本发明专利技术公开了一种基于子空间分解的互素欠采样频谱感知方法及其装置，本发明专利技术以p个互素单元为一个快拍、q为不重叠因子，不断地将两路互素采样信号快拍馈入处理系统，进行扩展滑动快拍处理，通过两路互素样本间的采样时间差获取协方差矩阵估计；抽取最大可能长度的连续的自相关序列，对自相关序列做空间平滑处理，得到改进的Nyquist采样意义下的自相关矩阵估计；给定整个频带内所能容纳的最大子带数，将MUSIC算法用于自相关矩阵估计，以此得到频谱感知结果。本发明专利技术以远低于奈奎斯特速率的采样速率做谱估计，将MUSIC算法用于互素采样结构，精确定位频带内中心载波的位置。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数字信号处理领域，尤其涉及一种基于子空间分解的互素欠采样频谱感知方法及其装置。
技术介绍
无线电频谱作为国家战略资源，并不是取不尽用不竭的。目前，国内外都采用静态的频谱划分，也即政府部门以发许可证的形式将某频带分配给主用户，其他用户则无权使用。但在信息资源呈指数性增长的今天，各种无线通信技术层出不穷，这也造成了如今无线通信的日益拥塞。认知无线电(CognitiveRadio,CR)技术便是为了解决频谱拥塞以及频谱资源匮乏等问题，该技术通过动态定位频谱空洞(即空白频谱)，使无线通信信号的机会性传输得以实现，频谱得到高效率地利用，进而解决现在存在的频谱紧缺问题[1][2]。认知无线电技术的关键在于实时精确的频谱感知。只有基于频谱感知的结果，认知无线电系统才能在不干扰正在进行通信传输的前提下，为次用户搜寻并利用未使用频带，同时也能保障主用户的回归。由于在典型的认知无线电场景中，通信信号多而繁杂，并不具备足够的关于感知频带中通信信号的先验信息，因此对整个宽频带进行盲感知是十分必要的。根据国内外的研究进展，频谱感知技术可分为单节点检测和协同检测两大类，单节点检测技术又包括发射端检测和接收端检测两类。其中，发射端检测法是目前频谱感知的研究重点，如果主用户信号开始占用某一确定频段，认知无线电应能及时检测出这个信号。对单节点检测技术下的发射端检测来说，传统的感知方法都是基于奈奎斯特采样的，但是在宽带频谱感知的前提下，受最高模数转换速率限制，现有的模数转换器(Analog-DigitalConverter,ADC)的性能和成本难以满足实际需求。同时，高速率的采样也将带来海量的样本计算，这又对硬件系统的功耗和设计提出相当苛刻的要求。因此，如何实现高效、快速和准确的宽带频谱感知是学术和工程界有待突破的方面。针对采样速率限制的瓶颈，国内外涌现出了多种压缩采样方法(降低采样速率)，通过这些压缩采样方式获得欠采样样本后，再利用欠采样样本恢复功率谱，从而完成频谱感知流程。1、多陪集(Multi-coset)采样：该采样结构由Bresler在2000年提出，该结构需要用M路ADC以相同欠采样速率(各路存在固定时延)并行采样同一信号，2013年，学者王晓东利用MC采样所得的低速率样本估计出了宽带信号的功率谱[3]。但其方法仍需要活跃的最大子带数和每个子带的最大带宽等先验知识来保证功率谱的成功恢复；而且这种欠采样方法还有一点不足，就是耗费的ADC数目过多；2、随机解调器采样：为减少耗费的ADC数量，2010年，Baraniuk提出了随机解调器[4](包括：随机数产生器、混频器、累加器和单路ADC)，但随机解调器仅仅适用于恢复特殊的多音信号(Multi-tone)，并不适用于现实中的宽带信号。3、调制带转换器采样：为解决宽带信号的欠采样谱分析问题，著名学者Y.C.Eldar在2010年提出了调制宽带转换器[5](ModulatedWidebandConverter,MWC)采样结构，该转换器需要将信号同时馈入M个通道，在每个通道中，信号分别和混频函数相乘，接着通过一个低通滤波器，再以较低的采样速率进行采样，即可获得M路低速率样本，2011年，Eldar完成了MWC结构的硬件实现[6]。但总的来说，MWC方法耗费的硬件成本较高，另外MWC还要求频谱满足一定的稀疏性(即整个宽频带中只有很少一部分的频带被用户占用)，这将无法满足进行全盲频谱感知的要求。不仅如此，单纯对于谱感知应用来说，由于其目的只是确定活跃频带的位置，因此就没有必要先利用压缩感知等方法恢复原来的信号。省去了信号重构的过程，就能大幅提高欠采样下的频谱感知效率。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于子空间分解的互素欠采样频谱感知方法及其装置，本专利技术以远低于奈奎斯特速率的采样速率做谱估计，将MUSIC算法用于互素采样结构，精确定位频带内中心载波的位置，详见下文描述：一种基于子空间分解的互素欠采样频谱感知方法，所述感知方法包括以下步骤：以p个互素单元为一个快拍、q为不重叠因子，不断地将两路互素采样信号快拍馈入处理系统，进行扩展滑动快拍处理，通过两路互素样本间的采样时间差获取协方差矩阵估计；抽取最大可能长度的连续的自相关序列，对自相关序列做空间平滑处理，得到改进的Nyquist采样意义下的自相关矩阵估计；给定整个频带内所能容纳的最大子带数，将MUSIC算法用于自相关矩阵估计，以此得到频谱感知结果。