宽带频谱感知技术的研究与实现

插图索引图2.1频谱传感技术列表图2.2能量检测方法原理图图2.3检测概率图图2.4匹配滤波器检测结构框图10图2.5循环平稳检测方法框图10图2.6循环频谱密度比较图BPSK 11图2.7窄带频谱感测方法的性能比较12图2.8滤波器组12图2.9实信号接收机多相滤波实现结构13图2.10基于CS理论的信号采样和恢复14图2.11 AIC欠采样架构模型15图2.12宽带调制转换器17图3.1 CEC宽带频谱感测过程22图3.2检测概率图35图3.3虚警概率图36图3.4 CEC算法的ROC曲线36图3.5有或没有CEC时支持重建的正确百分比37图37 4.1的总体框架基于认知的宽带跳频通信系统40图4.2频谱感测模块的架构41图4.3上位机软件功能42图4.4系统启动界面42图4.5上位机程序网卡配置初始化窗口43图4.6通讯视图图44图4.7通信视图中的误码率测试接口图44图4.8通信过程中的传感部分46图4.9感知数据处理流程47图4.10单频扫描UML 48图4.​​11添加窄带干扰时的频谱监视接口49图4.12认知添加窄带干扰时的干扰接口50图4.13感测前后的误码率测试接口51表索引VII表索引表1.1常用频谱检测算法的性能比较表4.1感知频谱分辨率与频谱分辨率之间的对应关系频谱数据点数表41 4.2 CScanBasicView_SFMS类中的方法和字段描述48符号比较表IX符号比较表符号符号名称fa采样频率fa授权用户发送的信号缩写比较表XI缩写比较表缩写英文全名中文比较ADC模拟DigitalConverter ADC CEC通道能量抵消CFH认知跳频CR认知认知CS压缩感知压缩感知DSP数字信号处理器FH跳频通信FPGA现场可编程门阵列HDLC高级数据链路协议MAC媒体访问控制物理地址MFC Microsoft基础类Microsoft基础类MWC调制宽带转换器宽带调制宽带转换器PU主要用户授权用户SU次要用户次要用户TOD时间WinPCap Windows数据包捕获数据包监视工具WSS宽带频谱感知B道路频带频谱传感技术目录XIII目录摘要III插图索引VII符号比较表IX缩写词比较表XI第1章简介1.1研究背景和意义1.2发展现状1.2 .1窄带频谱传感技术1.2.2宽带频谱传感技术1.3主要工作完成本文和各章内容的简要说明第2章认知中的频谱检测2.1经典的窄带频谱检测技术2.1.1能量检测方法2.1.2匹配滤波器检测方法2.1.3循环平稳检测方法102.1.4性能比较窄带频谱传感方法的应用112.2宽带频谱传感技术122.3压缩传感技术132.3.1 CS采样和恢复模型142.3.2数学模型142.4模拟信息转换器152.5宽带调制转换器162.4.1 MWC工作原理172.4.2. MWC信号采集和重构172.4.3. 性能分析192.6本章摘要20第3章宽带调制转换器的宽带压缩频谱感知预先确定技术213.1 CEC算法系统模型213.2 CEC算法步骤22西安电子科技大学硕论文XIV 3.3 CEC的仿真结果和性能分析353.4本章摘要38第4章宽带频谱传感技术在跳频通信系统中的应用和实现394.1宽带认知跳频通信系统的简介394.2宽带频谱传感技术在系统中的应用394.3 PC客户端软件实现414.3.1软件平台简介414.3.2通信简介接口434.3.3传感模块454.3.4的通信过程感知结构描述474.4频谱传感和显示接口484.4.1简介频谱分析显示接口484.4.2. 感知结果显示界面504.5章节摘要52第5章摘要和展望535.1摘要535.2前景54参考资料55致谢59作者简介61第1章简介第1章简介本章首先研究宽带压缩频谱感测的研究背景. 然后介绍了宽带频谱感知技术的发展现状；进一步指出了现有宽带压缩频谱感知方法的问题；最后，介绍了本文的主要贡献和各章的研究内容.

