專利名稱：針對既有信號的基于fft的導頻感測的制作方法
技術領域：
本發明涉及一些通信系統，其包括^人知無線電(cognitive radio)和/ 或軟件定義的無線電(SDR),以在對諸如電視(TV)接收機那樣的既有 (incumbent )服務沒有有害干擾的情況下達到有效的和可靠的頻譜利用。
背景技術：
已經提出許多建議來允許由無許可證的設備使用TV頻譜，只要無許 可證的用戶對于該頻譜的既有用戶不造成有害的干擾。設想這些無許可證 的設備將擁有能力來自主地識別那些在得到許可的電視頻段內的頻道，它 們可以在那里進行傳送而不造成有害的干擾。
電子和電氣工程師協會(IEEE) 802. 22無線區域網絡(WRAN )工作組 正在準備關于物理(PHY)和媒體接入控制(MAC)層接口的標準。該接口 使得非允許的系統能基于認知無線電(CR)技術來利用指派給電視(TV) 廣播業務的頻譜。為了與既有系統共存并避免可能影響諸如TV廣播、無 線話筒等等的現有業務的干擾，IEEE 802. 22的MAC協議使得CR基站在 檢觀'J到由既有系統使用的頻譜的使用時能夠動態改變當前正使用的頻道 或CR終端的功率。
導頻檢測器已經被提議用來確定活動的電視頻道的存在。然而，有許 多問題與檢測和識別經許可的數字電視(DTV)傳輸以便確定無許可證的 設備是否能共享特定電視頻道相關聯。大多數的導頻能量檢測方法濾波導 頻周圍的區域，然后測量窄帶信號的能量。如果該信號能量超出某個閾值， 則表明該信號被檢測到。該方法對閾值很敏感，且噪聲電平的任何不確定 性都能使性能降級。而且，如果導頻處于可能相當普遍的強衰落中，則檢 測到的概率會很低。導頻能量檢測方法的另 一 問題是導頻定位的不確定 性，導頻定位可能需要lOOKHz帶寬濾波器。然而，濾波器越大，性能降 級就越厲害。

發明內容
按照本發明的各種實施例，基于FFT的導頻檢測快速和魯棒地檢測既 有信號的存在、并迅速將頻譜讓出給既有用戶，以預防任何潛在的有害千 擾和使得能進行有效且可靠的頻譜共享。
應當知道，既有用戶被賦予對頻語的優先訪問權，而次要(secondary) 用戶(例如，認知無線電用戶和軟件無線電用戶)只具有在不干擾既有用 戶的基礎上機會性地使用頻譜的空白空間的訪問權利。空白空間是通信技 術中熟知的，它被定義為無線頻譜中已分配的但實際上未使用的部分。
按照本發明的一個實施例，基于FFT的導頻檢測是基于所檢測的載波 信號中的導頻的能量。通過使用已知的標稱導頻位置，將接收的信號解調 到基帶。利用大到足以容納任何未知頻偏的低通濾波器來濾波該基帶信 號。經濾波的信號被下采樣(down-sampled )，耳又子采樣(sub-sampled ) 信號的FFT,其中FFT大小取決于感測窗口的停頓時間(dwell time)。 通過尋找出在單個停頓窗口中的FFT輸出平方的最大值、并將其與預定閾 值相比較，來執行導頻能量檢測。
按照本發明的另一實施例，基于FFT的導頻檢測是基于導頻在所檢測 的栽波信號中的位置。通過使用已知的標稱導頻位置，將接收的信號解調 到基帶。利用大到足以容納任何未知頻偏的低通濾波器來濾波該基帶信 號。經濾波的信號被下采樣，取子采樣信號的FFT，其中FFT大小取決于感 測窗口的停頓時間。通過尋找出FFT輸出平方的最大值的位置、并在多個 停頓之間對其進行比較，來執行導頻位置檢測。


在附圖的各個圖上圖示了本發明的各種實施例，這些實施例打算是示
例性的而不是限制性的，在這些圖上，同樣的參考符號被規定為是指同樣
的或對應的部件，其中
圖l圖示傳統的ATSC 8-VSB發射機的框圖2是圖示圖1的VSB信號的場同步信號的結構的圖3圖示了顯示按照本發明實施例的檢測器的框圖。
