一种应用于UHF频段的空闲频带检测器 【技术领域】
本发明涉及认知无线电通信系统中的频谱感知技术，特别是一种应用于UHF频段的空闲频带检测器。
背景技术
随着无线通信事业的飞速发展，无线频谱资源日趋紧张。长期以来，无线频谱资源由政府部门统一规划并分配给不同的授权用户使用，然而这种将固定频带分配给固定用户的方式正是造成目前频谱资源日趋紧张的一个主要原因。事实上，如果统计在同一个地区不同时间的频谱占用率，可以发现一部分频带在绝大多数时间是未被占用的，一部分频带是部分时间被占用的，只有一部分频带是被密集使用的。针对这种频谱利用不均的情况，有人提出了“认知无线电”(CR：CognitiveRadio)的概念。
认知无线电系统是一种能够智能地感知周围的无线环境，根据环境的变化改变其工作参数，使其能够使用未被相应的授权用户使用的频带，从而可以在空闲的授权频带工作的无线通信系统。通过不断地感知周围的无线环境，认知无线电系统可以检测在某个频带是否存在授权用户的信号，若存在，则认为授权用户正在使用该频带，则认知无线电系统不能使用该频带；若不存在，则可以利用该频带来工作。当授权用户信号出现后，认知无线电系统应该停止使用该频带并转向寻找其他可利用的频带，从而在不影响授权用户工作的前提下，达到提高频谱利用效率的目的。
在UHF(Ultrahigh Frequency，超高频段)内，绝大部分频谱资源都已经分配给了特定的授权用户(原有用户)。在美国，这个频段的授权用户主要指ATSC DTV(Advanced Television Systems Committee Digital television，高级电视制式委员会制定的地面数字电视标准)信号和Wireless MIC(Wireless Microphone，无线麦克风)信号。在UHF频段内，若分配给ATSC DTV信号或MIC信号的频带没有被原有用户信号占用，那么这些频带就称为空闲频带；若检测出空闲频带后，将空闲频带分配给认知无线电通信设备使用，则可以提高频谱的利用效率。现有技术中的频谱检测的方法通常只能检测一种信号，并且检测的灵敏度不高。
【发明内容】
针对上述问题，本发明的目的是提供一种通过检测UHF频段的ATSC DTV信号和无线麦克风信号的占用频带，进而检测到UHF频段内空闲频带的空闲频带检测器。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种应用于UHF频段的空闲频带检测器，其特征在于：它包括一组宽带接收支路和一个多窗检测器；所述宽带接收支路由宽带天线、射频滤波器、低噪声放大器、可调带陷滤波器、混频器、A/D转换器和寄存器串联组成，其中所述混频器还连接一压控振荡器，所述多窗检测器包括信号分割模块、多窗谱估计模块和多窗检测模块，所述多窗检测模块包括功率变化最大值查找模块、超高频信号区分模块、查找无线麦克风信号模块和检测结果标注和显示模块；所述宽带天线接收到的信号依次输入所述射频滤波器、低噪声放大器、可调带陷滤波器，再通过所述混频器和压控振荡器对信号进行下变频，所述A/D转换器将下变频信号转换成数字信号储存入所述寄存器中，并将所述数字信号输入多窗检测器中，所述信号分割模块对所述数字信号进行分割后输入到所述多窗谱估计模块中，利用多窗谱估计法对所述数字信号进行功率谱估计，后利用多窗检测算法判断信号中是否包括ATSC DTV信号或者无线麦克风信号。
所述多窗谱估计法的步骤包括：
I)在所述多窗检测器中设定检测带宽和阈值T1、T2、T3，功率变化最大值查找模块在所述检测带宽内的频谱加窗A，分别计算每个窗A内的平均功率，将所述平均功率除以与所述窗A的左、右两侧各相隔一个窗的窗内的平均功率的算数平均值，得到比值r1；找到每个所述窗A的对应的比值r1的最大值r1max，将其与所述阈值T1比较，如果所述最大值r1max大于所述阈值T1，则执行步骤II)；否则，所述检测带宽内不存在原有用户信号，结束检测，执行步骤VII)；