1.1研究背景和意义自21世纪以来，用户对高速宽带无线通信的需求增加，这增加了对有限频谱资源的压力. 当前的频谱策略主要是固定频谱分配策略，其将某些频带分配给特定的无线用户. 事实证明，这种频谱策略效率极低，很容易在某些频段造成拥塞，而在其他频段利用不足. 认知CR允许次要用户（SU）访问未使用的频谱，即空白空间，并且被认为是解决上述问题的有效方法. 认知的关键技术是频谱感知，通过频谱感知我们可以了解频段占用率和主要用户（PrimaryUser，PU）的存在. 当主要用户信号在该频段中不存在时，允许次要用户访问空闲的时隙，从而提高频谱资源的利用率. 随着无线通信技术从低速到高速以及从窄带到宽带的发展趋势，认知宽带频谱感测技术WSS受到越来越多的关注. 其主要目标是要求SU在较宽的频率范围内运行. 频谱感测，以寻找更多的频谱接入机会. 根据香农定理，为了重建无失真的模拟信号，模拟信号的采样频率至少应为信号频谱带宽的两倍，这带来了基于香农-奈奎斯特采样定理的数字信号处理机制. 瓶颈限制了采集前端的转换速度，高吞吐量和大容量的缓冲区空间以及后端逻辑设备的最高频率.

CS [10]的压缩采样理论只需要很少数量的非自适应线性测量采样点，并且通过凸优化可以很可能地恢复时域或其他变换域中的稀疏模拟信号. 方法. 有鉴于此，研究了压缩感知的CS [10] [11]方法，该方法结合了压缩采样CS理论和宽带频谱感知. 这种方法可以充分利用要检测频谱的稀疏特性，以比奈奎斯特采样率低得多的模数转换速度完成宽带频谱信息的获取，并且以极低的速率实时完成宽带频谱的检测. 数字信号处理的开销，这是宽带模拟的解决方案信号采集和高速数字信号传输，存储和处理瓶颈的有效方法之一. 1.2发展现状频谱感知作为认知系统的基础关键技术，可以为动态闭环系统提供必要的反馈信息，保证频谱分配的动态分配和合理的频谱监管. 在实际环境中，许可频段通常被分为几个不重叠的连续子频段. 被许可的用户通常将状态良好的子带分配给西安电子科技大学硕论文的高优先级，以及未使用的子带. 频带在整个频谱上形成一个不连续区域，这些不连续区域被定义为“频谱孔”. 频谱感测的目的是检测这些“频谱孔”，以便次要用户可以使用这些“频谱孔”而不会对主要用户造成干扰，从而提高了频带利用率. 频谱感测中有多种信号存在检测方法. 根据被测频谱的带宽范围，可分为窄带频谱感知技术和宽带频谱感知技术.

当前的频谱感测方法主要致力于发现窄频率范围内的频谱访问机会. 根据香农定理，可用带宽直接决定了最大理论比特率，而窄带频谱感测提供的接入频谱显然无法承载. 对于用户所要求的通信速率，认知用户需要采用宽带频谱感测技术来发现更多信息. 在更宽的频率范围内获得机会. 1.2.1窄带频谱传感技术当前经典的窄带信号检测技术主要包括能量检测方法[12]-[14]，匹配滤波方法[15] [16]循环平稳方法[17] [18]能量检测方法将固定频带上信号的能量与决策阈值进行比较，以确定是否存在信号. 能量检测方法的阈值受频谱环境中噪声方差的影响，因此能量检测方法需要准确估计噪声方差. 如果可以准确估计噪声方差，则能量检测方法的性能将非常出色. 但是，一旦不能准确估计噪声方差，能量检测方法的性能将急剧下降，并且错误警报的可能性也将急剧上升. 对于未知的盲信号，能量检测方法需要遍历并搜索所有可能的带宽以检测弱信号. 对于宽带扫描，计算复杂度很高，在实践中很难实现. 匹配滤波方法根据发射信号的信息设计滤波器，具有很高的检测性能和最大的输出信噪比. 滤波方法可以获得准确的感测结果，但是其缺点很明显: 它必须基于已知用户的先验信息（飞行员，训练序列，调制方法等），并且对于盲信号检测无能为力.

