認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的數(shù)字電視信號檢測方法
【專利摘要】認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的數(shù)字電視信號檢測方法，屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明由認(rèn)知用戶根據(jù)DTMB標(biāo)準(zhǔn)在本地產(chǎn)生的PN序列(長度為LpN)中截取兩段間隔為p(p≤LPN-L)且長度相同PN子序列(長度為L，且L<LpN)，然后與接收信號r(n)進(jìn)行相關(guān)計算，得到相關(guān)結(jié)果R(n)；然后進(jìn)行峰值搜索，得到最高峰的模值max(|R1(n)|)；最后將最高峰的模值max(|R1(n)|)與檢測門限λ進(jìn)行比較，若max(|R(n)|)>λ，則判斷檢測到數(shù)字電視信號；若max(|R(n)|)<λ，則判斷未檢測到數(shù)字電視信號。本發(fā)明針對現(xiàn)有基于波形監(jiān)測方法中的相關(guān)計算部分進(jìn)行了改進(jìn)，使得相關(guān)峰值與載波頻偏無關(guān)，從而抑制了載波頻偏對相關(guān)峰的影響，降低了系統(tǒng)對同步的要求，最終實現(xiàn)了認(rèn)知無線電用戶在認(rèn)知無線電環(huán)境中對對數(shù)字電視信號的快速、準(zhǔn)確地檢測。
【專利說明】認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的數(shù)字電視信號檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及認(rèn)知無線電通信技術(shù)，尤其涉及數(shù)字電視無線傳輸頻段的認(rèn)知無線電通信系統(tǒng)與方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球范圍內(nèi)移動用戶數(shù)的快速增長、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展以及便攜式計算機(jī)設(shè)備的廣泛使用，通信系統(tǒng)對無線頻譜資源的需求也在不斷增加，從而導(dǎo)致無線頻譜資源越來越緊張，可用頻譜的缺乏已經(jīng)成為高性能無線通信技術(shù)發(fā)展的嚴(yán)重障礙。然而從近年的一些研究結(jié)果可以看到，頻譜資源的缺乏不是真正意義上的頻譜不足，更多是因為現(xiàn)有的頻譜管理和分配政策不合理造成的。以北京為例，北京地區(qū)頻譜占用度測試結(jié)果表明，已分配頻譜的總體利用率很低，大部分頻段的占用度低于5%，有些頻段甚至完全空閑。已授權(quán)的VHF/UHF電視頻段同樣存在上述問題。VHF/UHF電視頻段的電波具有良好的傳播特性，可以輕易穿越障礙，覆蓋效果好，很適宜用于無線寬帶通信。所以對空白電視頻段加以合理利用，有助于緩解頻譜資源緊張問題。
[0003]近年來，一種被稱為認(rèn)知無線電的動態(tài)頻譜利用技術(shù)正受到廣泛的關(guān)注。認(rèn)知無線電的基本思想是:在不對授權(quán)頻段的主用戶產(chǎn)生有害干擾的前提下，認(rèn)知用戶通過擇機(jī)的方式接入授權(quán)頻段，以提高頻譜利用率。認(rèn)知無線電技術(shù)能有效地改善當(dāng)前頻譜分配利用模式的不均衡性，為實現(xiàn)頻譜動態(tài)管理，解決頻譜資源不足提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。隨著對認(rèn)知無線電的關(guān)注，一些頻譜管理機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化組織也紛紛開展相關(guān)研究。2004年5月美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)發(fā)布了電視頻譜再利用的提案，計劃開放VHF/UHF電視頻段給認(rèn)知用戶使用。同年11月基于認(rèn)知無線電技術(shù)的EEE802.22工作組成立，并提出在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，非授權(quán)用戶在不影響VHF/UHF電視頻段已有授權(quán)用戶的前提下，可以對空白電視頻段加以利用。
[0004]認(rèn)知無線電系統(tǒng)是一種能夠感知周圍環(huán)境的智能無線通信系統(tǒng)，能從環(huán)境中學(xué)習(xí)，并根據(jù)環(huán)境的變化動態(tài)調(diào)整相關(guān)參數(shù)(例如:工作頻率、發(fā)射功率、調(diào)制方式等)來有效利用空閑頻譜資源，同時避免對其他系統(tǒng)的干擾。認(rèn)知無線電技術(shù)的重要功能之一是感知無線電環(huán)境，使其能夠發(fā)現(xiàn)可利用的頻譜空間，并有效地利用它們進(jìn)行通信傳輸。它是以“盲”的方式工作的，也無法看到其它的無線電設(shè)備，它們對外部世界的認(rèn)識信息是建立在自己的“感覺”上的，這種“感覺”的功能就稱為頻譜感知。所以頻譜感知是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，對認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的頻譜感知的研究具有重要意義。
