專利名稱：頻譜感知裝置及其感知方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的頻譜感知裝置，包括高頻模擬前端模塊、無線電天線接口 (SMA， SubMiniature A)模塊、中頻數(shù)字信號處理模塊、基帶信號處理模塊、電源模塊和顯示模塊， 其中高頻模擬前端模塊與無線電天線接口模塊相連傳輸中頻模擬電壓信號，無線電天線 接口模塊與中頻數(shù)字信號處理模塊相連傳輸中頻模擬電流信號，中頻數(shù)字信號處理模塊與 基帶信號處理模塊相連傳輸窄帶基帶信號，基帶信號處理模塊與顯示模塊相連傳輸頻譜感 知數(shù)據(jù)，電源模塊分別與高頻模擬前端模塊、中頻數(shù)字信號處理模塊和基帶信號處理模塊 相連傳輸電源信號。 所述的高頻模擬前端模塊將小功率射頻信號經(jīng)過變頻、調諧和放大后變換成中 頻信號，該模塊包括天線、混頻器、調諧器和放大器，其中天線與混頻器相連傳輸高頻信 號，混頻器與調諧器相連傳輸含有和頻分量與差頻分量的信號，調諧器與放大器相連傳輸 經(jīng)過調諧選出的中頻信號，放大器與無線電天線接口模塊相連傳輸經(jīng)過放大的中頻模擬電 壓信號。 所述的中頻數(shù)字信號處理模塊將中頻信號經(jīng)過帶通采樣、數(shù)字下變頻和抽取濾波 處理后搬移到基帶，該模塊包括模數(shù)轉換模塊和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)模塊，其中 模數(shù)轉換模塊與無線電天線接口模塊相連傳輸中頻模擬電流信號，模數(shù)轉換模塊與FPGA 模塊相連傳輸中頻數(shù)字信號，F(xiàn)PGA模塊與基帶信號處理模塊相連傳輸窄帶基帶信號。
所述的FPGA模塊包括數(shù)字下變頻模塊和抽取濾波器，其中數(shù)字下變頻模塊與 模數(shù)轉換模塊相連傳輸中頻數(shù)字信號，數(shù)字下變頻模塊與抽取濾波器相連傳輸基帶信號， 抽取濾波器與基帶信號處理模塊相連傳輸窄帶基帶信號。 所述的基帶信號處理模塊對信號信息進行FFT(Fast Fourier Transfer,快速傅
里葉變換)變換，判斷信道是否被占用，從而完成頻譜感知。 本發(fā)明涉及的上述頻譜感知裝置的感知方法，包括以下步驟 第一步，初始化中頻數(shù)字信號處理模塊，并根據(jù)頻譜感知的精度和實時性要求，設
定裝置的FFT變換長度N、計算周期T、比較閾值k和抽取因子n。 所述的初始化中頻數(shù)字信號處理模塊，是基帶信號處理模塊根據(jù)VID(供應商識 別碼)和PID (產(chǎn)品識別碼)將FPGA模塊設置位流下載至中頻數(shù)字信號處理模塊。
所述的頻譜感知的精度為最小頻譜區(qū)分度。
所述的實時性要求為每次輸出結果的間隔時間。 第二步，啟動高頻模擬前端模塊并接收射頻信號，將高頻模擬信號轉換為中頻模 擬信號。 所述的高頻模擬信號轉換為中頻模擬信號，具體是將天線接收到的高頻信號經(jīng) 調諧回路送至混頻器，混頻器輸出包含和頻分量與差頻分量的信號，該信號經(jīng)調諧器調諧 選出中頻信號，經(jīng)過放大器放大后輸出中頻模擬電壓信號。 第三步，中頻模擬信號經(jīng)中頻數(shù)字信號處理模塊進行AD采樣，由FPGA模塊根據(jù)預先設定的抽取因子n完成數(shù)字下變頻和抽取濾波，并將得到的窄帶基帶信號輸出給基帶信 號處理模塊。 所述的數(shù)字下變頻和抽取濾波，具體是AD采樣輸入的信號分別與數(shù)控振蕩器產(chǎn)
生的正弦波樣本值和余弦樣本值相乘以完成混頻，混頻后的信號經(jīng)抽取濾波器后得到處理