II)以ATSC DTV信号的导频中心频率为中心频率，设定所述ATSC DTV信号检测导频范围，若所述最大值r1max所对应的窗的中心频率在所述检测导频范围内，则执行步骤III)；否则，执行步骤V)；
III)超高频信号区分模块以所述最大值r1max对应的频率为中心，在其左、右两侧移动窗B，计算每个所述窗B内的平均功率r2，直到得到其最大值r2max；再移动窗C，计算每个所述窗C内的平均功率r3直到得到其最大值r3max；
IV)计算r2max/r3max并与所述阈值T2比较，如果所述r2max/r3max小于阈值T2，则执行步骤V)；否则，所述检测带宽内存在ATSC DTV信号，结束检测，执行步骤VII)；
V)查找MIC信号模块在估计功率谱的所述检测带宽内加窗D，利用所述步骤I)中的方法计算每个所述窗D地对应的比值r4最大值r4max，将所述最大值r4max与所述阈值T3比较，如果r4max＜T3，则所述检测带宽内不存在原有用户信号，执行步骤VII)；否则，将所述最大值r4max所对应的频率记录下来，则所述频率为MIC信号所对应的中心频率，执行步骤VI)；
VI)将所述检测带宽内检测到的MIC信号的数量加一，将所述步骤V)中检测出的MIC信号所在的频带的平均功率设定为所述检测带宽内的最小平均功率，返回执行步骤V)，直到新得到的最大值r4max小于所述阈值T3，结束检测，执行步骤VII)；
VII)检测结果标注与显示模块标注并显示检测结果，如果没有检测到原有用户信号，则将该频带标注为空闲频带；否则，标注出原有用户信号的类型和占用的频带。
一种应用于UHF频段的空闲频带检测器，其特征在于：它包括多组宽带接收支路和一个多窗检测器；所述宽带接收支路由宽带天线、射频滤波器、低噪声放大器、可调带陷滤波器、混频器、A/D转换器和寄存器串联组成，其中所述混频器还连接一压控振荡器，所述多窗检测器包括信号分割模块、多窗谱估计模块和多窗检测模块，所述多窗检测模块包括功率变化最大值查找模块、超高频信号区分模块、查找无线麦克风信号模块和检测结果标注和显示模块；所述宽带天线接收到的信号依次输入所述射频滤波器、低噪声放大器、可调带陷滤波器，再通过所述混频器和压控振荡器对信号进行下变频，所述A/D转换器将下变频信号转换成数字信号储存入所述寄存器中，并将所述数字信号输入到所述多窗谱估计模块中，利用多窗谱估计法对所述信号进行功率谱估计并利用多窗检测算法判断信号中是否包括ATSC DTV信号或者无线麦克风信号。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的空闲频带检测器由于利用了ATSC DTV信号的导频功率高于信号平均功率的特点，通过检测导频来区分ATSC DTV信号、MIC信号和噪声，即可以同时检测两种原有用户信号。2、本发明通过检测ATSC DTV信号的导频频带来检测ATSC DTV信号，因此具有检测强度极弱的ATSC DTV信号的优点。3、本发明的多窗检测模块结构简单，因此信号检测时间主要取决于MTM谱估计时间，相对于周期检测器检测时间较短。本发明提出的空闲频带检测器既可以用于极低信噪比环境下ATSC DTV信号和麦克风信号的检测，也可以用于实现认知无线电系统的频谱感知功能。
【附图说明】
图1是本发明只有一组宽带接收支路的空闲频带检测器结构示意图
图2是本发明检测带宽内信号估计MTM谱估计算法示意图
图3是本发明多窗检测算法流程示意图
图4是本发明有多组宽带接收支路的空闲频带检测器结构示意图
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明空闲频带检测器的硬件包括一组以上的宽带接收支路1和一个多窗检测器2，其中宽带接收支路1有宽带天线11、射频滤波器12、低噪声放大器13、可调带陷滤波器14、混频器15、A/D转换器16和寄存器17串联组成，其中混频器15还连接一个压控振荡器18。宽带接收支路1的寄存器17的输出均连接多窗检测器2的输入端。多窗检测器2内包括信号分割模块21、多窗谱估计模块22和多窗检测模块23。通过宽带天线11接收到的信号依次输入射频滤波器12、低噪声放大器13、可调带陷滤波器14，再通过混频器15和压控振荡器18对信号进行下变频，A/D转换器16将下变频信号转换成数字信号储存入寄存器17中。