循环平稳检测方法利用通信信号的循环平稳性，而加性高斯白噪声不具有此功能以完成对授权用户的存在检测，但是信号周期频谱计算量大，并且容易受到发射信号的影响. 整形滤波器的影响. 表1.1显示了各种检测算法的比较. 表1.1常用频谱感知算法的性能比较感知算法感知时间检测精度先验信息计算复杂度普遍适用的性能量检测越来越好随着现代通信技术对宽带频谱资源的不断增长的需求，研究CR频谱感知的宽带频谱检测技术已成为现实. 中国意义重大. 第1章简介1.2.2宽带频谱检测技术近年来，宽带频谱检测受到了广泛的关注，要求SU在较宽的频率范围内执行频谱检测，以寻求更多的频谱接入机会. 根据Shannon的采样定理，信号采样率必须大于或等于信号带宽的两倍才能重构无失真的模拟信号. 因此，在实施宽带频谱传感技术时，CR会遇到一些瓶颈: 前端高速模数转换器（Analog Digital Converter，ADC）的功耗，内存缓冲区大小有限的问题以及处理过程. 后端数字信号处理器的功能. 速度限制压缩采样理论只需要很少数量的非自适应线性测量采样点，而凸优化方法可以在时域或其他变换域中极有可能恢复稀疏模拟信号，与传统的奈奎斯特采样框架相比大大降低了采样率.

这有效地激发了压缩采样技术的使用，以解决宽带频谱感测问题. 宽带频谱在实际应用中具有明显的稀疏性，宽带频谱稀疏性可用于基于压缩采样理论的宽带频谱感知技术的研究. 基于压缩采样的亚奈奎斯特频谱感测技术已有很多研究. 在[19]中，通过引入稀疏恢复技术，提出了一种基于奈奎斯特采样的宽带频谱感知方法. 研究者在文献中提出了一种基于压缩测量过程和验证算法的自主压缩频谱感知方法[20]. 参考文献[21]的作者将压缩频谱感知与地理位置相结合，以检测CR中的频谱缺口. 美国密歇根理工大学的田智教授利用宽带频谱的稀疏性，将压缩采样理论与CR宽带频谱感知技术相结合，提出了一种基于压缩采样的宽带压缩频谱感知技术. 压缩感测仅需要很少的非线性测量样本数据就可以在时域或其他变换域中以高概率恢复稀疏的模拟信号，并且可以将信号直接从模拟转换为信息，因此受到了广泛的关注. 当前，可用于模拟信号压缩采样的宽带频谱感测方法可大致分为两类: 第一类基于模拟信息转换器AIC [22] [23]. 首先，现有CS模型[24]的输入信号是有限长度的离散时间Nyquist采样样本，因此它不能解决上述CR瓶颈问题.

为了实现连续时间宽带信号的压缩采样，模拟信息转换器AIC使用宽带随机解调器和低速率采样器进行了创新设计. AIC欠采样架构使用有限离散多音信号的总和作为模拟输入信号模型. 通过将模拟输入信号与随机符号序列相乘，然后进行积分累加和低通采样，获得压缩的采集样本后，可以进行重构. 该方法获取原始信号或其统计特性，然后通过以下方法完成占用判断: 时域或频域能量检测方法. 采集架构易于实现，但是在宽带中恢复连续频谱信号时，它将面临输入信号模型不匹配的问题. 高重构误差或准确的输入信号模型导致的高维和复杂矩阵运算的困境. AIC CS方法[25] [26]通常包括两个阶段: 首先从压缩样本中重建原始宽带信号及其功率谱，然后执行宽带频谱感测以确定活动频带的位置. 不幸的是，AIC模型的性能很容易受到模型设计缺陷和模型不匹配的影响. 第二类基于宽带调制转换器MWC [27] [28]. 为了克服模型不匹配，设计了一种更实用的压缩采样框架宽带调制转换器MWC. 该框架的特点是: 将有限子空间与平移不变性的并集用作模拟输入信号模型，并在多个通道上同时对模拟信号进行预处理. 在每个通道中，将输入信号乘以一个周期为1的伪随机序列，并用低通滤波器过滤，并用低速模数转换器采样.

通过帧重建，相关矩阵分解和多测量向量解方法，可以直接估计信号支持而无需信号重建. MWC欠采样架构可实现对输入信号子空间分解的不同加权因子的下变频，从而降低了必要的采样率. MWC欠采样架构具有合理的信号模型，实时支持确定和商用设备实现的优势. 基于MWC [29] [30]的CS方法具有适用于不同类型信号类型，支持变化快速检测和商业ADC技术的优点，受到越来越多的关注. 但是，由于宽带频带中存在空白. 噪声，宽带白噪声在时域，频域或其他变换域中并不稀疏. 使用宽带调制转换器的欠采样样本直接执行宽带频谱感测很容易引起以下问题: （1）当要感测宽带频带时，没有主用户信号，只有高斯白噪声会引起严重的问题. 误报概率； （2）使用欠采样样本进行信号重建和支持确定的过程将带来巨大的计算成本. 这些计算毫无意义. （3）错误的频谱感知结果会影响通信策略，导致次要用户的通信频繁中断，降低了频段的利用率. 1.3本文完成的主要工作及各章内容的简要说明本文完成的主要工作包括: 对于传统的基于MWC的宽带频谱感知技术在信号重构和支持确定过程中，计算成本高且重构算法的虚警概率研究宽带调制转换器欠采样频谱感知的预判定方法，有效降低宽带高斯白噪声非稀疏度对欠采样频谱感知的影响，提高检测精度频谱感应，并降低计算成本.