圖4是一個流程圖，其圖示了用于通過基于既有信號中的導頻能量來
執行基于FFT的導頻檢測、從而檢測具有低信噪比的既有信號的存在的方法。
5圖5是一個流程圖，其圖示了用于通過借助于觀測連續間隔上最大 FFT值的位置來執行基于FFT的導頻檢測、從而檢測具有低信噪比的既有 信號的存在的本發明另 一 實施例。
圖6圖示了針對IO個停頓(即N-10)檢測具有強導頻的信號x(t)時 的32點FFT的模擬結果，其中該檢測M于所檢測的信號x(t)中的導頻 的能量；
圖7圖示了針對10個停頓(即N=10)檢測具有弱導頻的信號x(t)時 的32點FFT的模擬結果，其中該檢測;l^于所檢測的信號x(t)中的導頻 的能量；以及
圖8圖示了針對10個停頓(即N=10)檢測具有弱導頻的信號x(t)時 的256點FFT的模擬結果，其中該檢測M于所檢測的信號x(t)中的導頻 的能量。
具體實施例
現在從示例性系統、方法和設備幾個方面來更詳細地描述本發明，所 述示例性系統、方法和設備通過執行基于FFT的導頻檢測來快速和魯^^奉地 檢測尤其是具有低信噪比的既有信號的存在，而提供魯棒的和有效的解決 方案。頻譜感測是用于動態頻譜接入的關鍵使能者，因為它可以允許次要 網絡再用頻譜而不會對主要用戶造成有害干擾。因此，本發明在某種程度 上可被表征為以基于FFT的頻譜檢測為基礎的頻譜感測技術。
本發明可適用于與一個或多個感測停頓(窗口 ) 一起使用，其通過允 許保持次要業務的QoS而不管定期安排的感測窗口 ，從而很適合于MAC感 測體系結構。
這里描述的頻譜感測具體地但不排他地^皮設計用于在高度動態和密 集的網絡中運行，并且已在IEEE 802.22標準的當前草案中被采用。這里 描述的頻譜感測被設計成主要保護兩種類型的既有業務，即，TV業務和無 線話筒。具體地，無線話筒是頻譜的經許可的次要用戶，FCC允許它在不 產生干擾的基礎上在空閑的TV頻道上運行。
圖1圖示被使用來有規律地插入和傳送已知數據的傳統數字廣播傳輸 設備的框圖。它是標準的8電平殘余邊帶(VSB)傳輸設備，其包括隨機 函數發生器10、里德-所羅門(Reed-Solomon， RS)編碼器12、交織器14、 網格編碼器16、復用器(MUX)18、導頻插入器20、 VSB調制器22和射頻元流中。導頻信 號在隨機化和錯誤編碼(error coding)級之后^皮插入，以免破壞這些信 號所擁有以便有效的固定的時間和振幅關系。在數據被調制之前，對8-VSB 基帶信號施加小的DC移位。這使得在最終得到的調制頻譜的零頻率點處 出現小的殘余栽波，這是由導頻插入器20提供的導頻信號。這給予VSB 接收器中的RF鎖相環(PLL)電路某信號來鎖定到其上，所述某信號與所 傳送的數據無關。在導頻信號被導頻插入器20插入后，輸出受VSB調制 器22支配。VSB調制器22將碼元流調制成中頻頻段的8 VSB信號。VSB 調制器22提供在標準頻率(在美國是44MHz)上的、經濾波的(根升余弦) IF信號，其中一個邊帶的大部分被去除。具體地，八電平基帶信號被調幅到中頻(IF)載波上。該調制產生在 載波頻率周圍的雙邊帶IF頻譜。然而，總的頻譜太寬以致于無法在指派 的6MHz頻道中傳送。由調制所產生的旁瓣僅僅是中心頻譜的經縮放的復 制品，整個下邊帶是上邊帶的鏡像。所以，通過使用濾波器，VSB調制器 丟棄了整個下邊帶和在上邊帶中的全部旁瓣。剩余的信號——中心頻譜的 上半部分一一通過使用奈奎斯特濾波器被進一步去除二分之一。奈奎斯特 濾波器是基于奈奎斯特理論，該理論概括為以給定的采樣速率傳送數字 信號只需要l/2頻帶寬度。