[0005]頻譜感知包括兩方面的內(nèi)容:一是感知在目標(biāo)頻段是否存在授權(quán)用戶信號，并判斷該頻段是否處于空閑狀態(tài)，從而決定認(rèn)知用戶能否使用該頻段；二是認(rèn)知用戶在使用該空閑頻段時，同時還需要監(jiān)測授權(quán)用戶是否需要接入該頻段，如果授權(quán)用戶出現(xiàn)，則認(rèn)知用戶必須立刻退出，以避免對授權(quán)用戶造成干擾。因此頻譜感知能夠在不對授權(quán)用戶造成干擾的條件下實現(xiàn)頻譜的有效利用。
[0006]頻譜感知技術(shù)以檢測節(jié)點(diǎn)個數(shù)劃分，可分為單節(jié)點(diǎn)檢測和協(xié)同檢測。單節(jié)點(diǎn)檢測是指單個認(rèn)知節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地的無線射頻環(huán)境進(jìn)行頻譜特性標(biāo)識；而協(xié)同檢測是在單節(jié)點(diǎn)檢測的基礎(chǔ)上，針對隱藏終端和信道衰落問題提出的頻譜感知方法，通過將單節(jié)點(diǎn)的檢測結(jié)果進(jìn)行合并處理，進(jìn)行信息融合，從而實現(xiàn)對授權(quán)用戶的準(zhǔn)確檢測。從中可以知道，單節(jié)點(diǎn)的檢測性能對協(xié)同檢測會有很大影響，所以對單節(jié)點(diǎn)檢測進(jìn)行研究，對頻譜感知技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
[0007]VHF/UHF電視頻段的授權(quán)用戶主要為模擬電視信號和數(shù)字電視信號。但是隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電視技術(shù)的不斷發(fā)展，模擬電視將退出歷史舞臺，數(shù)字電視的發(fā)展呈現(xiàn)出強(qiáng)勁優(yōu)勢。2009年6月12日美國當(dāng)?shù)孛癖姀氐赘鎰e了模擬電視信號，迎來了數(shù)字化電視時代。中國將于2015年全面停止播出模擬電視節(jié)目，模擬電視將被數(shù)字電視和網(wǎng)絡(luò)電視所取代。所以在對VHF/UHF電視頻段授權(quán)用戶特點(diǎn)進(jìn)行研究時，對數(shù)字電視信號特點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)研究更有意義。
[0008]中國國家數(shù)字電視領(lǐng)導(dǎo)小組于2006年8月18日正式頒布了《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》(GB20600-2006)地面數(shù)字電視廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)，即DTMB標(biāo)準(zhǔn)。由DTMB標(biāo)準(zhǔn)可知，中國數(shù)字電視信號采用創(chuàng)新的TDS-OFDM調(diào)制方式，在時域的OFDM符號之間插入PN序列作為保護(hù)間隔(同時作為同步和信道估計所用)，傳輸?shù)臄?shù)字電視信號中的PN序列常為已知序列，并且在每一個信號巾貞的巾貞頭重復(fù)。DTMB標(biāo)準(zhǔn)一共定義了三種幀頭模式:幀頭模式一(PN420)、幀頭模式二(PN595)、幀頭模式三(PN945)，其中PN420與PN945兩種模式采用TDS-OFDM多載波調(diào)制。數(shù)字電視信號幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，一個信號幀由幀頭和幀體兩部分時域信號組成。幀頭部分包括了一個前同步，一個PN序列和一個后同步，其中PN序列由一系列復(fù)數(shù)符號組成，該復(fù)數(shù)符號采用QPSK調(diào)制方式。PN序列中乜個樣本是基于m序列產(chǎn)生的，前/后同步是PN序列的周期擴(kuò)展，長度分別為1_和lp()St。幀體部分包括了 36個符號的系統(tǒng)信息和3744個符號的數(shù)據(jù)信息，共3780個符號，采用的是CFDM調(diào)制方式。
[0009]針對數(shù)字電視信號，目前在認(rèn)知無線電通信系統(tǒng)中常用的檢測方法是單節(jié)點(diǎn)檢測方法，主要有能量檢測方法、循環(huán)平穩(wěn)檢測方法和基于波形的檢測方法。能量檢測方法簡單、易實現(xiàn)，在實際應(yīng)用中表現(xiàn)良好特性。能量檢測雖然可以對信號的出現(xiàn)進(jìn)行判決，但是不能對不同類型的信號加以區(qū)分。因此能量檢測無法判斷接收到的信號是來自授權(quán)用戶還是噪聲或干擾，所以判決容易受到其他信號的影響，在信噪比低的條件下，對授權(quán)用戶的檢測會不準(zhǔn)確。循環(huán)平穩(wěn)特征檢測方法無需知道信號的先驗信息而且能夠區(qū)分是否是噪聲和有用信號，和能量檢測相比對授權(quán)用戶有較好的檢測性能。但是，循環(huán)平穩(wěn)特征檢測計算的復(fù)雜度高，要求的觀測時間較長，不能很好的實現(xiàn)對授權(quán)用戶的快速檢測?；诓ㄐ蔚臋z測方法需要已知電視信號的模式，檢測所需時間短，檢測性能優(yōu)于能量檢測，但是基于波形的檢測對信號同步的要求很高，當(dāng)接收到的信號的載波頻偏較大時，基于波形檢測的檢測性能會發(fā)生極大衰減。