以仅包括一组宽带接收支路1的空闲频带检测器为例，多窗检测器2的工作原理是：在考察区域内，宽带接收支路1输入的信号进行下变频和A/D转换，在多窗检测器2中利用多窗(Multitaper Method，MTM)谱估计得到转换后的数字信号的估计功率谱；然后利用本发明的多窗检测算法对估计功率谱进行分析，得到该地区授权用户信号的存在状况和频谱空洞的可用性状况。确定授权用户信号的存在状况就是确定信号中是否包括原有用户信号，以及原有用户信号所占用的频带。多窗检测器2中的实现步骤如下：
1)在信号分割模块21中将寄存器17内的数字信号按时间顺序分为M份，每份信号模拟一组宽接收支路1的输入。
2)将模拟多组宽带接收支路1的支路信号1、支路信号2、……、支路信号M输入MTM谱估计模块22。
3)在MTM谱估计模块22中，对M个支路信号进行MTM谱估计得到该地区信号的估计功率谱。
4)将得到的功率谱估计结果输入多窗检测模块23中，用多窗检测算法判断检测带宽范围内是否存在ATSC DTV信号或MIC信号。
5)对检测结果进行标注及显示。
MTM谱估计算法步骤如下：
i)在多窗检测模块22中同时读入M个支路信号：X1，X2，...，XM，并设定权值向量{wm}m＝1M；本发明的实施例中权值向量{wm}m=1M=1.]]>
ii)对信号X1，X2，…，XM进行Multitaper谱估计，得到各信号经由不同slepian序列(离散扁球体序列)加窗后的谱估计结果Yk(m)(f)，k＝1，2，3，.....M，其中选择DPSS(Discrete Prolate Spheroidal Sequences，离散长球序列)窗时首先确定分辨率带宽是2W。W值间接由时间带宽积参数NW给出，0＜W＜5k，其中1＜NW＜4，DPSS窗的数量由K＝2*NW-1确定。
iii)由谱估计结果Yk(m)(f)以及权值向量{wm}m＝1M构造矩阵A(f)，其中矩阵A(f)
A(f)=w1Y1(1)(f)w1Y2(1)(f)···············w1Yk(1)(f)w2Y1(2)(f)w2Y2(2)(f)·············w2Yk(2)(f)············wMY1(M)(f)wMY2(M)(f)·············wMYk(M)(f)]]>
iv)对矩阵A(f)进行奇异值分解，令：
A(f)=Σk=0k-1σk(f)uk(f)Vk+(f)]]>
其中，σk(f)是矩阵A(f)的第K个奇异值；uk(f)是矩阵A(f)左边奇异向量，其表示干扰源的空间分布；Vk+(f)是矩阵A(f)的右边奇异向量，其表示分析干扰源波形的多窗谱估计系数。
v)计算每一个σk(f)的{|σk(f)|2}的值，并找到{|σk(f)|2}的最大值，该最大值就是该频点f对应的估计功率值。
vi)将全部频点f所对应的估计功率值组合，即得到输入信号的估计功率谱。
多窗检测模块23中，多窗检测算法的原理为：假定被检测的ATSC DTV信号带宽为6MHz，其导频频宽为10kHz，而空闲频带检测器的检测带宽需要略大于ATSCDTV信号的带宽，因此确定检测带宽为7～8MHz。由于在同一频带内ATSC DTV信号和MIC信号不可能同时存在，在7～8MHz的带宽内若检测存在ATSC DTV信号，则其数量只可能为一；而MIC信号的带宽为200kHz，在7～8MHz的带宽内若检测存在MIC信号，则其数量可能为若干个。
如图2所示，本发明的多窗检测算法包括功率变化最大值查找模块、超高频信号区分模块、查找MIC信号模块和检测结果标注与显示模块。开始检测时，在功率变化最大值查找模块中，信号的检测带宽范围内的频谱上加一组宽度为5kHz的窗A，窗数目利用方程(1)计算每个窗所在频段的平均功率，