進一步按照圖1， RF(射頻)轉換器24把來自VSB調制器22的中頻頻 帶的信號轉換成RF頻帶信號的信號，并通過天線26把該信號傳送到接收 系統。8 - VSB信號的每個數據幀具有兩個場，即奇場和偶場。兩個場各具有 313個分段，其中第一分段對應于場同步(sync)信號。圖2是圖示圖1 的8-VSB信號的場同步信號的結構的圖。如圖2所示，奇場和偶場的每 個分段具有832個碼元。每個奇場和偶場中的每個分段的頭四個碼元包含 分段同步信號(4-碼元數據-分段-同步(DSS))序列。為了使VSB信號是更可接收的，把訓練序列嵌入到VSB信號的每個奇 場和偶場的第一分段(包含場同步信號)中。場同步信號包括用于信道均 衡器的四個偽隨機訓練序列由511個符號組成的偽隨機數(PN) 511序 列；和三個PN63序列，每個PN63序列由63個碼元組成。每當場改變時， 所述三個PN63序列的第二個PN63序列的符號也變化，由此表明一個場是數據幀的第一(奇)場還是第二(偶)場。同步信號檢測電路通過使用PN511 序列確定所接收的多徑信號的幅度和位置(相位)的分布，并生成對于諸 如譯碼操作那樣的各種DTV接收操作所必需的多個同步信號。參考圖3,其示出了檢測器500的示例性實施例。應當理解，檢測器 500的參數可以根據所期望的感測時間、復雜度、漏檢概率以及虛警概率 來選擇。按照圖3，檢測器500包括天線311、調諧器313、 A/D轉換器315、 復混頻器317、窄帶濾波器319、子采樣單元321、 FFT單元323、以及能 量/位置檢測器325。調諧器313被用于接收既有信號39并提供低IF (LIF)信號43。模 數(A/D)轉換器315被用于以最高頻率的至少兩倍的采樣速率對該低IF (LIF )信號43進行采樣，并將該低IF ( LIF )信號43轉換成數字LIF信 號45。該數字LIF信號45作為第一輸入被提供給復混頻器317,在其中 該信號與從振蕩器(未示出)輸出的參考信號55相組合，該振蕩器具有 等于載波頻率的特征頻率f。。復混頻器317輸出復解調基帶信號47。復解 調基帶信號47作為輸入被提供給窄帶濾波器319,該窄帶濾波器319被用 于執行低通濾波并產生經濾波的復解調基帶信號49。子采樣單元321對經 濾波的復解調基帶信號49進行下采樣，并輸出下采樣的經濾波的復解調 基帶信號51。 FFT單元323接收該下采樣的經濾波的復解調基帶信號51， 生成FFT窗口并對該下采樣的經濾波的復解調基帶信號51執行FFT處理。 FFT單元323輸出多個頻域分量信號53。能量/位置檢測器325接收該多 個頻域分量信號53，并輸出有關既有信號39存在與否的單一確定。在這里所描述的每個實施例中，閾值的選擇由所期望的虛警概率 確定。圖4是一個流程圖，其圖示了用于通過基于既有信號中的導頻能量來 執行基于FFT的導頻檢測、從而檢測具有低信噪比的既有信號的存在的本 發明另一實施例。作為例子，待檢測的載波信號x(t)被假定是在5. 38MHz 的低IF上的帶通信號，其標稱導頻位置為2.69MHz。還假定該信號以 21. 52MHz ^皮采樣。然而，應理解，參考圖4所描述的動作可以通過適當的修改而被實現 來檢測任何包括導頻的信號，其中該信號以任何IF或RF頻率被傳送并以 任何適當的采樣速率被采樣。在框602中，利用f。=2. 69MHz的標稱頻偏將 接收的信號解調到基帶。該標稱頻偏被應用來將導頻信號放置得靠近DC。x(t)=在低IF (例如5. 38MHz)上的實帶通信號 y (t) -x (t) e—"""-在基帶上的復解調信號在框604，用有帶寬的低通濾波器對復解調基帶信號y(t)進行濾波。 