在多路復用頻帶中搜索有用信號的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在具有頻譜寬度大于ΔB的多路復用頻帶中搜索具有預定頻譜寬度ΔB的有用信號的存在的方法(50)，所述方法包括步驟：(51)計算在所述多路復用頻帶中的功率頻譜密度的頻率信號表示，(54)通過適合消除具有頻譜寬度等于或小于ΔB的信號的全部或部分的濾波器濾波頻率信號，計算非有用信號，(56)計算頻率信號與非有用信號的比率的功率比率信號表示，以及(57)比較功率比率信號與預定義閾值。本發(fā)明還涉及包括這種接收器單元的數(shù)字遠程通信系統(tǒng)(10)的計算機程序產品、接收單元和站點(30)。
【專利說明】在多路復用頻帶中搜索有用信號的方法
[0001] 背景
[0002] 本發(fā)明屬于數(shù)字通信領域，且更具體地涉及在具有頻譜寬度大于AB的共享的頻 帶中，搜索預定義頻譜寬度AB的有用信號的存在。
[0003] 技術現(xiàn)狀
[0004] 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，已知的是使用相同的頻帶，稱為"多路復用頻帶"，用于從終端 到站點的有用信號的傳輸。
[0005] -般地，有用信號具有相同的頻譜寬度，且所述頻譜寬度是該站點預先已知的。在 某些情況下，也可能具有多個全部是該站預先已知的可能的頻譜寬度。
[0006] 另外，可在其周圍傳輸有用信號的中心頻率，在最一般的情況下，也預先確定且是 站點預先已知的。從而，搜索在多路復用頻帶中傳輸?shù)挠杏眯盘柕拇嬖冢上拗茷樵诿總€可 能的中心頻率的功率檢測。
[0007] 然而，存在其中有用信號的中心傳輸頻率事先不知道的情況。
[0008] 例如，發(fā)布的專利號為WO 2011/154466的國際PCT申請，描述了一種窄帶數(shù)字通 信系統(tǒng)，其中有用信號的頻譜寬度△ B在從幾赫茲到幾百赫茲的范圍內。
[0009] 此外，為了確保強制統(tǒng)計頻分多址（FSFDMA)，所述有用信號的頻移大于頻譜寬度 AB〇
[0010] 因此，可理解的是，在這種情況下，不可能預先知道有用信號在其周圍可由數(shù)字通 信系統(tǒng)站接收的中心頻率。因此，在整個多路復用頻帶中搜索有用信號的存在應被執(zhí)行，且 應相應地伴隨搜索中心頻率（如果其沿時間變化，至少最初這樣做），其中有用信號可在其 周圍由站點接收。
[0011] 特別是在如果多路復用頻帶顯著大于有用信號的頻譜寬度AB的情況下，這種連 接的存在和中心頻率的搜索實現(xiàn)起來是復雜的。
[0012] 概述
[0013] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術解決方案的所有或部分的局限性，特別是那些本文 以上所討論的局限性，通過提供一種解決方案，其使得以簡單而穩(wěn)定的方式搜索有用信號 的存在成為可能，該有用信號具有在多路復用頻帶中事先不知道的中心頻率。
[0014] 此外，本發(fā)明還旨在提供一種解決方案，其使得至少在某些實施方案中，僅檢測能 夠無錯解碼的有用信號。
[0015] 為了這個目的，且根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及在總體信號中尋找有用信號存在的 方法，所述有用信號對應于具有由在多路復用頻帶中的終端傳輸?shù)?、具有預定頻譜寬度AB 的無線電信號，該多路復用頻帶具有大于AB的頻譜寬度，總體信號對應于接收到的在多 路復用頻帶中的所有無線電信號。搜索方法包括以下步驟：
[0016] -計算表示以多路復用頻帶的基本頻率采樣的總體信號的功率頻譜密度的頻率信 號，
[0017] _計算稱為"非有用信號"的信號，通過由濾波器濾波頻率信號，該方法能夠主要抑 制在所述頻率信號中具有等于或小于AB的頻譜寬度的所有信號或部分信號，
[0018] _計算稱為"功率比率信號"的信號，其表示在每個基本頻率上的頻率信號與非有 用信號的比率。
[0019] -比較功率比率信號與預定閾值，對于所述功率比率信號具有大于所述閾值的局 部最大值的基本頻率，被認為是存在于總體信號中的有用信號的中心頻率。