頻段的一個窄帶信號，且該信號的帶寬等于AD采樣率除于抽取因子n的商。 第四步，基帶信號處理模塊根據(jù)預先設定的FFT變換長度N、計算周期T和比較閾
值k，利用頻譜感知判定方法對窄帶信號依次進行FFT變換、積分和閾值判定，并將得到的
頻譜檢測結果輸出給顯示模塊進行顯示。 所述的頻譜感知判定方法，具體是 1)將輸入的基帶數(shù)字信號存入第一緩存區(qū)，當?shù)谝痪彌_區(qū)中該信號的存入數(shù)達到 預先設定的FFT變換長度N后，對這些信號進行FFT變換，并對得到的復數(shù)幅值進行求模處 理后傳輸至第二緩沖區(qū)； 2)當?shù)诙彺鎱^(qū)中存入的數(shù)據(jù)組數(shù)目達到預先設定的計算周期T后，得到這個周 期內的平均能量強度E; 3)測量得到噪聲平均值S，并將平均能量強度E與噪聲平均值S進行相減，當該差 值大于比較閾值k時，輸出該信道被占用的信息到顯示模塊；否則，輸出該信道未被占用的 信息到顯示模塊。 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是裝置簡單、成本低，容易實現(xiàn)，易于在真實 頻譜環(huán)境下測試和應用；方法在保證檢測準確性的同時，大幅的提高了檢測的速度。


圖1是本發(fā)明裝置的組成示意圖； 其中1-高頻模擬前端模塊；2-無線電天線接口模塊；3_中頻數(shù)字信號處理模 塊；4-基帶信號處理模塊；5-電源模塊；6-顯示模塊；7-天線；8-混頻器；9-調諧器； 10-放大器；11-模數(shù)轉換模塊；12-FPGA模塊；13-數(shù)字下變頻器；14_抽取濾波器。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明的實施例進一步描述本實施例在以本發(fā)明技術方案為前 提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下 述的實施例。
實施例 如圖1所示，本實施例涉及的頻譜感知裝置，包括高頻模擬前端模塊1、無線電天 線接口模塊2、中頻數(shù)字信號處理模塊3、基帶信號處理模塊4、電源模塊5和顯示模塊6，其 中高頻模擬前端模塊1與無線電天線接口模塊2相連傳輸中頻模擬電壓信號，無線電天線 接口模塊2與中頻數(shù)字信號處理模塊3相連傳輸中頻模擬電流信號，中頻數(shù)字信號處理模 塊3與基帶信號處理模塊4相連傳輸窄帶基帶信號，基帶信號處理模塊4與顯示模塊6相 連傳輸頻譜感知數(shù)據(jù)，電源模塊5分別與高頻模擬前端模塊1、中頻數(shù)字信號處理模塊3和 基帶信號處理模塊4相連傳輸電源信號。 所述的高頻模擬前端模塊1將小功率射頻信號經(jīng)過變頻、調諧和放大后變換成中
6頻信號，該模塊包括天線7、混頻器8、調諧器9和放大器10，其中天線7與混頻器8相連
傳輸高頻信號，混頻器8與調諧器9相連傳輸含有和頻分量與差頻分量的信號，調諧器9與
放大器10相連傳輸經(jīng)過調諧選出的中頻信號，放大器10與無線電天線接口模塊2相連傳
輸經(jīng)過放大的中頻模擬電壓信號。 所述的天線7的型號是RFX2400。 所述的混頻器8的型號是LTC554x。 所述的放大器10的型號是0PA376。 所述的中頻數(shù)字信號處理模塊3將中頻信號經(jīng)過帶通采樣、數(shù)字下變頻和抽取濾 波處理后搬移到基帶，該模塊包括模數(shù)轉換模塊11和FPGA模塊12，其中模數(shù)轉換模塊 11與無線電天線接口模塊2相連傳輸中頻模擬電流信號，模數(shù)轉換模塊11與FPGA模塊12 相連傳輸中頻數(shù)字信號，F(xiàn)PGA模塊12與基帶信號處理模塊4相連傳輸窄帶基帶信號。