通常，該濾波器帶寬大得足以容納信號中任何未知的頻偏。在一些實施例 中，通過使濾波器帶寬變窄，可以使導頻能量檢測更魯棒而不損害帶有大 的頻偏的信號的可檢測性。在框606，對經濾波的信號y(t)進行從21. 52MHz 到53. 8KHz的下采樣。在框608,取該下采樣的信號的FFT，以生成多個 頻域分量信號。FFT的長度可以取決于停頓時間而變化。例如，1ms的停 頓將允許32點FFT。 5ms的停頓將允許512點FFT。應指出，增加停頓時 間會提高性能。在框610，在單個停頓中，識別FFT輸出平方的最大值以 及它的位置。在框612，將這個值與能量閾值相比較，以檢測信號的存在。應認識到，以上動作可以由諸如微處理器、DSP等的處理單元以軟件 或固件形式來執行。在另一實施例中，該創新性的導頻能量檢測引入了多個停頓以便基于 位置來確定既有信號的存在與否。例如，可以考慮N個停頓，其中N是大 于1的正整數。圖5是一個流程圖，其圖示了用于通過借助于觀測連續間隔上最大 FFT值的位置來執行基于FFT的導頻檢測、從而檢測具有低信噪比的既有 信號的存在的本發明另一實施例。在框702中，利用示例性的f>2. 69MHz 的標稱頻偏將接收的信號解調到基帶，該標稱頻偏-陂應用來將導頻信號放 置得靠近DC。x(t)=在低IF (例如5. 38MHz)上的實帶通信號y (t) =x (t) e—""「"-在基帶上的復解調信號在框704，.利用低通濾波器對復解調基帶信號y(t)進行濾波。通常， 該濾波器帶寬應當大到足以容納該信號中的任何未知的頻偏。在框706, 對經濾波的信號y (t)進行從示例性的21. 52MHz到53. 8KHz的下采樣。在 框708，在N個連續的停頓中獨立地執行下采樣信號的x-點FFT，從該FFT 分別輸出N個獨立的512x1矢量V,至VN。 x-點FFT的大小優選為2的冪， 例如(32xl)， {64xl}， {128x1}或{512x1} FFT。V嚴[(FFL—!)， (FFT。ut—2), (FFT。ut—512)]9VN=[(FFL—,)， (FFL—2)， ...... (FFT。ut—512)]
應理解，對于可能使用的停頓的數量沒有約束或限制。換句話說，停 頓的數量N可以是等于或大于1的正整數。所使用的FFT的長度與每個停 頓的停頓時間有關。例如，1ms停頓允許32點FFT，而5ms停頓允許512 點FFT。
在框710， V!至Vw的矢量集合被分成多個(M個)組。在本發明的一 個實施例中，Vi至Vw的矢量集合被分成兩個組，因此M-2。優選地，每個 組包含同樣數量的矢量。例如，在兩個組(M=2)的情況下，每個組具有 N/2個矢量。即，第一組由矢量(Vi至Vn,2)組成，而第二組由(Vn,2至VJ組 成。
應理解，對于可從初始矢量集合N創建的組的數量M沒有約束或限制。 例如，在一個實施例中，預期把由矢量V!至VJ且成的矢量集合N分成四個 組(M=4)，其中每個組由N/4個矢量組成。類似地，在另一實施例中，預 期把由矢量Vi至Vw組成的矢量集合N分成8個組(M=8)，其中每個組由 N/8個矢量組成。
在框712,分別取各組中的每個矢量的平均。例如，在N-10，M-2以及 FFT=512的情況下，分別取兩組中每組的5個矢量的平均。在框714，識 別出每個矢量組中的單個最大矢量值fmax。
在框716,在N-l 0且M=2的情況下，差值D被計算為最大矢量值f嗎— 和w一之間的差。在有多個組的情況下，計算每個組之間的差值。例 如，在4個組的情況下，計算8個差值。在框718，把最大的(或唯一的) 差值D^與閾值相比較，以確定既有信號存在與否。