[0020] 這樣的搜索方法是相對容易實現(xiàn)的，因為在獲得頻率信號之后其需要很少的操 作。特別是，用來計算非有用信號的濾波器可以是簡單的有限脈沖響應濾波器。
[0021] 還應當指出的是，用來計算非有用信號的濾波器是頻率濾波器，也就是說，其在頻 率域中執(zhí)行對應于不同的基本頻率的頻率信號的不同樣本的線性組合。
[0022] 因此，該頻率濾波器的應用沒有引入對應于卷積的必要計算時間的其它延遲，且 只引入了可容易地得到補償?shù)念l移。因此，該搜索方法，通過使用頻率濾波器，使得能夠快 速地檢測出在總體信號中有用信號，而使用適用于獲得的用于不同連續(xù)時間的樣本的時間 濾波器將必然引入取決所述時間濾波器的階數(shù)的延遲。
[0023] 這樣的搜索方法從其開始使用起也是魯棒的，以確定有用信號是否存在于總體信 號中，功率比率信號是有用信號將在每個基本頻率具有的信號-噪聲/干擾比率的表示。
[0024] 事實上，非有用信號是表示在每個基本頻率上的、事先抑制了在該基本頻率接收 的、頻譜寬度等于或小于AB的信號（且因此可能存在于總體信號中的所有有用信號）的 功率。
[0025] 頻率信號是表示在每個基本頻率，在該基本頻率上接收的、對應于在該基本頻率 上的非有用信號的功率的功率，其中所述非有用信號的功率可與存于該基本頻率上的有用 信號的功率累積。
[0026] 在具體的實施方式中，搜索方法包括一個或多個以下特點，采用單獨或根據(jù)所有 技術上可能的組合。
[0027] 在一個具體的實施方案中，其中基本頻率由小于AB的采樣間隔Ab分隔，該方法 包括：通過在基本頻率上利用滑動窗口平均頻率信號，計算稱為"平均信號"的信號的步驟， 該滑動窗口具有基本上等于AB的寬度。在這種情況下，非有用信號通過濾波平均信號計 算，且功率比率信號在每個基本頻率被作為平均信號與非有用信號的比率的表示來計算。
[0028] 由于該平均，在每個實質上頻譜寬度AB的頻段中，功率集中在基本上位于基本 上帶寬AB的頻帶的中心的基本頻率周圍。從而，改進了有用信號的檢測，特別是由于這一 事實，即在有用信號存在時，平均的信號將在最接近所述有用信號的實際中心頻率的基本 頻率的水平具有局部最大值，而這在頻率信號中不一定成立。
[0029] 此外，考慮采樣間隔Ab比AB小得多（例如，小于AB/4)是有利的，特別是提高 了有用信號的中心頻率的準確性。因為隨后有用信號的功率分布在頻率信號的多個相鄰樣 本，則功率集中是更有利的。
[0030] 在一個具體的實施方案中，閾值被預先確定為在其之上具有低于5% (優(yōu)選低于 1% )的錯誤解碼有用信號的概率的功率比率信號的值。
[0031] "錯誤解碼有用信號的概率"是指，在物理層的級別，在符號（BPSK、DBPSK、QPSK、 16QAM等）的解調制后且如果通過已經傳輸有用信號的終端已經執(zhí)行信道編碼則還在信道 解碼之后獲得的比特中有至少一個錯誤比特的概率。
[0032] 用于功率比率信號的這種閾值的選擇是特別有利的，其中其使限制能夠以高概率 無差錯解碼有用信號的檢測成為可能。這樣的閾值的選擇是可能的，因為功率比率信號是 有用信號將在每個基本頻率具有的信號-噪聲/干擾比率的表示的事實，使得適合的閾值 可例如通過仿真預先定義。
[0033] 應當注意的是，這種錯誤解碼有用信號的低概率的標準，與檢測的高概率的標準 非常不同。事實上，在這個具體的實施方案中，僅其中其幾乎確保具有無錯解碼的有用信號 才被檢測。因此，如果錯誤解碼有用信號概率太高，有用信號將不被檢測，從而檢測概率可 以是低的。
[0034] 優(yōu)選地，這樣的實施方案針對數(shù)字通信系統(tǒng)，其可容忍低性能的檢測概率，例如由 于相同的有用信號由每個終端多次重發(fā)的事實。
[0035] 作為相對的方面，這種搜索方法能夠優(yōu)化旨在解碼有用信號的站點的計算能力的 使用，這是由于所述計算能力主要用于足夠強到可以被解碼的有用信號的處理。
