專利名稱：基于小波包變換實現(xiàn)自適應頻譜感知的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及認知無線電，特別涉及基于小波包變換實現(xiàn)自適應頻譜感知的方法。
背景技術(shù)：
認知無線電(Cognitive Radio)是為了解決未來無線通信中可用頻譜資源緊缺， 傳統(tǒng)固定頻譜分配機制利用率不高而提出的一種頻譜共享技術(shù)，認知無線電通過對周圍無 線環(huán)境進行頻譜感知(Spectrum Sensing)，并基于頻譜感知的結(jié)果選擇合適的空閑工作頻 段，調(diào)整無線傳輸參數(shù)，即避免了對該頻段上有使用許可用戶系統(tǒng)的干擾，又保證了認知設 備的傳輸。認知無線電中一個關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)的前提就是如何保證準確而快速的進行頻譜 感知。在認知無線電系統(tǒng)中，常見的單節(jié)點頻譜感知方法包括能量檢測，匹配濾波器，循 環(huán)平穩(wěn)特征檢測等，這些感知方法都存在著不足，如能量檢測器雖然實現(xiàn)比較簡單，但是容 易受到信道和噪聲不確定性的影響。在單節(jié)點頻譜感知的基礎上基于協(xié)作的辦法提出了協(xié) 作感知的方法，即融合多個認知設備頻譜感知的結(jié)果做出總的判決，從而能降低由于無線 信道衰落或陰影對感知性能的影響。在認知無線電系統(tǒng)中，常見的頻譜感知方法按照參與感知的節(jié)點及其方式分可以 分為單節(jié)點感知，多節(jié)點協(xié)作感知和網(wǎng)絡輔助感知三類。這三類感知方法各有其優(yōu)缺點，單 節(jié)點感知的優(yōu)點在于實現(xiàn)簡單，不需要節(jié)點之間交互控制信息和數(shù)據(jù)信息，缺點是感知性 能容易受到無線信道衰落或陰影的影響。多節(jié)點協(xié)作感知的方法，即融合多個認知設備頻 譜感知的結(jié)果做出總的判決，能降低由于無線信道衰落或陰影對感知性能的影響，但是由 于多個認知設備協(xié)同工作會帶來很多問題，如需要增加信道來傳輸交互各自的感知信息， 增加了處理的時延，此外由于惡意節(jié)點的出現(xiàn)可能會破壞感知結(jié)果。在單節(jié)點感知技術(shù)中，匹配濾波器和循環(huán)平穩(wěn)特性檢測都屬于信號特征檢測的方 法，需要檢測端事先知道主系統(tǒng)用戶的信號特點。而能量檢測則是一種盲檢測技術(shù)，因此具 有較大的適應范圍，并且實現(xiàn)起來比較簡單，但是缺點在于不確定的噪聲容易造成檢測錯 誤，此外，無線信道的衰落也會影響檢測性能。針對盲檢測技術(shù)，我們需要解決如下幾個方面的問題1)應該具有對抗噪聲不確定性的能力，即檢測性能與噪聲功率變化無關(guān)，這樣可 以避免對噪聲進行估計。2)在低信噪比的情況下也能實現(xiàn)檢測，這樣可以提高檢測性能，從而避免由于漏 檢，次要用戶給主用戶帶來干擾。應用場景如圖1所示，主用戶(Primary User)和認知次要用戶(Secondary User) 共享使用頻譜，要保證認知設備不會影響主用戶系統(tǒng)的正常工作。在IEEE 802. 22標準草案Dl. 0列舉的頻譜感知方法中提出了利用協(xié)方差矩陣結(jié) 合特征值的方法，但是存在著計算復雜，并且在低信噪比情況下檢測性能差，不能有效對抗 噪聲不確定性的缺點。MRSS方法利用連續(xù)小波函數(shù)與接收信號做相關(guān)，通過小波函數(shù)的寬度來調(diào)節(jié)頻譜感知的分辨率，相關(guān)后計算功率譜，但是由于在模擬域射頻端處理，而且由于 要多次通過不同的小波函數(shù)做相關(guān)來調(diào)節(jié)分辨率，所以處理時間長，不利于數(shù)字信號處理 芯片實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于小波包變換實現(xiàn)自適應頻譜感知的方法。