根据实际的学科要求，在认知宽带跳频通信系统中，着重研究宽带电磁环境下宽带感知的框架和软件实现过程，从而可以更新跳频通信系统的传输参数. 实时根据频谱感应的结果. 从而，跳频系统可以在没有干扰的频率下进行通信，从而提高了通信传输的可靠性和抗干扰性能. 分析了基于认知的宽带跳频通信系统的体系结构和系统软件平台的各种要求，并使用VS2012创建了MFC接口框架，完成了上位机软件平台的开发. 该软件平台主要具有两个功能: 数据通信和频谱感应. 数据通信负责系统参数的设置和传输数据类型的选择；频谱感测功能负责通道数据的频谱感测，分析感测结果以及在主机界面上直观显示通道频谱图和感测性能. 论文的具体安排如下: 第一章主要研究频谱感知技术在认知中的发展现状以及宽带压缩频谱感知技术的背景和发展现状，提出了一种解决现有宽带压缩频谱感知的局限性的方法. 第一章介绍了基于MWC框架的欠采样频谱感知的预先确定方法. 第二章研究认知中的三种经典的窄带频谱传感技术，传统的宽带频谱传感技术以及压缩传感技术的数学模型，采样和恢复框架. 重点研究了基于宽带调制转换器的压缩传感技术，包括其工作原理，算法步骤，并通过理论分析和仿真验证证明了该方法的优缺点，为后续工作奠定了基础.

第3章着重分析用于宽带调制转换器的欠采样频谱检测的预先确定方法. 详细分析了该方法的系统模型和算法步骤，并通过仿真分析证明，该方法具有提高频谱感知精度，降低计算成本，提高频带利用率的优点. 第四章将宽带频谱感知技术和频谱重构技术应用于跳频通信项目，详细介绍了基于认知的宽带跳频通信系统的系统架构和频谱感知模块框架，以及与通信功能的交互作用. 并使用MFC完成用于频谱感测的客户端软件用户界面的开发. 该客户端软件可用于跳频通信，绘制宽带信道的频谱接口以及显示频谱感测结果. 第五章是本文工作的总结和展望. 西安电子科技大学硕论文第2章认知的频谱感知第2章认知的频谱感知本章首先研究三种经典的窄带频谱感知方法: 能量检测方法，匹配滤波器方法和循环平稳特征检测方法，并分析了其优点. 这三种窄带频谱感测方法的缺点；研究了传统的宽带频谱感知方法；然后针对传统宽带频谱感知方法难以硬件实现的问题，研究了压缩感知技术的压缩采样和频谱重构模型. 主要研究模拟信息转换器AIC和压缩采样框架宽带调制转换器MWC，分析它们的优缺点，为第3章提出的新算法提供理论依据. 最后，总结本章所做的研究工作. 2.1经典窄带频谱感测技术频谱感测技术作为认知系统的基础关键技术，非常重要. 其目的是通过实时检测授权频谱的使用为二级用户选择频段提供依据.

频谱检测技术具有多种信号存在检测算法，根据检测带宽的范围可分为宽带频谱检测和窄带频谱检测技术. 窄带频谱检测中最经典的方法主要包括能量检测方法，匹配滤波方法，循环平稳方法等. 图2.1提供了频谱检测技术的简单分类概述. 图2.1频谱感测技术列表本地频谱感测是每个感测用户实施的检测过程. 该检验是一个二元假设检验问题，检验模型如下: （2-1）其中，表示频段是自由的，可供SU使用. 基于频谱感测技术，经典窄带频谱感测，宽带频谱感测，匹配滤波器检测，能量检测，循环平稳检测，特征值检测，基于奈奎斯特采样的宽带频谱感测技术，基于压缩采样的宽带频谱感测技术，小波检测在西安电子科技大学获得学位，以衡量检验绩效. 测试概率

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/tongxingongju/article-310442-1.html