短波信道下頻譜感知技術(shù)探析

高海濤　崔曉鵬

[摘 要]實(shí)現(xiàn)短波信道實(shí)時準(zhǔn)確的頻譜感知是提高短波頻譜利用率的重要途徑，也是下一代短波寬帶高速數(shù)字通信系統(tǒng)提高傳輸速率和信道容量的重要研究方向之一，討論了幾種頻譜感知方法，提出了能量和循環(huán)譜特征聯(lián)合檢測的思想，以便將頻譜感知技術(shù)運(yùn)用到短波頻譜環(huán)境中去。

[關(guān)鍵詞]短波信道；頻譜感知；能量和循環(huán)譜特征聯(lián)合檢測

短波信道具有通信距離遠(yuǎn)、機(jī)動性好等特點(diǎn)，在軍用和民用通信中一直占據(jù)著非常重要的地位，但短波信道是典型的衰落信道，其快速變化運(yùn)動和多徑傳播導(dǎo)致信號的時域展寬、頻域彌散和衰落現(xiàn)象，嚴(yán)重影響短波通信鏈路的質(zhì)量。隨著短波通信應(yīng)用對帶寬需求的提高，短波通信的未來發(fā)展趨勢是寬帶高速數(shù)字通信系統(tǒng)，要求有很高的通信信道質(zhì)量保證，因此，頻率選擇問題就顯得越來越重要。在短波通信領(lǐng)域，頻譜資源日益匱乏、信道不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量不高的現(xiàn)狀始終沒有得到比較好的改善。同時，大量研究表明，短波頻譜在頻域上和時域上都布滿著大量的頻譜空洞，這就要求系統(tǒng)具有感知、探測頻譜資源的能力。

認(rèn)知無線電技術(shù)是解決不斷增長的無線通信應(yīng)用需求與日益緊張的無線頻譜資源之間矛盾的一種有效的解決途徑，可以實(shí)現(xiàn)高效靈活的頻譜資源配置和工作狀態(tài)調(diào)整。頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)，被認(rèn)為是解決無線頻譜低利用率的有效途徑。將頻譜感知技術(shù)引入到短波系統(tǒng)中，對短波頻段進(jìn)行頻譜感知，實(shí)時找出可用頻譜資源，為下一步根據(jù)通信需要進(jìn)行頻率選擇提供很好的基礎(chǔ)。

目前，研究較多的頻譜感知方法主要有：波形感知、匹配濾波、能量檢測、循環(huán)譜特征檢測等。這里結(jié)合短波信道的特點(diǎn)，對各種頻譜感知方法進(jìn)行研究和分析。為檢測短波波段內(nèi)的頻譜空洞，將待檢測頻譜內(nèi)出現(xiàn)的除噪聲信號外的信號，統(tǒng)稱為干擾信號。

一、頻譜感知方法分析

1.波形感知

根據(jù)先驗信息產(chǎn)生本地干擾信號，將接收信號與本地信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)干擾信號檢測。文獻(xiàn)指出，波形感知的檢測性能取決于感知設(shè)備構(gòu)造的信號。文獻(xiàn)的結(jié)論表明本地信號與接收信號同步越精確，檢測性能越好。波形感知的缺點(diǎn)是需要知道干擾信號的波形特征，只能檢測部分已知信號波形的干擾信號，不具有普適性。

2.匹配濾波

匹配濾波器法是一種最優(yōu)的檢測方法，它處理時間短、增益高，在輸出端能夠使信噪比達(dá)到最大，可以在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)干擾用戶信號檢測。但它的缺點(diǎn)在于需要解調(diào)干擾信號，這就意味著對于短波臺站來說，必須了解干擾信號的信號特征。這些先驗信息必須預(yù)先存儲在短波臺站設(shè)備中，并且設(shè)備必須具有與各種干擾信號相應(yīng)的接收模塊。考慮到短波通信系統(tǒng)，可能存在的干擾信號多，信號樣式多樣，短波電臺由于復(fù)雜度要求不可能具有所有干擾信號對應(yīng)的接收模塊，所以匹配濾波方法不適用于短波通信系統(tǒng)。

3.能量檢測

能量檢測是一種簡單實(shí)用的信號檢測方法，不需要知道干擾信號的任何先驗信息，可以通過計算接收信號功率實(shí)現(xiàn)，也可利用FFT實(shí)現(xiàn)，主要有預(yù)濾波能量檢測和周期圖能量檢測等兩種方法。能量檢測的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，計算復(fù)雜度低，可以快速實(shí)現(xiàn)干擾用戶的檢測，其不足是在低信噪比條件下，信號淹沒在噪聲里，無法實(shí)現(xiàn)信號檢測。

周期圖能量檢測方法是一種經(jīng)典的譜估計方法。它是估計信號的功率譜密度進(jìn)而得到一定帶寬內(nèi)信號能量分布，根據(jù)功率譜密度大小來判定信號是否存在。周期圖方法也不需要信號的先驗知識，它是以傅立葉變換為基礎(chǔ)的，可以利用FFT來減小計算量。假設(shè)采樣后接收信號為：