P(f)=1K*Σi=0K-1|Y(f,i)|2---(1)]]>
其中，Y(f，i)为频谱函数，f为每个窗的中心频率，K为每个窗内的频点个数。再将每个窗的窗内平均功率r1a除以与该窗的左、右两侧各相隔一个窗的窗内平均功率r1b、r1c的算数平均值，即每个窗都对应一个比值r1：
r1=r1a(r1b+r1c)/2---(2)]]>
找到这些比值r1的最大值r1max。如果检测带宽内存在原有用户的信号，则最大值r1max必然比噪声频段内的窗所对应的比值r1大，将r1max与阈值T1比较，T1取值范围是[3，5]，若大于T1则说明检测带宽内存在原有用户信号。以ATSC DTV信号的导频中心频率为中心频率，设定一宽度为20KHz的检测导频范围。判断此时r1max所在的窗的频段是否出现在20KHz的检测导频范围内。
若r1max所在的窗的频段恰好出现在20KHz的检测导频范围内，则系统调用超高频信号区分模块，区分此时的信号是ATSC DTV信号还是MIC信号，以r1max对应的频率位置为中心，在其左、右两侧各200kHz的频率范围内移动宽度为10kHz的窗B，直到窗B内的平均功率最大。记录下窗B内的最大平均功率所对应的频率r2max；再在此频率范围内移动宽度为200kHz的窗C，直到窗C内的平均功率最大，即如果检测带宽内存在MIC信号，则窗C的最终位置一定将全部的MIC信号包含进来；如果存在ATSC DTV信号，则窗C最终位置一定将ATSC DTV信号导频位置包含进来，记录下此时的最大平均功率r3max，计算μ＝r2max/r3max；若原有用户信号为ATSCDTV信号，则此比值μ应大于1，若原有用户信号为MIC信号，则此比值μ在1左右，将比值μ与阈值T2比较，T2取值范围为[2，4]。若大于T2则说明检测带宽范围内存在ATSC DTV信号，结束检测；否则，说明检测带宽内存在MIC信号，调用查找MIC信号模块查找检测带宽内MIC信号所占用的频带。
如图3所示，若r1max所在的窗的频段没有出现在设定的ATSC DTV信号的检测导频范围内或者r2max/r3max小于T2，则说明检测带宽内可能存在MIC信号，此时调用查找MIC信号模块确定MIC信号所占用的频带。在检测带宽范围内的频谱上加一组宽度为100kHz的窗D，一共得到N个窗，其中将每个窗的窗内平均功率r4a除以与该窗的左、右两侧各相隔一个窗的窗内平均功率r4b、r4c的算数平均值，即每个窗都对应一个比值r4：
r4=r4a(r4b+r4c)/2---(3)]]>
找到这些比值r4对应的最大值r4max，将r4max与T3∈[1.5，2]比较，若小于T3则说明检测带宽内不存在原有用户信号，结束检测；否则说明该检测带宽内至少存在一个MIC信号，将r4max所在的窗对应的频率记录下来，此频率为MIC信号的中心频率，同时MIC信号的数量加一。然后循环检测MIC信号的位置及数量：将上一个MIC信号的频段的平均功率设为检测带宽内的最小平均功率，这个过程可以视为一个将已经检测出来的麦克风信号进行一个滤波处理，得到一个新的估计功率谱，再将窗D加在更新后的估计功率谱上；重复前面加窗D之后的操作，直到新得到的r4max小于T3，检测结束。
最后由检测结果标注与显示模块对检测结果进行标注及显示。如果MIC信号的数目大于1，则说明检测带宽内存在多个MIC信号，同时标注出每个MIC信号所占用的频带；如果既没有检测出ATSC DTV信号，也没有检测出MIC信号，则说明检测带宽内没有原有用户信号。
综上所述，用多窗检测算法判断检测带宽范围内是否存在ATSC DTV信号和MIC信号的步骤如下：
I)设定检测带宽为7～8MHz，利用功率变化最大值方法查找模块在检测带宽内的频谱加宽度为5kHz的窗A，分别计算每个窗内的平均功率，将窗内的平均功率除以与窗A的左、右两侧各相隔一个窗的窗内的平均功率的算数平均值，得到比值r1；找到这些窗A对应比值的最大值r1max，将其与阈值T1∈[3，5]比较，如果该r1max大于T1，则执行步骤II)；否则，检测带宽内不存在原有用户信号，结束检测，执行步骤VII)。
