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1、I互联网 + 通信nternet Communication短波通信中的频谱感知算法研究侯瑞倩 余心乐 徐伟掌 中国传媒大学 广播电视数字化教育部工程研究中心【摘要】 短波依靠电离层反射，通过天波方式传播，在某些特殊领域通信中，短波通信发挥了越来越重要的作用。本文主要将频谱感知技术引入到短波通信中， 主要介绍了能量检测算法和循环谱感知算法， 利用这两种算法， 分析出短波环境中存在的非空闲信号频率。【关键字】 短波 电离层 能量检测 循环谱一、引言短波通信，是指利用3M 到 30M 频段进行通信。其通信的主要缺点就是信道不稳定，从而造成数据传输不稳定，易中断，数据传输质量不高。为了实现数据可靠通
2、信，必须实时侦测出可用的通信频率段。而且，大量研究表明, 短波频谱在时间和空间上都布满着大量的频谱空洞 ，频谱利用率低下，而频谱感知，正是解决频谱利用率低下的重要技术之一。目前的频谱感知算法，主要有能量检测，匹配滤波，波形感知，循环谱特征检测等。由于匹配滤波算法，波形感知算法需要知道接收信号的先验信息，而在短波通信环境下，是不可能知道这些先验信息的，所以这两种方法并不适用于短波通信中，故本文中不做分析。二、能量检测算法2.1 原理能量检测算法，是频谱感知检测方法中比较简单实用的算法，用途广泛。其原理，是直接通过计算接收信号的功率或能量来判别信号是否存在。算法缺点是，在干扰严重情况下，信噪比大大
3、降低，信号混在噪声里，无法识别。通过接收机接收到的短波信号，是经过多径传播的混合信号，能量检测算法是对某个频段内信号进行能量叠加，多径传播，对此算法检测影响不大。设接收到的信号为图 2 短波频段分段数28s(n) 为有用信号， w(n) 为混在 信号中的噪声。单个周期内，信号功率谱密度估计为x(n) = s(n)+ w(n) (1)2jn112Sx()=X ()=NN检测框图如图1 所示：x(n)en=0N1图 3 短波频段分段数55图 1 能量检测器2.2 仿真对于短波频段，是从3MHz 到 30MHz，要想实现对整个频段的检测，必须对其频段进行分段。在本文中探究了短波频段分段数，信噪比不同
4、对算法仿真的影响。设在短波频段里 8MHz 和 25MHz 存在载波信号。(1) 通过对短波频段分段不同，进行算法性能比较。图 4 短波频段分段数27119I互联网 + 通信nternet Communication图 5 短波频段分段数541图 6 短波频段分段数2701表 1 最大频率与频段分段数关系 f fmax段数f6(MHz)f5(MHz)f4（MHz）f3（MHz）f2(MHz)f1(MHz)285122738255523.000028.00005.00009.500025.00008.000027119.900010.900024.900025.10008.000025.0000
5、54125.10008.000024.900024.950025.0500 25.0000270124.940024.990024.980024.950024.9700 24.9600从图 2 到图 6，找寻每幅图上的六个最大能量频率点，记录为 f1,f2,f3,f4,f5,f6， 并依次排序， 其中 f1 对应的能量最大，f2 其次 .f6 相对较小，结果如表1 所示。通过仿真结果显示，对短波频段分段数越多，意味着对整个频段扫描越细（简称细扫描），分段数越少，意味着对整个频段扫描越粗略（简称粗扫描）。当分段数为28 时，意味着扫描带宽为1MHz，f1 至 f6 全为整数，差距较大，但能准确判
6、断出整数载波位置。当分段数为2701 时，意味着扫描带宽为 0.01MHz，f1至 f6 越接近，却不能准确判断出整数载波位置。单次能量检测运用，适合粗扫描。（2）当信噪比不同时，对算法性能比较。仿真如图7，图 8，图 9。图 7 信噪比为-5dB 时输出能量20图 8 信噪比为-15dB 时输出能量图 9 信噪比为-25dB 时输出能量通过仿真图可知，当信噪比为-15dB 时，还能清晰地判断出信号载波在8MHz 和 25MHz 上。然而-25dB 时，信号已经被噪声完全淹没， 导致所有频率点上能量分布接近均匀，已无法识别出信号载波。总结：在大信噪比，需要检测整数频率是否空闲时，使用能量检测算
7、法进行粗扫描，能大大降低运算成本，效率极高。 然而在载波为非整数时， 需要进行更多的分段， 即细扫描，然而会增加运算量, 窄带内叠加的能量差别很小，区分不开，分段没有意义。小信噪比情况下，不适合用能量检测算法。三、循环谱特征检测3.1 原理循环谱特征检测是利用信号具有特殊的循环平稳特性。根据噪声和信号统计特性上的差别来区分它们。噪声不具有循环平稳特性，而信号往往具有循环平稳特性。循环谱的频谱感知结构如图10 所示。图 10 基于循环谱的频谱感知结构设功率有限信号x(t) 为循环平稳，则在时间-T/2,T/2上循环自相关函数为则其谱相关函数为由此可得出判决方式当 =0 时，是无法判断的，因为无法
8、确定是信号幅度，还是噪声幅度。所以主要根据 0 时来判定信号。 0 时，存在峰值，则证明信号存在。3.2 仿真短波信道环境中，对信号最大的影响便是多径传播，假设信号在20MHz 上存在载波，且通过三种路径达到接收机，那么运用循环谱算法进行仿真。仿真结果如图11，图 12，图 13 所示。通过仿真可知，在低信噪比情况下（如-5dB），在双倍载波频率处（40MHz）存在峰值，算法能清晰地检测出载波频率，然而当信噪比低于-15dB 时，信号将受到噪声影响，在双倍载波频率处，存在噪声干扰，信号会被噪声淹没。图 11 信噪比为-5dB 时信号循环谱图 12 信噪比为-10dB 时信号循环谱总结：循环谱算
9、法更适合精确检测某一非空闲频率，而有限长度的FFT 变换，导致循环谱算法在低于-15dB 时，信号混在噪声里。四、联合检测在大信噪比时，可以同时利用能量算法和循环谱算法来实现精确检测。能量检测算法通过粗扫描，能大致判断载波所在频段，循环谱检测算法可以检测所在频段的具体频率点。假设在 25MHz 和 8.6MHz 处存在载波，那么利用能量检测算法，将短波频段按1MHz 分段，就可以检测出25MHz 存在载波，再利用循环谱算法检测出8.6MHz 处存在的载波。如图I互联网 + 通信nternet Communication图 13 信噪比为-15dB 时信号循环谱14，图 15，图 16.图 14 能量检测图 15 循环谱检测图 16 精确检测频率显示五、 结语频谱感知技术就是为了探测空闲频谱段，实时感知，实时检测空闲频谱。短波通信抗毁性好，优势明显，频谱感知技术为短波的宽带传输提供可能。能量检测算法， 原理简单，很适合实时感知情况。循环谱检测，计算复杂，适合精确感知情况。21