[0036] 根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種計算機程序產品，所述計算機程序產品包括程序 代碼指令集，當它們由一個或多個處理器執(zhí)行時，根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)在總體信號中搜索有用 信號的存在的方法。
[0037] 根據(jù)第三個方面，本發(fā)明涉及一種單元，其用于接收對應于預定義頻譜寬度AB 的無線電信號的有用信號，該信號由具有大于AB的頻譜寬度的多路復用頻帶中的終端傳 輸，所述接收器單元包括被配置用于根據(jù)本發(fā)明的方法搜索在多路復用頻帶中有用信號存 在的裝置。
[0038] 根據(jù)第四方面，本發(fā)明涉及數(shù)字通信系統(tǒng)的站點，包括根據(jù)本發(fā)明的接收器單元。
[0039] 附圖描述
[0040] 在閱讀下面的描述中作為非限制性的實例，本發(fā)明將更好地理解，相關附圖示出 為：
[0041] -圖1 :數(shù)字通信系統(tǒng)的簡化表示，
[0042] -圖2 :示出了有用信號搜索方法的主要步驟的圖，
[0043] -圖3a至3d :在圖2的搜索方法步驟的輸出得到的頻率信號的實例。
[0044] 在這些圖中，從一個附圖到另一個中相同的引用，指示相同或相似的元件。為清楚 起見，所示元件并不按比例繪制，除非另外提及。
[0045] 實施方案的詳細討論
[0046] 圖1非常示意性地示出了通信系統(tǒng)10,其包括多個終端20和一個站點30。
[0047] 在本發(fā)明的上下文中，"站點"通常是指任何能夠接收無線電信號的接收器設備。 站點30是任何終端20的實例，或特定設備，諸如有線或無線通信網(wǎng)絡的接入點，集中由每 個所述終端20傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
[0048] "無線電信號"是指經由無線方式傳播的電磁波，具有在無線電波的常規(guī)頻譜（從 幾赫茲到幾百千兆赫）中的頻率或在相鄰頻帶中的頻率。
[0049] 應當指出的是，主要考慮從終端20到站點30的數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。從站點30到終 端20的數(shù)據(jù)的可能傳輸不包括在本發(fā)明的范圍內。
[0050] 終端20以共享頻帶傳輸有用信號到站點30,該頻帶被稱為"多路復用頻帶"，具有 頻譜寬度AM。
[0051] 由終端20傳輸?shù)挠杏眯盘柧哂行∮贏M的預定頻譜寬度AB。優(yōu)選地，多路復用 頻帶的頻譜寬度am顯著大于有用信號的頻譜寬度AB，能夠多路復用大量終端20。例如， 頻譜寬度AM大于頻譜寬度AB至少一百倍。
[0052] 頻譜寬度AB和AM均被站點30預先已知。然而，終端20圍繞其傳輸有用信號 的中心頻率不必由站點30預先已知。例如，如前面所指出的，當在有用信號的頻移大于所 述有用信號的頻譜寬度AB時，這是成立的（參見國際申請WO 2011/154466)。
[0053] 以下描述中認為，沒有這種限制，數(shù)字通信系統(tǒng)，諸如在國際申請WO 2011/154466 中描述的，其中有用信號具有窄頻帶（頻譜寬度AB的范圍從幾赫茲到幾百赫茲）且所述 有用信號的頻移大于頻譜寬度AB。
[0054] 還應當指出的是，有用信號的頻譜寬度AB對應于所述有用信號的瞬時頻譜寬 度。確實應該理解的是，特別是由于所述有用信號的頻移的情況下，隨著時間推移由有用信 號連續(xù)采用的頻率應該對應于具有寬度大于AB的頻帶。
[0055] 相應地，站點30應搜索在整個多路復用頻帶中的有用信號的存在，與搜索在所述 多路復用頻帶中存在的有用信號的中心頻率結合。
[0056] 為了這個目的，站點30特別地包括能夠接收與所有在多路復用頻帶中接收到的 無線電信號對應的總體信號的接收器單元。
[0057] 該接收器單元包括模擬接收器模塊和數(shù)字接收器模塊。
[0058] 模擬接收器模塊包括視為本領域技術人員已知的一組裝置（天線、模擬濾波器、 放大器、本地振蕩器、混頻器等），其能夠改變總體信號的頻率。
