短波通信中的頻譜感知算法研究

侯瑞倩+余心樂(lè)+徐偉掌

【摘要】 短波依靠電離層反射，通過(guò)天波方式傳播，在某些特殊領(lǐng)域通信中，短波通信發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。本文主要將頻譜感知技術(shù)引入到短波通信中，主要介紹了能量檢測(cè)算法和循環(huán)譜感知算法，利用這兩種算法，分析出短波環(huán)境中存在的非空閑信號(hào)頻率。

【關(guān)鍵字】 短波 電離層 能量檢測(cè) 循環(huán)譜

一、引言

短波通信，是指利用3M到30M頻段進(jìn)行通信。其通信的主要缺點(diǎn)就是信道不穩(wěn)定，從而造成數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，易中斷，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量不高。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠通信，必須實(shí)時(shí)偵測(cè)出可用的通信頻率段。而且，大量研究表明，短波頻譜在時(shí)間和空間上都布滿著大量的頻譜空洞 ，頻譜利用率低下，而頻譜感知，正是解決頻譜利用率低下的重要技術(shù)之一。

目前的頻譜感知算法，主要有能量檢測(cè)，匹配濾波，波形感知，循環(huán)譜特征檢測(cè)等。由于匹配濾波算法，波形感知算法需要知道接收信號(hào)的先驗(yàn)信息，而在短波通信環(huán)境下，是不可能知道這些先驗(yàn)信息的，所以這兩種方法并不適用于短波通信中，故本文中不做分析。

二、能量檢測(cè)算法

2.1 原理

能量檢測(cè)算法，是頻譜感知檢測(cè)方法中比較簡(jiǎn)單實(shí)用的算法，用途廣泛。其原理，是直接通過(guò)計(jì)算接收信號(hào)的功率或能量來(lái)判別信號(hào)是否存在。算法缺點(diǎn)是，在干擾嚴(yán)重情況下，信噪比大大降低，信號(hào)混在噪聲里，無(wú)法識(shí)別。通過(guò)接收機(jī)接收到的短波信號(hào)，是經(jīng)過(guò)多徑傳播的混合信號(hào)，能量檢測(cè)算法是對(duì)某個(gè)頻段內(nèi)信號(hào)進(jìn)行能量疊加，多徑傳播，對(duì)此算法檢測(cè)影響不大。

2.2 仿真

對(duì)于短波頻段，是從3MHz到30MHz，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)頻段的檢測(cè)，必須對(duì)其頻段進(jìn)行分段。在本文中探究了短波頻段分段數(shù)，信噪比不同對(duì)算法仿真的影響。設(shè)在短波頻段里8MHz和25MHz存在載波信號(hào)。

（1）通過(guò)對(duì)短波頻段分段不同，進(jìn)行算法性能比較。

從圖2到圖6，找尋每幅圖上的六個(gè)最大能量頻率點(diǎn)，記錄為f1，f2，f3，f4，f5，f6，并依次排序，其中f1對(duì)應(yīng)的能量最大，f2其次...f6相對(duì)較小，結(jié)果如表1所示。

通過(guò)仿真結(jié)果顯示，對(duì)短波頻段分段數(shù)越多，意味著對(duì)整個(gè)頻段掃描越細(xì)（簡(jiǎn)稱細(xì)掃描），分段數(shù)越少，意味著對(duì)整個(gè)頻段掃描越粗略（簡(jiǎn)稱粗掃描）。當(dāng)分段數(shù)為28時(shí)，意味著掃描帶寬為1MHz，f1至f6全為整數(shù)，差距較大，但能準(zhǔn)確判斷出整數(shù)載波位置。當(dāng)分段數(shù)為2701時(shí)，意味著掃描帶寬為0.01MHz，f1至f6越接近，卻不能準(zhǔn)確判斷出整數(shù)載波位置。單次能量檢測(cè)運(yùn)用，適合粗掃描。