所述的模數(shù)轉換模塊11是A/D9862模數(shù)轉換器，該轉換器將中頻模擬信號進行帶 通采樣，轉換為中頻數(shù)字信號。 所述的FPGA模塊12是Cyclone EP1C12芯片，該芯片包括數(shù)字下變頻器13和抽 取濾波器14，其中數(shù)字下變頻器13與模數(shù)轉換模塊11相連傳輸中頻數(shù)字信號，數(shù)字下變 頻器13與抽取濾波器14相連傳輸基帶信號，抽取濾波器14與基帶信號處理模塊4相連傳 輸窄帶基帶信號。 所述的抽取濾波器14是四階級聯(lián)的積分梳狀抽取濾波器，完成指定頻率窄帶信 道的提取。 所述的數(shù)字下變頻器13完成數(shù)字采樣中頻信號到基帶信號的頻譜搬移。 所述的基帶信號處理模塊4是DSP TMS320C5416，該模塊對信號信息進行FFT變
換，判斷信道是否被占用，從而完成頻譜感知。 本實施例涉及的上述頻譜感知裝置的感知方法，包括以下步驟 第一步，中頻數(shù)字信號處理模塊3進行初始化，根據(jù)頻譜感知的精度和實時性要
求，設定裝置的FFT變換長度N、計算周期T、比較閾值k和抽取因子n。 所述的中頻數(shù)字信號處理模塊3進行初始化，包括中頻數(shù)字信號處理模塊3向
基帶信號處理模塊4提供VID = 0x04B4和PID = 0x8613和版本號0x01 ;基帶信號處理模
塊4檢測到中頻數(shù)字信號處理模塊3的PID = 0x8613后，加載啟動代碼至中頻數(shù)字信號處
理模塊3 ;中頻數(shù)字信號處理模塊3根據(jù)啟動代碼重新啟動后，向基帶信號處理模塊4重新
提供一個VID = 0xFFFE和PID = 0x0002，基帶信號處理模塊4根據(jù)這兩個ID，從ROM中將
FPGA模塊12設置位流下載至中頻數(shù)字信號處理模塊3，從而完成中頻數(shù)字信號處理模塊3
的初始化。 所述的頻譜感知的精度為最小頻譜區(qū)分度32KHz。
所述的實時性要求為5ms輸出一次結果。 所述的FFT變換長度N等于基帶信號處理模塊4輸入的信道寬帶(4MHz)除于最 小頻譜區(qū)分度(32KHz)，本實施例FFT變換長度N是128。 所述的計算周期T根據(jù)基帶信號處理模塊4的計算能力和實時性要求5ms來設
置，本實施例計算周期T是3. 2ms。 本實施例所述的比較閾值k為3dB。
所述的抽取因子n等于AD采樣率(64腿z)處于基帶信號處理模塊4輸入的信道帶寬(4MHz)，本實施例的抽取因子n是16。 第二步，啟動高頻模擬前端模塊1并接收射頻信號，將高頻模擬信號轉換為中頻模擬信號。 所述的高頻模擬信號轉換為中頻模擬信號，具體是將天線7接收到的高頻信號經(jīng)調諧回路送至混頻器8，混頻器8輸出包含和頻分量與差頻分量的信號，該信號經(jīng)調諧器9調諧選出中頻信號，經(jīng)過放大器10放大后輸出中頻模擬電壓信號。 第三步，中頻模擬信號經(jīng)中頻數(shù)字信號處理模塊3進行AD采樣，由FPGA模塊12根據(jù)預先設定的抽取因子n完成數(shù)字下變頻和抽取濾波，并將得到的窄帶基帶信號輸出給基帶信號處理模塊4。 所述的AD采樣是AD9862復采樣，采樣率為64M。 所述的數(shù)字下變頻和抽取濾波，具體是AD采樣輸入的信號分別與數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的正弦波樣本值sin (2* Ji *70M+Ph)和余弦樣本值cos (2* ji *70M+Ph)相乘以完成混頻，其中的Ph為一相位常量，混頻后的信號經(jīng)四階級聯(lián)的積分梳狀抽取濾波器14后得到處理頻段的一個窄帶信號，且該信號的帶寬等于AD采樣率除于抽取因子n的商，本實施例該信號的帶寬是4MHz。 第四步，基帶信號處理模塊4根據(jù)預先設定的FFT變換長度N、計算周期T和比較閾值k，利用頻譜感知判定方法對窄帶信號依次進行FFT變換、積分和閾值判定，并將得到的32位頻譜檢測結果輸出給顯示模塊6進行顯示。
