算 法植入DSP器件內(nèi)，基于此完成高精度、低采樣速率、高效的寬帶譜感知。
[0170] 圖10流程分為如下幾個(gè)步驟：
[0171] 1)首先根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置信號(hào)的下采樣值(M和N，互素的整數(shù)），并設(shè)計(jì)所需的濾 波器系數(shù)，用于多相濾波過程，同時(shí)給定快拍數(shù)量L s;
[0172] 2)然后，CPU主控器從I/O端口讀取參設(shè)定的參數(shù)，進(jìn)入內(nèi)部RAM;
[0173] 3)本發(fā)明按圖1的處理過程進(jìn)行頻譜感知的設(shè)計(jì)是DSP算法最核心的部分，運(yùn)行該 算法后，即可得到所觀測(cè)頻帶的占用情況；
[0174] 4)判斷本方法是否滿足實(shí)際需求，若不滿足，程序返回，重新根據(jù)要求設(shè)定信號(hào)參 數(shù)；
[0175] 5)直至設(shè)計(jì)結(jié)果符合實(shí)際要求，然后通過DSP的輸出總線輸出至外部顯示驅(qū)動(dòng)設(shè) 備，將頻譜感知結(jié)果進(jìn)行數(shù)碼顯示。
[0176] 需指出，由于采用了DSP實(shí)現(xiàn)，使得整個(gè)頻譜感知器設(shè)計(jì)變得更為靈活快捷，可根 據(jù)頻譜感知器設(shè)計(jì)過程中的實(shí)際需要，靈活變換所需參數(shù)，使之最終符合工程需要。
[0177] 本發(fā)明實(shí)施例對(duì)各器件的型號(hào)除做特殊說明的以外，其他器件的型號(hào)不做限制， 只要能完成上述功能的器件均可。
[0178] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例 序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。
[0179]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法，其特征在于，所述感知方法包括以下 步驟： 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出； 對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸出； 利用通過能量檢測(cè)器的原互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果、和互補(bǔ)互素譜輸出的能量檢測(cè) 結(jié)果分別求得第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果； 通過第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果獲取到指示性功率譜。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法，其特征在于，所 述對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出的步驟具體為： 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行兩路下采樣，得到兩路稀疏信號(hào)； 對(duì)兩路稀疏信號(hào)分別進(jìn)行多相濾波，輸出兩個(gè)多通道稀疏信號(hào)，由兩個(gè)多通道稀疏信 號(hào)可以分別得到對(duì)應(yīng)的多通道輸出序列； 在每個(gè)時(shí)刻，對(duì)2路多通道輸出序列分別進(jìn)行IDFT，分別得到輸出序列； 對(duì)輸出序列互相關(guān)，得到原互素譜輸出。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法，其特征在于，所 述對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸出的步驟具體為： 對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)中的每路信號(hào)分別加上相移、并進(jìn)行IDFT分別得到輸出序 列； 求取輸出序列的互相關(guān)，得到互補(bǔ)互素譜輸出。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知方法，其特征在于，所 述利用通過能量檢測(cè)器的原互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果、和互補(bǔ)互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié) 果分別求得第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果的步驟具體為： 給定虛警概率，設(shè)定閾值，如果頻譜輸出大于閾值，能量檢測(cè)器將譜位置i處判定為已 被占用； 如果頻譜輸出小于等于閾值，能量檢測(cè)器將譜位置i處判定為未被占用。5. -種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知的裝置，其特征在于，所述感知裝置包括： 微控制器，用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出；對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)進(jìn) 行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸出；利用通過能量檢測(cè)器的原互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果、和互 補(bǔ)互素譜輸出的能量檢測(cè)結(jié)果分別求得第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果； 通過第一指示器的計(jì)算結(jié)果和第二指示器的計(jì)算結(jié)果獲取到指示性功率譜； 輸出驅(qū)動(dòng)及顯示電路，用于顯示指示性功率譜。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于綜合互素分析的寬帶頻譜感知的裝置，其特征在于， 所述微控制器包括： 原互素譜分析器，用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，獲取原互素譜輸出； 互補(bǔ)互素譜分析器，用于對(duì)經(jīng)兩次下采樣后的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取互補(bǔ)互素譜輸出。
【文檔編號(hào)】H04B17/382GK106027179SQ201610313147
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】黃翔東, 韓溢文
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)