（2）當(dāng)信噪比不同時(shí)，對(duì)算法性能比較。仿真如圖7，圖8，圖9。

通過(guò)仿真圖可知，當(dāng)信噪比為-15dB時(shí)，還能清晰地判斷出信號(hào)載波在8MHz和25MHz上。然而-25dB時(shí)，信號(hào)已經(jīng)被噪聲完全淹沒(méi)，導(dǎo)致所有頻率點(diǎn)上能量分布接近均勻，已無(wú)法識(shí)別出信號(hào)載波。

總結(jié)：在大信噪比，需要檢測(cè)整數(shù)頻率是否空閑時(shí)，使用能量檢測(cè)算法進(jìn)行粗掃描，能大大降低運(yùn)算成本，效率極高。然而在載波為非整數(shù)時(shí)，需要進(jìn)行更多的分段，即細(xì)掃描，然而會(huì)增加運(yùn)算量，窄帶內(nèi)疊加的能量差別很小，區(qū)分不開(kāi)，分段沒(méi)有意義。小信噪比情況下，不適合用能量檢測(cè)算法。

三、循環(huán)譜特征檢測(cè)

3.1 原理

循環(huán)譜特征檢測(cè)是利用信號(hào)具有特殊的循環(huán)平穩(wěn)特性。根據(jù)噪聲和信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性上的差別來(lái)區(qū)分它們。噪聲不具有循環(huán)平穩(wěn)特性，而信號(hào)往往具有循環(huán)平穩(wěn)特性。循環(huán)譜的頻譜感知結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖 10 基于循環(huán)譜的頻譜感知結(jié)構(gòu)

設(shè)功率有限信號(hào)x（t）為循環(huán)平穩(wěn)，則在時(shí)間[-T/2，T/2]上循環(huán)自相關(guān)函數(shù)為

當(dāng)α=0時(shí)，是無(wú)法判斷的，因?yàn)闊o(wú)法確定是信號(hào)幅度，還是噪聲幅度。所以主要根據(jù)α≠0時(shí)來(lái)判定信號(hào)。α≠0時(shí)，存在峰值，則證明信號(hào)存在。

3.2 仿真

短波信道環(huán)境中，對(duì)信號(hào)最大的影響便是多徑傳播，假設(shè)信號(hào)在20MHz上存在載波，且通過(guò)三種路徑達(dá)到接收機(jī)，那么運(yùn)用循環(huán)譜算法進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖11，圖12，圖13所示。通過(guò)仿真可知，在低信噪比情況下（如-5dB），在雙倍載波頻率處（40MHz）存在峰值，算法能清晰地檢測(cè)出載波頻率，然而當(dāng)信噪比低于-15dB時(shí)，信號(hào)將受到噪聲影響，在雙倍載波頻率處，存在噪聲干擾，信號(hào)會(huì)被噪 聲淹沒(méi)。

總結(jié)：循環(huán)譜算法更適合精確檢測(cè)某一非空閑頻率，而有限長(zhǎng)度的FFT變換，導(dǎo)致循環(huán)譜算法在低于-15dB時(shí)，信號(hào)混在噪聲里。

四、聯(lián)合檢測(cè)

在大信噪比時(shí)，可以同時(shí)利用能量算法和循環(huán)譜算法來(lái)實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)。能量檢測(cè)算法通過(guò)粗掃描，能大致判斷載波所在頻段，循環(huán)譜檢測(cè)算法可以檢測(cè)所在頻段的具體頻率點(diǎn)。假設(shè)在25MHz和8.6MHz處存在載波，那么利用能量檢測(cè)算法，將短波頻段按1MHz分段，就可以檢測(cè)出25MHz存在載波，再利用循環(huán)譜算法檢測(cè)出8.6MHz處存在的載波。如圖 14，圖15，圖16.

五、 結(jié)語(yǔ)

頻譜感知技術(shù)就是為了探測(cè)空閑頻譜段，實(shí)時(shí)感知，實(shí)時(shí)檢測(cè)空閑頻譜。短波通信抗毀性好，優(yōu)勢(shì)明顯，頻譜感知技術(shù)為短波的寬帶傳輸提供可能。能量檢測(cè)算法，原理簡(jiǎn)單，很適合實(shí)時(shí)感知情況。循環(huán)譜檢測(cè)，計(jì)算復(fù)雜，適合精確感知情況。