所述的頻譜感知判定方法，具體是 1)將輸入的基帶數(shù)字信號存入第一緩存區(qū)，當?shù)谝痪彌_區(qū)中該信號的存入數(shù)達到預先設定的FFT變換長度128后，對這些信號進行FFT變換，并對得到的復數(shù)幅值進行求模處理后傳輸至第二緩沖區(qū)； 2)當?shù)诙彺鎱^(qū)中存入的數(shù)據(jù)組數(shù)目達到預先設定的計算周期3. 2ms后，得到這個周期內的平均能量強度E; 3)測量得到噪聲平均值S，并將平均能量強度E與噪聲平均值S進行相減，當該差值大于比較閾值3dB時，輸出FFFF(即該信道被占用)的頻譜檢測信息到顯示模塊6 ;否則，輸出OOOO(即該信道未被占用)的頻譜檢測信息到顯示模塊6。 本實施例的優(yōu)點是通過使用高頻模擬前端模塊1、中頻數(shù)字信號處理模塊3和基帶信號處理模塊4來感知頻譜，裝置簡單、成本低，容易實現(xiàn)，易于在真實頻譜環(huán)境下測試和應用；采用頻譜感知判定方法，在保證檢測準確性的同時，大幅的提高了檢測的速度。
8
權利要求
一種頻譜感知裝置，其特征在于，包括高頻模擬前端模塊、無線電天線接口模塊、中頻數(shù)字信號處理模塊、基帶信號處理模塊、電源模塊和顯示模塊，其中高頻模擬前端模塊與無線電天線接口模塊相連傳輸中頻模擬電壓信號，無線電天線接口模塊與中頻數(shù)字信號處理模塊相連傳輸中頻模擬電流信號，中頻數(shù)字信號處理模塊與基帶信號處理模塊相連傳輸窄帶基帶信號，基帶信號處理模塊與顯示模塊相連傳輸頻譜感知數(shù)據(jù)，電源模塊分別與高頻模擬前端模塊、中頻數(shù)字信號處理模塊和基帶信號處理模塊相連傳輸電源信號。
2. 根據(jù)權利要求1所述的頻譜感知裝置，其特征是，所述的高頻模擬前端模塊將小功 率射頻信號經(jīng)過變頻、調諧和放大后變換成中頻信號，該模塊包括天線、混頻器、調諧器和 放大器，其中天線與混頻器相連傳輸高頻信號，混頻器與調諧器相連傳輸含有和頻分量與 差頻分量的信號，調諧器與放大器相連傳輸經(jīng)過調諧選出的中頻信號，放大器與無線電天 線接口模塊相連傳輸經(jīng)過放大的中頻模擬電壓信號。
3. 根據(jù)權利要求1所述的頻譜感知裝置，其特征是，所述的中頻數(shù)字信號處理模塊將 中頻信號經(jīng)過帶通采樣、數(shù)字下變頻和抽取濾波處理后搬移到基帶，該模塊包括模數(shù)轉換 模塊和FPGA模塊，其中模數(shù)轉換模塊與無線電天線接口模塊相連傳輸中頻模擬電流信號，模數(shù)轉換模塊與FPGA模塊相連傳輸中頻數(shù)字信號，F(xiàn)PGA模塊與基帶信號處理模塊相連 傳輸窄帶基帶信號。
4. 根據(jù)權利要求3所述的頻譜感知裝置，其特征是，所述的FPGA模塊包括數(shù)字下變頻模塊和抽取濾波器，其中數(shù)字下變頻模塊與模數(shù)轉換模塊相連傳輸中頻數(shù)字信號，數(shù)字下變頻模塊與抽取濾波器相連傳輸基帶信號，抽取濾波器與基帶信號處理模塊相連傳輸窄 帶基帶信號。