[0010]針對上述背景可知，傳統(tǒng)的頻譜感知技術(shù)中基于波形的檢測方法利用了數(shù)字電視信號幀頭PN序列已知的特點(diǎn)，檢測性能優(yōu)于能量檢測和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測，但是面臨實際的感知環(huán)境，因為信號收發(fā)兩端的本地振蕩器不完全相同，接收到的信號會發(fā)生載波頻偏。載波頻偏的出現(xiàn)會降低基于波形檢測的檢測靈敏度，從而難以達(dá)到認(rèn)知無線電系統(tǒng)的檢測要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明針對現(xiàn)有認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)中基于波形的信號檢測方法所存在的技術(shù)問題，即對信號同步的要求很高，當(dāng)接收到的信號的載波頻偏較大時，基于波形檢測的檢測性能會發(fā)生極大衰減，提供一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的數(shù)字電視信號檢測方法，該方法對同步幾乎沒有嚴(yán)格要求，可以克服載波頻偏對檢測性能的影響，在大載波頻偏的條件下，保持檢測靈敏度不變，具有良好的穩(wěn)健性；并在低信噪比條件，實現(xiàn)對授權(quán)用戶的快速準(zhǔn)確檢測。
[0012]本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0013]認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的數(shù)字電視信號檢測方法，如圖2所示，包括以下步驟:
[0014]步驟1:認(rèn)知無線電用戶在頻譜感知或使用目標(biāo)頻段過程中，周期性的接收在認(rèn)知環(huán)境下的目標(biāo)數(shù)字電視頻段信號，將該信號記為接收信號r (η)。
[0015]步驟2:認(rèn)知無線電用戶從自身PN序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的本地PN序列中截取兩段長度相同PN子序列；其中本地PN序列滿足DTMB標(biāo)準(zhǔn)，長度記為LpN，兩段PN子序列長度記為L (L〈LpN)，兩段PN子序列的間隔為P (P≤Lpn-L)。
[0016]步驟3:將步驟2所得兩段PN子序列與步驟I所述接收信號r (η)進(jìn)行相關(guān)計算，得到相關(guān)結(jié)果R(n)，具體計算公式為:

【權(quán)利要求】
1.認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的數(shù)字電視信號檢測方法，包括以下步驟: 步驟1:認(rèn)知無線電用戶在頻譜感知或使用目標(biāo)頻段過程中，周期性的接收在認(rèn)知環(huán)境下的目標(biāo)數(shù)字電視頻段信號，將該信號記為接收信號Hn); 步驟2:認(rèn)知無線電用戶從自身PN序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的本地PN序列中截取兩段長度相同PN子序列；其中本地PN序列滿足DTMB標(biāo)準(zhǔn)，長度記為LpN，兩段PN子序列長度記為L，且L〈LpN,兩段PN子序列的間隔為P,且P < Lpn-L ； 步驟3:將步驟2所得兩段PN子序列與步驟I所述接收信號r (η)進(jìn)行相關(guān)計算，得到相關(guān)結(jié)果R (η)，具體計算公式為:

1-1
Σ[ (尸AT (/.)./'(/7+/)).、ΡΝ* (/'+ ρ)τ(η f "+,))]

/=O 其中:ΡΝ*α)為第一 PN子序列PN⑴的共軛轉(zhuǎn)置，PN*(i+p)為第二 PN子序列PN (i+p)的共軛轉(zhuǎn)置，r(n+i)表示r(n)中從i開始的長度為L的一段接收信號，r (n+p+i)表示r(n)中從P+i開始的長度為L的一段接收信號，(PN*(i).Ηη+?)廣表示PN*(i) *r(n+i)的共軛轉(zhuǎn)置，符號“.”表示點(diǎn)乘，i表示相關(guān)計算的起始位，且i = 1，2^“，L-1; 步驟4:對步驟3所得相關(guān)結(jié)果R(n)進(jìn)行峰值搜索，取出最高峰的模值max (| R1 (η) |)作為檢測統(tǒng)計量； 步驟5:根據(jù)檢測理論NP準(zhǔn)則中虛警概率pf和門限λ的關(guān)系式: I — ~ λ = ν“σ'' "σ' 廣ln' 通過設(shè)定虛警概率得到適當(dāng)?shù)貦z測門限λ ;其中O2w為噪聲平均功率，O2pn為本地PN序列的平均功率； 步驟6:將檢測統(tǒng)計量max (I R (η) |)和門限λ作比較，若max (| R (η) |) > λ，則判斷檢測到數(shù)字電視信號^max(|R(n) I )〈 λ，則判斷未檢測到數(shù)字電視信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的數(shù)字電視信號檢測方法，其特征在于，步驟2中所述兩段PN子序列長度L的選擇應(yīng)根據(jù)數(shù)字電視信號檢測靈敏度、復(fù)雜度和檢測時間因素綜合折中確定，至少應(yīng)在不超過系統(tǒng)所要求的檢測時間的前提下，來保證認(rèn)知用戶在低信噪比條件下的檢測性能。
【文檔編號】H04N17/00GK104185021SQ201410401372
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】劉光輝, 朱婧, 朱美松, 顧宇斌 申請人:電子科技大學(xué)