為實現(xiàn)上述目的，一種基于小波包變換實現(xiàn)自適應頻譜感知的方法，包 括步驟a.在天線接收到射頻信號之后，通過帶通濾波器，得到要感知的頻段的接收信 號；b.經(jīng)過濾波器后的信號進行下變頻從射頻變到中頻或者基帶；C.下變頻后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，抽樣量化；d.抽樣后的信號進行自適應多層小波包變換；e.對每個子頻帶的平均信號功率與門限進行比較，得到頻譜空洞。本發(fā)明通過小波包的消噪處理能夠減少噪聲的影響，從而實現(xiàn)低信噪比情況下的 頻譜感知。


圖1是一個典型的認知無線電應用場景；圖2是小波包變換頻譜檢測的功能示意圖；圖3是小波包變換劃分頻帶的示意圖；圖4是自適應小波包變換頻譜感知的示意圖；圖5是自適應小波包變換頻譜感知流程圖；圖6是ATSC信號(信噪比_20dB)的三級和四級小波包變換結(jié)果；圖7是ATSC信號和無線麥克風信號共存時(信噪比_20dB)采用三級和四級小波 包變換的結(jié)果。
具體實施例方式本發(fā)明的方法構(gòu)成如圖2所示。圖2給出基于小波包變換的頻譜感知功能模塊 示意圖。接收到的射頻信號在下變頻到基帶或中頻之后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過離散二進 制小波包變換之后得到各級各頻帶的小波系數(shù)和尺度系數(shù)，根據(jù)小波系數(shù)，尺度系數(shù)與功 率之間的關(guān)系可以估計出每個頻帶內(nèi)的信號功率，結(jié)合門限可以判別出可用的空閑頻譜空 洞。小波包變換最大的特點在于能夠把頻譜劃分為高頻部分和低頻部分進行分析，因 此多級小波包變換可以很方便的把要分析的頻帶劃分為若干個子頻帶，如圖3所示。小波 包變換的層數(shù)代表著不同的分辨率，變換的層數(shù)越高，所能感知到的頻譜分辨率就越高。圖4給出了一個典型的二層二進制小波包變換，輸入信號為r(t)，經(jīng)過的小波濾 波器組中的低通濾波器和高通濾波器的傳遞函數(shù)分別為H(Z)和G(Z)，對應的小波函數(shù)和 尺度函數(shù)分別為Φ (t)和Ψ (t)，則在第j層小波包分解之后得到的第k個小波系數(shù)和 尺度系數(shù)‘k為<formula>formula see original document page 5</formula>根據(jù)功率譜和小波系數(shù)的關(guān)系，可以得到第k子頻帶內(nèi)的平均信號功率P為<formula>formula see original document page 5</formula>此外，小波包變換結(jié)合閾值可以濾去背景噪聲，其基本原理在于小波變換具有很 強的去數(shù)據(jù)相關(guān)性，它能夠使信號的能量集中在一些大的系數(shù)中；而噪聲的能量卻分布于 整個小波域內(nèi)，因此，經(jīng)小波分解后，信號的小波系數(shù)幅值要大于噪聲的系數(shù)幅值，可以認 為，幅值比較大的小波系數(shù)一般以信號為主，而幅值比較小的系數(shù)在很大程度上是噪聲。于 是，采用閾值的辦法可以把信號系數(shù)保留，而使大部分噪聲系數(shù)減少至零。在這里可以采用硬閾值小波去噪，選擇一個閾值λ，大于閾值λ的小波系數(shù)k 保留，低于閾值λ的小波系數(shù)則設置為0，即為了能減少小波包變換的復雜度，以及靈活的控制小波包變換的層數(shù)和范圍，本 發(fā)明提出了適合于認知無線電的靈活小波包變換頻譜感知方法。其基本思路是在每層小 波包變換之后，根據(jù)小波系數(shù)計算每個子頻帶的平均信號功率，并與該層對應的門限進行 比較，如果信號功率低于門限，則把這個子頻帶劃為頻譜空洞，并不再進行下一級小波包變 換。