其中，所述感知方法还包括：对输入信号进行两路下采样，下采样因子分别为互素的整数，得到两路互素采样信号。其中，所述协方差矩阵估计表示为：Ry=Ry11Ry12Ry21Ry22=E[yb1yb1H]E[yb1yb2H]E[yb2yb1H]E[yb2yb2H]]]>其中，矩阵Ry11和Ry22包含了两路互素采样输出流的各自的自相关信息，而矩阵Ry12和Ry21包含了两路输出流的互相关信息；为的统计平均；为的统计平均；为的统计平均；为的统计平均；分别是yb1，yb2的共轭转置。其中，所述给定整个频带内所能容纳的最大子带数，将MUSIC算法用于自相关矩阵估计，以此得到频谱感知结果的步骤具体为：对平滑后的尺寸为Lmax×Lmax自相关矩阵进行特征值分解；在f∈(0,fmax)范围内进行频率扫描，构造扫描方向向量；并计算MUSIC谱；搜索MUSIC谱的谱峰位置，即为信号的各成分的频谱感知结果。一种基于子空间分解的互素欠采样频谱感知方法的感知装置，所述感知装置包括：外部RAM、DSP、以及输出驱动及显示电路，所述外部RAM用于接收输入的实际观测信号、多重互素单元系数、不重叠因子、互素整数对，识别目标数和互素单元数；所述DSP用于对信号进行下采样、互素采样样本处理、空间平滑处理、MUSIC算法子空间分解；所述输出驱动及显示电路用于显示出整块频带上谱占用情况。本专利技术提出的一种互素欠采样下鲁棒的宽带频谱感知方法及其装置，若用于宽带谱感知及实际工程领域，可产生如下有益效果：第一、降低宽带谱感知需要的采样速率：相对于传统的宽带频谱感知方法，本方法不仅省去了多余的信号重构步骤，还能在使用欠采样的样本的情况下实现一定分辨率的谱重构。由于传统的感知方法需要用奈奎斯特速率对整个宽频带上的信号进行采样，然后将信号重构出来，最后计算其功率谱。当频带宽度达到GHz数量级及以上时，传统感知方法需求的奈奎斯特采样速率将会超出现有模数转换器所能达到的性能极限。而只要同时保证一定数量的馈入系统的互素单元，本方法就能将采样速率降低到max(fs/M,fs/N)，其中M,N可以任意大小。显然本方法可以大幅降低所需的采样速率，从而降低宽带谱感知的成本和硬件要求。例如，实验1中，仅用76.92MHz的最高采样速率就实现了本需要1GHz采样速率进行采样才能实现的理想结果。第二、能精确估计真实的谱占用情况：本方法提出的谱感知方法能检测到整个宽频带内最多个子带信号，同时可以通过增大p和M，N来增加算法所能检测的子带信号。可见在保持一定fs的情况下，选取适量大的p和M，N就可以保证不漏掉某些窄带信号的谱成分。由实验1可以看出，选取p＝4,M＝14,N＝13本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于子空间分解的互素欠采样频谱感知方法，其特征在于，所述感知方法包括以下步骤：以p个互素单元为一个快拍、q为不重叠因子，不断地将两路互素采样信号快拍馈入处理系统，进行扩展滑动快拍处理，通过两路互素样本间的采样时间差获取协方差矩阵估计；抽取最大可能长度的连续的自相关序列，对自相关序列做空间平滑处理，得到改进的Nyquist采样意义下的自相关矩阵估计；给定整个频带内所能容纳的最大子带数，将MUSIC算法用于自相关矩阵估计，以此得到频谱感知结果。
【技术特征摘要】
1.一种基于子空间分解的互素欠采样频谱感知方法，其特征在于，所述感知方法包括以下步骤：以p个互素单元为一个快拍、q为不重叠因子，不断地将两路互素采样信号快拍馈入处理系统，进行扩展滑动快拍处理，通过两路互素样本间的采样时间差获取协方差矩阵估计；抽取最大可能长度的连续的自相关序列，对自相关序列做空间平滑处理，得到改进的Nyquist采样意义下的自相关矩阵估计；给定整个频带内所能容纳的最大子带数，将MUSIC算法用于自相关矩阵估计，以此得到频谱感知结果。2.根据权利要求1所述的一种基于子空间分解的互素欠采样频谱感知方法，其特征在于，其特征在于，所述感知方法还包括：对输入信号进行两路下采样，下采样因子分别为互素的整数，得到两路互素采样信号。3.根据权利要求1所述的一种基于子空间分解的互素欠采样频谱感知方法，其特征在于，其特征在于，所述协方差矩阵估计表示为：Ry=Ry11Ry12Ry21Ry22=E[yb1yb1H]E[yb1yb2H]E[yb2yb1H]E[yb2yb2H]]]>其中，矩阵Ry11和Ry22包含了两路...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄翔东，韩溢文，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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