5. —種根據(jù)權利要求1所述的頻譜感知裝置的感知方法，其特征在于，包括以下步驟 第一步，初始化中頻數(shù)字信號處理模塊，并根據(jù)頻譜感知的精度和實時性要求，設定裝置的FFT變換長度N、計算周期T、比較閾值k和抽取因子n ;所述的初始化中頻數(shù)字信號處理模塊，是基帶信號處理模塊根據(jù)VID和PID將FPGA 模塊設置位流下載至中頻數(shù)字信號處理模塊；所述的頻譜感知的精度為最小頻譜區(qū)分度；所述的實時性要求為每次輸出結果的間隔時間；第二步，啟動高頻模擬前端模塊并接收射頻信號，將高頻模擬信號轉換為中頻模擬信號；第三步，中頻模擬信號經(jīng)中頻數(shù)字信號處理模塊進行AD采樣，由FPGA模塊根據(jù)預先設 定的抽取因子n完成數(shù)字下變頻和抽取濾波，并將得到的窄帶基帶信號輸出給基帶信號處 理模塊；第四步，基帶信號處理模塊根據(jù)預先設定的FFT變換長度N、計算周期T和比較閾值k， 利用頻譜感知判定方法對窄帶信號依次進行FFT變換、積分和閾值判定，并將得到的頻譜 檢測結果輸出給顯示模塊進行顯示。
6. 根據(jù)權利要求5所述的頻譜感知方法，其特征是，第二步中所述的高頻模擬信號轉 換為中頻模擬信號，具體是將天線接收到的高頻信號經(jīng)調諧回路送至混頻器，混頻器輸出包含和頻分量與差頻分量的信號，該信號經(jīng)調諧器調諧選出中頻信號，經(jīng)過放大器放大后 輸出中頻模擬電壓信號。
7. 根據(jù)權利要求5所述的頻譜感知方法，其特征是，第三步中所述的數(shù)字下變頻和抽 取濾波，具體是AD采樣輸入的信號分別與數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的正弦波樣本值和余弦樣本值 相乘以完成混頻，混頻后的信號經(jīng)抽取濾波器后得到處理頻段的一個窄帶信號，且該信號 的帶寬等于AD采樣率除于抽取因子n的商。
8. 根據(jù)權利要求5所述的頻譜感知方法，其特征是，第四步中所述的頻譜感知判定方 法，具體是1) 將輸入的基帶數(shù)字信號存入第一緩存區(qū)，當?shù)谝痪彌_區(qū)中該信號的存入數(shù)達到預先 設定的FFT變換長度N后，對這些信號進行FFT變換，并對得到的復數(shù)幅值進行求模處理后 傳輸至第二緩沖區(qū)；2) 當?shù)诙彺鎱^(qū)中存入的數(shù)據(jù)組數(shù)目達到預先設定的計算周期T后，得到這個周期內 的平均能量強度E ;3) 測量得到噪聲平均值S，并將平均能量強度E與噪聲平均值S進行相減，當該差值大 于比較閾值k時，輸出該信道被占用的信息到顯示模塊；否則，輸出該信道未被占用的信息 到顯示模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線通信技術領域的頻譜感知裝置及其感知方法，裝置包括高頻模擬前端模塊，無線電天線接口模塊，中頻數(shù)字信號處理模塊，基帶信號處理模塊、電源模塊和顯示模塊；方法包括初始化中頻數(shù)字信號處理模塊；將高頻模擬信號轉換為中頻模擬信號；將中頻模擬信號轉換為窄帶基帶信號；對窄帶信號依次進行FFT變換、積分和閾值判定，并將得到的頻譜檢測結果輸出給顯示模塊進行顯示。本發(fā)明裝置簡單、成本低，容易實現(xiàn)，易于在真實頻譜環(huán)境下測試和應用；方法在保證檢測準確性的同時，大幅的提高了檢測的速度。
文檔編號H04B17/00GK101741489SQ201010300658
公開日2010年6月16日 申請日期2010年1月25日 優(yōu)先權日2010年1月25日
發(fā)明者關新平, 楊日達, 陳彩蓮, 龍承念 申請人:上海交通大學