如果信號功率高于門限，則根據(jù)已經(jīng)找到的頻譜空洞是否達到需求來決定是否對該子 頻帶進行下一級小波包變換，如果需要更多的頻譜空洞則對該子頻帶進行下一級小波包變 換，直到找到所需的頻譜空洞，或者小波包變換層數(shù)達到限制的層數(shù)，這樣可以根據(jù)需求來 控制小波包變換的層數(shù)和范圍，與傳統(tǒng)的小波包變換比減少了變換的次數(shù)，降低了復雜度， 如圖4所示。總之，這種靈活的利用小波包變換進行頻譜感知和判斷的方法避免了傳統(tǒng)的小波 變換存在的只分解低頻分量，不分解高頻分量的問題，根據(jù)認知無線電的具體需求可以靈 活的控制小波包變換的層數(shù)和范圍，降低了變換的復雜度，小波包閾值去噪的引入可以很 大程度上抑制噪聲對感知性能的影響，從而提高在低信噪比情況下檢測的精度。在實現(xiàn)上， 該方法簡單直觀，實現(xiàn)較簡單。實施例圖1為一個典型的認知無線電應用場景，主系統(tǒng)的發(fā)射端(PrimaryTransmitter) 發(fā)送信號到主系統(tǒng)的接收端(Primary Receiver)，而認知網(wǎng)絡則伺機占用主系統(tǒng)的工作頻 段，為了減少認知網(wǎng)絡對主系統(tǒng)的可能干擾，因此需要進行頻譜感知來檢測是否有主系統(tǒng) 在占用該頻段。在圖2中給出了小波包變換頻譜檢測的功能示意圖，小波包變換檢測的工 作流程如下1.在天線接收到射頻信號之后，通過帶通濾波器，得到要感知的頻段的接收信號。2.經(jīng)過濾波器后的信號進行下變頻從射頻變到中頻或者基帶。3.下變頻后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，抽樣量化。
4.抽樣后的接收信號進行自適應多層小波包變換，并結(jié)合小波閾值進行去噪處理。5.小波系數(shù)消噪之后計算每個子頻帶的平均信號功率。6.對每個子頻帶的平均信號功率與門限進行比較，尋找頻譜空洞。圖5給出的是根據(jù)頻譜感知的需求來靈活的自適應控制小波包變換的流程圖，其中主要的工作流程包括1)初始化小波包變換層數(shù)K = 1，設置合適的小波濾波器組傳輸函數(shù)(圖5中標 記1)。2)在未被標識的頻段進行第K層二進制離散小波包變換，得到各個未標識的子頻 段的小波系數(shù)，結(jié)合小波閾值去噪進行消噪處理(圖5中標記2)。小波閾值去噪的閾值一般可以選擇為當前分解得到的小波系數(shù)均值的一半。3)對消噪之后的小波系數(shù)根據(jù)公式(2)計算每個未標識子頻帶的平均信號功率 (圖5中標記3)。4)每個未標識子頻帶的平均信號功率與該級的門限進行比較(圖5中標記4)，每 一級的門限可以設置為需要檢測到的最低主用戶信號平均功率；如果平均信號功率比該級的門限小，則把這個子頻帶標識為頻譜空洞。如果平均信號功率比該級的門限大，則根據(jù)目前找到的頻譜空洞數(shù)量和帶寬是否 已經(jīng)達到需要，如果已經(jīng)達到需求，則不再繼續(xù)進行下一層小波包變換，轉(zhuǎn)至6)。如果仍沒 有達到需求，并且小波包變換的層次K低于最大允許變換層次數(shù)，則轉(zhuǎn)到5)。如果小波包變 換的層次K達到最大允許變換次數(shù)，則轉(zhuǎn)至6)。5) K增加1，繼續(xù)執(zhí)行2) -4)(圖5中標記5)。6)在所有之前找到的標識為頻譜空洞的頻段內(nèi)按照需求(主要是次要系統(tǒng)所需 的工作頻帶帶寬)，盡量選擇信號功率最小的頻段作為次要系統(tǒng)的工作頻段(圖5中標記 6)。用仿真來說明基于小波包變換頻譜估計的性能，ATSC信號是美國有線電視選用的 信號格式，它采用的是8-VSB調(diào)制，帶寬為3MHz，信號的信噪比為-20dB。在低信噪比情況 下傳統(tǒng)的能量檢測方法完全無法識別出信號和噪聲。在三層小波包變換的時候各頻帶的平 均信號功率見圖6的左側(cè)，右圖則是四層小波包變換后的結(jié)果。圖7給出了在ATSC信號和 無線麥克風信號共存的情況下，ATSC信號的中心頻率在5MHz，帶寬為5MHz，無線麥克風信 號為模擬調(diào)頻信號，中心頻率為10MHz，帶寬為100kHz。