[0059] 模擬接收器單元輸出模擬信號，該信號與圍繞低于多路復用頻帶中心頻率的中間 頻移的總體信號對應，且其可以是零（在這種情況下，相應的以已知的方式，提供兩路模擬 信號到在同相I和正交Q的路徑）。
[0060] 以已知的方式，該數(shù)字接收器模塊包括一個或多個模擬-數(shù)字轉換器（A/D)，其能 夠以預定的采樣周期采樣由模擬接收器模塊傳送的模擬信號，以獲得表示該模擬信號的數(shù) 字信號St。
[0061] 該數(shù)字接收器模塊還包括用于處理A/D轉換器輸出的數(shù)字信號的單元。基于數(shù)字 信號，該處理單元特別地執(zhí)行在總體信號中搜索有用信號的存在的方法50的步驟，這些將 在下面進一步詳細描述。
[0062] 例如，處理單元包括處理器和具有其中存儲計算機程序產品的電子存儲器，以一 組程序代碼指令的形式，當其由處理器執(zhí)行時，根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)搜索有用信號的存在的方 法50的所有步驟或部分步驟。在一個變型中，處理單元包括可編程邏輯電路、FPGA、PLD等 類型和/或專用集成電路（ASIC)，能夠實現(xiàn)所述搜索方法50的所有步驟或部分步驟。
[0063] 圖2示出了在多路復用頻帶中搜索由終端20傳輸?shù)挠杏眯盘柎嬖诘姆椒?0的主 要步驟，其是：
[0064] -51計算頻率信號Sf，
[0065] -54計算稱為"非有用信號"的信號Snu，
[0066] -56計算稱為"功率比率信號"的信號Srp，
[0067] -57比較功率比率信號Srp與預定義的閾值。
[0068] 在圖2中示出的實施方式中，除了上述主要步驟之外，搜索方法50還包括將在下 文中描述的任選的步驟。
[0069] 在計算步驟51中計算的頻率信號Sf是總體信號的功率頻譜密度的表示，以下所 述功率頻譜密度被稱為"PSD"。
[0070] 更具體地，頻率信號Sf由表示以多路復用頻帶中規(guī)律分布的基本頻率 fn (0彡n彡N-1)在總體信號的功率頻譜密度PSD采樣的N個值的樣本Sf (n) (0彡n彡N-1) 組成，其中多路復用頻帶具有采樣間隔Ab假定使得N* Ab= AM。換句話說：
[0071] -Sf = {Sf(n)，其中 0 彡 n 彡 N-1}，
[0072] -Sf (n)?PSD (fn)，〃?〃意思是〃表示"，
[0073] -fn = fO+n ? Ab，其中 N-1。
[0074] 為了準確地估算存在于總體信號中的可能的有用信號的中心頻率，采樣間隔Ab 還被選擇為小于有用信號的頻譜寬度AB。在優(yōu)選的實施方案中，采樣間隔Ab比頻譜寬度 AB小得多，例如小于AB/4。
[0075] 圖2示出了計算頻率信號Sf的步驟51的特定實施方案。在該實施方案中，計算 頻率信號Sf的步驟51包括子步驟：
[0076] -510計算數(shù)字信號St的快速傅里葉變換（FFT)，其中St是定義在時域的信號，
[0077] -在每個基本頻率，511計算的頻率信號Sf作為快速傅立葉變換的結果的模值。
[0078] 已知數(shù)字信號St (總體信號的表示）的功率頻譜密度，在每個基本頻率，通過計算 快速傅立葉變換的結果的模值的平方獲得。因此，頻率信號Sf由下面的表達式被鏈接到總 體信號的功率頻譜密度PSD :
[0079] S/(n) = ^PSD(fn)
[0080] 圖3a以對數(shù)刻度示出了搬移到基帶的總體信號的功率頻譜密度PSD的實 例。換句話說，圖3a示出了對于分布在頻率間隔[-AM/2 ;AM/2]的基本頻率的函數(shù) 20 ? log(Sf(n))的變化。
[0081] 應當注意的是，在圖3a中，功率頻譜密度PSD包括集中在零頻率的譜線，其對應于 不希望的DC分量，在所述圖3a中稱為"DC"。零頻率通常是非常大的干擾（disturbed)，其 確實是被由本領域技術人員所知的，由此在搜索有用信號的存在中其通常被忽略，這是由 于下面的事實：
[0082] -不需要的DC分量風險導致錯誤的檢測（即，錯誤地認為中心位于零頻率的有用 f目號是存在的），