圖6圖示了針對單個停頓(即N-l)檢測包括強導頻的信號x(t)時的 32點FFT所獲得的模擬結果，其中該檢測是基于被檢測的信號x(t)中的 導頻的能量。圖7圖示了在嘗試檢測弱導頻信號時使用32點FFT的缺點。 在這種情況下，用更高階FFT來提取弱導頻信號是優選的。圖8圖示了當 使用更高階FFT時，具有改進的分辨率的更佳的性能結果。如圖10所示， 256點FFT容易地檢測到衰落的導頻信號，這是使用圖7的32點FFT不能 實現的。
應認識到，可用另一算法來代替FFT。還應認識到，對于平均間隔的 長度沒有約束或限制。例如，10ms的單個長停頓可以與512-點FFT (或 另一算法)一起被使用來獲得更佳的檢測性能。像數字ATSC標準那樣，模擬全國電視系統委員會(NTSC)廣播信號 也包含導頻信號和其它已知的同步信號分量，其可被用于接收機的位置定 位(position location)。本發明適用于模擬NTSC廣播信號。例如，水 平掃描同步信號在63. 6微秒的每個水平掃描時間中出現。這個63. 6微秒 等同于先前討論的分段時間間隔，而這個水平掃描同步信號起到與數字 ATSC標準的分段同步比特波形相似的作用。對于這些模擬TV廣播信號， 還存在周期性地出現的已知的重影抵消參考(GCR)信號，該信號被TV接 收機使用來在從發射機到接收機的信號傳播期間對抗多徑。這個GCR信號 類似于數字ATSC廣播信號的場同步分段信號。本發明還擴展到其它類型 的模擬TV廣播信號。
歐洲電信標準協會(ETSI )建立了數字視頻廣播-地面(DVB-T )標準， 它是基于正交頻分復用(OFDM)信號的使用。本發明可適用于DVB-T和密 切相關的日本綜合業務數字廣播-地面USDB-T)系統。DVB-T系統的8K 才莫式例如由6816個OFDM載波組成，其中每個載波用896微秒持續時間的 編碼數據碼元進行QAM調制(QPSK是特殊情形)。6816個數據碼元的整 個組被稱為這個DVB-T廣播信號的一個碼元。具有896微秒持續時間的載 波的一個個QAM調制碼元有時被稱為信元(cell)。這些信元中有許多是 固定的，并在TV接收機處被用于同步目的。這些已知的同步信元，即所 謂的導頻載波或信元，可被使用來根據本發明確定接收機的位置定位。
本發明可適用于其它的0FDM廣播信號，諸如ETSI數字音頻廣播(DAB ) 和美國帶內同頻(IB0C )數字音頻廣播系統。OFDM音頻廣播信號也被Sir ius 與XMRadio的衛星數字音頻無線電服務(SDARS)系統的地面中繼站使用。
在這里所描述的實施例中，為了快速和魯棒地檢測既有用戶的存在，
法，該方法依靠(leverage on)既有信號中導頻的已知位置以便檢測既 有信號的存在。以這種方式，本發明對于合并了至少一個導頻信號的任何 既有信號具有普遍的適用性。此外，本發明尤其但不排它地，適合于具有 低信噪比的載波信號。
按照本發明的不同的實施例，本發明的基于FFT的導頻檢測可以基于 不同的準則，包括但不限于被檢測的信號中的導頻的位置，或被檢測的 信號中的導頻的能量。在其它的實施例中，預期有各種組合的方案，這些 方案將導頻檢測的這些準則(例如位置和能量)組合起來。
ii于以上的教導，有可能作出許多修改和變化。本發明的范圍不打算由本詳 細說明來限制，而是打算由所附的權利要求及其等同物來限制。
權利要求
1.一種用于檢測既有信號(39)的存在的方法，包括對接收的信號(51)執行頻域變換，以生成多個頻域分量(53)；從所述多個頻域分量(53)中識別出最大頻域分量；取所識別的最大頻域分量的平方；以及將平方后的最大頻域分量與檢測閾值相比較，以確定既有信號是否存在。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述頻域變換是x-點FFT變換。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中所述x-點FFT變換在單個停頓 中執行。