II)以ATSC DTV信号的导频中心频率为中心频率，设定ATSC DTV信号检测导频范围为20KHz，若r1max所对应的窗的中心频率在此检测导频范围内，则执行步骤III)；否则，执行步骤V)。
III)超高频信号区分模块以r1max对应的频率为中心，在其左、右两侧200kHz的范围内移动宽度为10kHz的窗B，计算每个窗B内的平均功率r2，直到得到其最大值r2max，再在此频率范围内移动宽度为200kHz的窗C，计算每个窗内的平均功率r3直到得到其最大值r3max。
IV)计算R2max/r3max，将其与T2比较，T2＝2，如果小于T2，则执行步骤V)，否则，检测带宽内存在ATSC DTV信号，结束检测，执行步骤VII)。
V)查找MIC信号模块在估计功率谱的检测带宽范围内加宽度为100kHz的窗D，计算每个窗D的窗内平均功率，将其除以和其左、右两侧各相隔一个窗的窗内的平均功率的算数平均值，找到这些窗D所对应的r4最大值r4max，将r4max与T3比较，T3∈[1.5，2]，如果r4max＜T3，则检测带宽内不存在原有用户信号，执行步骤VII)。否则，将该最大值r4max所对应的频率记录下来，则此频率为MIC信号所对应的中心频率，执行步骤VI)。
VI)将检测带宽内检测到的MIC信号的数量加一，将步骤V)中检测出的MIC信号所在的频段的平均功率设定为检测带宽内的最小平均功率，返回执行步骤V)，直到新得到的r4max小于T3，结束检测，执行步骤VII)。
VII)检测结果标注与显示模块标注并显示检测结果，如果没有检测到原有用户信号，则将该频带标注为空闲频带；否则，标注出原有用户信号的类型和占用的频带。
如图4所示，为了保证空闲频带检测器具有更高的检测精度，在图1所示的仅包括一组宽带接收支路1的空闲频带检测器中，引入多组宽带接收支路1，即将上述方案中的利用一组宽带接收支路1接收信号替换为利用N组宽带接收支路1接收信号。将接收到的N个信号分别进行下变频后再进行模/数转换，然后存入寄存器，利用本发明的多窗检测器2对N个寄存器中的信号进行检测，即进行步骤(4)～(5)，得到检测带宽内的原有用户信号分布情况。
下面通过一个仅包括一组宽带接收支路1的空闲频带检测器为实施例，进一步说明本发明的空闲频带检测器的工作过程。
首先在多窗检测器2中设定阈值T1＝3，T2＝2，T3＝1.5，对宽带接收支路1接收到的带宽为500MHz～507MHz信号依次输入射频滤波器12、低噪声放大器13、可调带陷滤波器14和混频器15进行下变频到0～7MHz带宽内，再在A/D转换器16中转换为数字信号。将数字信号在信号分割模块21中按照时间顺序分为M份，输入MTM谱估计模块22，利用MTM谱估计得到转换后的数字信号的估计功率谱。然后利用本发明的多窗检测算法对估计功率谱进行分析，开始检测时，选定检测带宽为7MHz，在查找功率最大值模块中通过方程(1)分别计算每个窗所在频段的平均功率P(f)，利用平均功率P(f)求得每个窗都对应一个比值r1，得到r1的最大值r1max；以ATSC DTV信号的导频中心频率为中心频率，设定一宽度为20kHz的频段作为ATSC DTV信号的检测导频范围，将r1max与T1比较，若r1max＞T1，且r1max所对应的窗出现在20kHz的检测导频范围内，则调用超高频信号区分模块，以r1max对应的频率位置为中心，在其左、右各200kHz的范围内移动宽度为10kHz的窗，计算每个窗内的平均功率，得到最大平均功率r2max，然后再在此频率范围内移动宽度为200kHz的窗，直到窗内的平均功率最大；记录下此最大平均功率r3max，计算μ＝r2max/r3max，若μ＞T2，则在检测带宽内存在一ATSC DTV信号。系统调用检测结果标注与显示模块对检测结果进行标注与显示。