其中為待檢測的干擾信號，為高斯白噪聲。那么周期圖方法得到的功率譜密度估計為下式：

實(shí)際中，為減小估計方差，可利用多個數(shù)據(jù)段的周期圖估計平均得到功率譜密度估計，如下式：

其中K為數(shù)據(jù)段數(shù)。

基于周期圖的能量檢測器如圖1所示，其中，檢測判決可以根據(jù)信號帶寬內(nèi)的功率譜密度積分進(jìn)行判決，或直接以功率譜密度進(jìn)行判決。

周期圖能量檢測器比預(yù)濾波能量檢測具有更靈活的結(jié)構(gòu)，它可以不受信號帶寬的限制，對于窄帶信號和正弦單音信號都能夠進(jìn)行檢測。在該結(jié)構(gòu)中，可以通過調(diào)節(jié)三個參數(shù)來改進(jìn)估計效果，一是FFT運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)，頻率分辨率隨FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)的增加而增加。二是數(shù)據(jù)長度N，毫無疑問，數(shù)據(jù)長度越長，包含信號信息越多，越利于FFT運(yùn)算，突出信號頻帶內(nèi)的譜分量。三是數(shù)據(jù)段數(shù)，平均的數(shù)據(jù)段數(shù)K越多，估計的方差越小，功率譜估計的可靠性越高。

如果接收信號采樣數(shù)據(jù)N不受限制，那么基于周期圖的能量檢測可以達(dá)到任何需要的虛警概率Pf和檢測概率Pd。最小的采樣數(shù)據(jù)為接收信噪比的函數(shù)，即

其中：

要保證較小的虛警概率，在信噪比降低時，需要更高的判決門限。

4.循環(huán)譜特征檢測

循環(huán)譜特征檢測是利用信號具有特殊的循環(huán)平穩(wěn)特性，通過考察信號的循環(huán)譜來檢測信號，循環(huán)譜特征檢測能有效克服衰落或較低信噪比環(huán)境下能量檢測的不足，檢測精度高，并且可以在沒有先驗知識的情況下實(shí)現(xiàn)信號檢測，是認(rèn)知無線電中經(jīng)常采用的感知方法之一。

循環(huán)譜特征檢測如圖2所示：

圖2基于循環(huán)譜的頻譜感知結(jié)構(gòu)

設(shè)信號為循環(huán)平穩(wěn)且功率有限，則在時間[-T/2，T/2]上譜相關(guān)函數(shù)為：

則其譜相關(guān)函數(shù)為：

由于噪聲不具有循環(huán)平穩(wěn)性，其譜相關(guān)密度函數(shù)只在處存在非零譜分量，在非零循環(huán)頻率處的譜相關(guān)密度函數(shù)為零；信號在特定的循環(huán)頻率上有峰值，那么對于特定循環(huán)頻率則判決方式為：

循環(huán)譜特征檢測具有良好的信號檢測能力，但其實(shí)現(xiàn)信號精確檢測往往需要較大的數(shù)據(jù)量，且計算復(fù)雜。

二、能量和循環(huán)譜特征聯(lián)合檢測

寬帶短波通信系統(tǒng)要求頻譜感知具有實(shí)時性和精確性，表1給出了上面分析的幾種頻譜感知方式的性能對比。匹配濾波和波形感知兩種方法都要依賴先驗信息，普適性較差，對短波終端設(shè)備的復(fù)雜度要求太高，實(shí)際無法實(shí)現(xiàn)。能量檢測和循環(huán)譜特征檢測兩種方法都不需要依賴干擾信號的先驗信息，可以應(yīng)用到任何頻段感知中去，普適性好。能量檢測的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，計算復(fù)雜度低，檢測快速，不足是在低信噪比條件下，無法實(shí)現(xiàn)信號檢測；而循環(huán)譜特征檢測能有效克服較低信噪比環(huán)境下能量檢測的不足，檢測精度高，但計算復(fù)雜度高。根據(jù)短波信道衰落大的特點(diǎn)，單獨(dú)運(yùn)用任何一種感知方法，都不能滿足短波通信系統(tǒng)的需要?？紤]到能量檢測和循環(huán)譜特征檢測的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了能量和循環(huán)譜特征聯(lián)合檢測的頻譜感知方法，首先通過能量檢測的方法快速掃描整個短波頻帶實(shí)現(xiàn)初步感知，提取低能量頻段，然后再對低能量頻段有選擇地通過循環(huán)譜特征檢測的方法進(jìn)行精細(xì)感知。這樣既照顧到了頻譜感知速度，又兼顧到了頻譜感知的精確度，便于將頻譜感知技術(shù)運(yùn)用到短波信道中去。

三、結(jié)語

頻譜感知技術(shù)的發(fā)展為提高短波頻段頻譜利用率提供了可能。本文介紹了幾種研究較多的頻譜感知方法，重點(diǎn)分析了能量檢測和循環(huán)譜特征檢測兩種方法，結(jié)合短波頻段的特點(diǎn)和寬帶短波通信系統(tǒng)對頻譜空穴檢測實(shí)時性和精確性的要求，提出了能量和循環(huán)譜特征聯(lián)合檢測方法，為在短波信道下提高短波頻譜利用效率提供了一種可行途徑。

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