4. 根據權利要求2所述的方法，其中所述x-點FFT變換在多個停頓 中執行。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中所述頻率變換是功率譜密度變換。
6. 根據權利要求1所述的方法，還包括在所述導頻周圍的區域中低通 濾波該接收的信號，其中所述導頻處在該既有信號(39)的已知位置。
7. —種用于檢測既有信號(39)的存在的方法，包括 解調既有信號(39)，以生成復解調基帶信號(47); 低通濾波該復解調基帶信號(47),以生成經濾波的復解調基帶信號(49);對所述經濾波的復解調基帶信號(49)進行下釆樣，以產生下采樣的 經濾波的復解調基帶信號(51 );對所述下采樣的經濾波的復解調基帶信號(51)執行頻域變換，以識 別從所述頻域變換輸出的經平均的獨立矢量的最大差值；以及將所述最大差值與閾值相比較，以確定既有信號是否存在。
8. 根據權利要求7所述的方法，還包括在N個連續的停頓中對所 述下采樣的經濾波的復解調基帶信號執行FFT運算；從所執行的FFT運算 生成N個獨立的矢量；將該N個獨立的矢量分成M個子組；對M個子組 的每個子組中的獨立矢量取平均，從而產生所述M個子組中每個子組的單 個經平均的獨立矢量；計算該每個子組的單個經平均的獨立矢量中每個之 間的差值；以及從所計算的差值中識別出所述的最大差值。
9. 根據權利要求7所述的方法，其中所述頻域變換是x-點FFT變換。
10. 根據權利要求9所述的方法，其中所述x-點FFT變換在單個停頓 中執行。
11. 根據權利要求9所述的方法，其中所述FFT運算在多個停頓中執行。
12. 根據權利要求7所述的方法，其中所述頻域變換是功率譜密度變換。
13. —種用于檢測既有信號的存在的系統，包括 用于對接收的信號執行頻域變換以生成多個頻域分量的單元，所述單元從所述多個頻域分量中識別出最大頻域分量，其中所識別的最大頻 域分量^t平方；以及檢測器，用于將所述被平方的最大頻域分量與檢測閾值相比較， 以確定既有信號是否存在。
14. 一種用于檢測既有信號的存在的系統，包括 用于解調既有信號以生成復解調基帶信號的單元，所述單元低通濾波該復解調基帶信號以生成經濾波的復解調基帶信號，并對經濾波的復 解調基帶信號進行下采樣以產生下采樣的經濾波的復解調基帶信號；FFT單元，用于對所述下采樣的經濾波的復解調基帶信號執行頻 域變換，以便識別出從所述頻域變換輸出的經平均的獨立矢量的最大差 值；以及檢測器，用于將所述最大差值與閾值相比較，以確定既有信號是否存在。
全文摘要
檢測既有信號的存在，以便允許次要用戶與對頻譜具有優先訪問權的既有用戶共享頻譜空白空間。將該頻譜讓出與既有用戶，以預防任何潛在的有害干擾和使得能進行頻譜共享。通過對接收的信號(51)執行頻域變換以生成多個頻域分量(53)，從而檢測既有信號(39)的存在。從所述多個頻域分量(53)中識別出最大頻域分量。取所識別的最大頻域分量的平方，并將結果與檢測閾值相比較，以確定既有信號是否存在。
文檔編號H04B1/10GK101636920SQ200880008900
公開日2010年1月27日 申請日期2008年3月19日 優先權日2007年3月19日
發明者M·戈什 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司