[0083] _即使有用信號將出現(xiàn)且位于零頻率，對其無錯誤解碼的概率也是低的。
[0084] 在圖2中示出的實施方式中，搜索方法50包括計算稱為"平均信號"的信號Sm的 步驟52。在步驟52中計算出的平均信號Sm是使用在基本頻率fn (0 < N < N-1)上的滑動 窗口的對頻率信號Sf?進行平均獲得的，所述滑動窗口具有基本上等于有用信號的頻譜寬 度AB的寬度。
[0085] 頻率信號Sf的這種平均的目的是集中功率，在每個基本上具有頻譜寬度A B的頻 帶中，基本上圍繞位于頻譜寬度AB基本上的頻帶的中心的基本頻率。從而，在有用信號存 在時，平均信號Sm應該理論上包括在最接近于所述有用信號的實際中心頻率的基本頻率 的水平的局部極大值，而這在頻率信號sf?中不一定成立。
[0086] 因此，平均信號Sm表示在每個基本頻率上以該基本頻率為中心的頻譜寬度AB的 頻帶中接收的全部功率，其對應于在該頻帶中的非有用信號的功率，可能與存在于該頻帶 中的有用信號的功率累積。
[0087] 例如，計算平均信號Sm的步驟52包括計算下列表達式：
【權利要求】
1. 一種在總體信號中搜索有用信號的存在的方法（50)，所述有用信號對應于具有預 先定義的頻譜寬度AB、由終端在多路復用頻帶中傳輸?shù)臒o線電信號，所述多路復用頻帶具 有大于AB的頻譜寬度，所述總體信號對應于在所述多路復用頻帶中接收的全部無線電信 號，其特征在于它包括以下步驟： -(51)計算頻率信號，該頻率信號表示以所述多路復用頻帶的基本頻率采樣的所述總 體信號的功率頻譜密度， _(54)通過能夠抑制頻譜寬度等于或小于AB的全部或部分信號的濾波器，對所述頻 率信號濾波，計算稱為"非有用信號"的信號， _ (56)計算稱為"功率比率信號"的信號，其為所述頻率信號在每個基本頻率上與所述 非有用信號的比率的表示， -(57)比較所述功率比率信號和預定義閾值，其中所述功率比率信號具有比所述閾值 更大的局部最大值的基本頻率被認為是存在于所述總體信號中的有用信號的中心頻率。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法（50)，其特征在于，所述基本頻率由小于A B的取樣間 隔A b分隔，所述方法包括通過使用滑動窗口在所述基本頻率上平均所述頻率信號，計算 稱為"平均信號"的信號的步驟（52)，所述滑動窗口具有基本上等于AB的寬度，且： -所述非有用信號由對所述平均信號進行濾波來計算， -所述功率比率信號被計算作為在每個基本頻率上的所述平均信號與所述非有用信號 的比率的表示。
3. 根據(jù)權利要求2所述的方法（50)，其特征在于，計算所述平均信號的所述步驟（52) 的過程中考慮的所述滑動窗口是矩形窗口。
4. 根據(jù)上述權利要求中的任一項所述的方法（50)，其特征在于，所述閾值被預先確定 為在其之上錯誤解碼有用信號的概率低于5%、優(yōu)選地低于1%的所述功率比率信號的值。
5. 根據(jù)上述權利要求中的任一項所述的方法（50)，其特征在于，所述基本頻率由小于 AB/4的米樣間隔Ab分隔。
6. -種計算機程序產品，其特征在于，其包括程序代碼指令集，當所述程序代碼指令集 由處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)在前述權利要求中的任一項所述的在總體信號中搜索有用信號的存 在的方法（50)。
7. -種用于接收有用信號的接收單元，所述有用信號對應于預定義頻譜寬度AB的無 線電信號，其由終端在具有大于AB的頻帶寬度的多路復用頻帶中傳輸，其特征在于，所述 接收單元包括被配置為根據(jù)權利要求1至5中的任一項所述的方法（50)在所述多路復用 頻帶中搜索有用信號的存在的裝置。
8. -種數(shù)字遠程通信系統(tǒng)（10)的站點（30)，其特征在于，包括如權利要求7所述的接 收單元。
【文檔編號】H04J1/12GK104509056SQ201380034149
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年7月5日 優(yōu)先權日:2012年7月5日
【發(fā)明者】塞德里克·阿蒂格 申請人:西格弗克斯公司