左圖為三層小波包變換后各頻段的 平均信號功率，可以看出在ATSC信號和無線麥克風信號之間的頻段由于分辨率不夠無法 識別，右圖是四層小波包變換后的各頻段的信號功率，可以看出由于提高了分辨率，因此比 三層變換可以找到更多的頻譜空洞。從仿真結(jié)果可以看出基于小波包變換的頻譜感知和估計具有更精確的檢測性能， 尤其是在低信噪比的情況下，由于小波閾值方法具有的抑制噪聲的能力，因此小波包變換 比傳統(tǒng)的盲檢測算法具有更好的性能。此外，基于小波包變換靈活的特性，本發(fā)明提出的調(diào) 度檢測算法可以根據(jù)頻譜感知的需求來靈活的自適應控制小波包變換，從而降低了處理的 復雜度，提供頻譜感知所需的頻域分辨率，高效的實現(xiàn)多分辨率頻譜感知。
權(quán)利要求
一種基于小波包變換實現(xiàn)自適應頻譜感知的方法，包括步驟a.在天線接收到射頻信號之后，通過帶通濾波器，得到要感知的頻段的接收信號；b.經(jīng)過濾波器后的信號進行下變頻從射頻變到中頻或者基帶；c.下變頻后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，抽樣量化；d.抽樣后的信號進行自適應多層小波包變換；e.對每個子頻帶的平均信號功率與門限進行比較，得到頻譜空洞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述多層小波包變換包括步驟a.輸入信號經(jīng)過小波濾波器組中的低通濾波器和高通濾波器得到對應的小波函數(shù)和 尺度函數(shù)；b.在第j層小波包分解之后得到第k個小波系數(shù)c或尺度系數(shù)d；c.根據(jù)功率譜和小波系數(shù)的關(guān)系，得到第k個子頻帶內(nèi)的平均信號功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括步驟 如果平均信號功率比該級的門限大，則K增加1，繼續(xù)執(zhí)行b) -c)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括在計算k個頻帶內(nèi)的平均信號功率 之前，對信號進行消噪處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于消噪處理的閾值為當前分解得到的小波系 數(shù)均值的一半。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于按下式計算小波系數(shù)c或尺度系數(shù)d<formula>formula see original document page 2</formula>
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于按下式計算平均信號功率<formula>formula see original document page 2</formula>
全文摘要
一種基于小波包變換實現(xiàn)自適應頻譜感知的方法，包括步驟在天線接收到射頻信號之后，通過帶通濾波器，得到要感知的頻段的接收信號；經(jīng)過濾波器后的信號進行下變頻從射頻變到中頻或者基帶；下變頻后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，抽樣量化；抽樣后的信號進行自適應多層小波包變換；對每個子頻帶的平均信號功率與門限進行比較，得到頻譜空洞。本發(fā)明通過小波包的消噪處理能夠減少噪聲的影響，從而實現(xiàn)低信噪比情況下的頻譜感知。
文檔編號H04B17/00GK101807960SQ20091000646
公開日2010年8月18日 申請日期2009年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月18日
發(fā)明者周雷, 許方敏 申請人:三星電子株式會社;北京三星通信技術(shù)研究有限公司