專利名稱：使用具有寬帶前端的接收器檢測窄帶信號的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種檢測信號存在(或缺失)的方法和系統(tǒng)，并且更特別地，涉及一種使用具有寬帶前端的接收器在較寬頻道中檢測窄帶信號存在的方法和系統(tǒng)。

背景技術：
隨著未經許可的無線設備的迅速擴展，對某頻道是否被其他經許可的或未經許可的設備占用的檢測將成為將來的未經許可的無線設備的關鍵組成部分。例如，在超寬帶(UWB)系統(tǒng)的情形下，在UWB發(fā)送設備在特定信道上開始工作之前，它首先必須校驗以了解是否另一UWB系統(tǒng)或一些其他授權的窄帶系統(tǒng)正在所述信道中工作。另一個實施例是TV波段中的區(qū)域網絡，其為通過IEEE802.22組而標準化的新興標準。在該情況下，所述發(fā)送設備必須能夠檢測可能正在信道中任何位置工作的其他用戶，比如在TV波段工作的無線麥克風。


發(fā)明內容
因此，所期望的是提供一種使用具有寬帶前端的接收器檢測窄帶的系統(tǒng)。進一步期望的是提供一種使用具有寬帶前端的接收器檢測窄帶的方法。本發(fā)明旨在解決上面所關注的一個或多個問題。
根據本發(fā)明的一個方面，一種用于在具有帶寬ΔF1的寬頻信道中檢測具有帶寬ΔF2的窄帶信號的存在(ΔF1>ΔF2)的系統(tǒng)，包括接收器前端部分，其適用于在具有帶寬ΔF1的所選頻道中接收信號，將所接收到的信號數字化，以及輸出數字化信號；時域到頻域的變換器，其適用于將由所述接收器前端部分輸出的所述數字化信號變換為N個跨越所述頻道的數字頻域分量；頻譜平均器，其適用于將在多個樣本(K)上對所述N個數字頻域分量的功率譜進行平均化；濾波器，其適用于利用具有M個跨越帶寬ΔF3的非零值的濾波器對所述N個數字頻域分量的所述平均化的功率譜進行濾波，其中，N>M且ΔF1>ΔF3；統(tǒng)計學計算器，其用于計算所述N個數字頻域分量的所述已濾波的平均化的功率譜的均值μk、修正的標準差βk和峰值PMAX；以及檢測器，其適用于每當PMAX>(k1＊μk)+(k2＊βk)時，檢測具有帶寬ΔF2的窄帶信號在所述頻道中的存在，其中，選擇k1和k2以提供檢測概率、漏檢概率和虛警概率。
根據本發(fā)明的另一方面，一種用于在具有帶寬ΔF1的寬頻信道中檢測具有帶寬ΔF2的窄帶信號的存在(ΔF1>ΔF2)的方法，包括將在具有帶寬ΔF1的頻道中接收到的信號數字化；將所述數字化信號變換為跨越所述頻道的N個數字頻域分量；在多個樣本(K)上對所述N個數字頻域分量的功率譜進行平均化；利用具有M個跨越帶寬ΔF3的非零值的濾波器對所述N個數字頻域分量的所述平均化的功率譜進行濾波，其中，N>M且ΔF1>ΔF3；計算所述N個數字頻域分量的所述已濾波的平均化的功率譜的均值μk、修正的標準差βk和峰值PMAX；以及每當PMAX>(k1＊μk)+(k2＊βk)時，檢測具有帶寬ΔF2的窄帶信號在所述頻道中的存在，其中，選擇k1和k2以提供檢測概率、漏檢概率和虛警概率。
根據本發(fā)明的又一方面，一種用于在具有相對較寬的帶寬ΔF1的頻道中檢測具有相對較窄帶寬ΔF2的信號(ΔF1>ΔF2)的方法，包括在具有帶寬ΔF1的所選頻道中接收信號；在一個時段上對所接收到的信號的功率譜進行平均化，以產生平均化的功率譜；將所述平均化的功率譜應用到具有帶寬ΔF3(其中，ΔF1>ΔF3)的濾波器上，以產生已濾波的、平均化的功率譜；每當所述已濾波的、平均化的功率譜的峰值對從下列各項中所選取的一個的比值超過閾值時，檢測具有帶寬ΔF2的窄帶信號在所述頻道上的存在 (a)所述濾波的、平均化的功率譜的均值； (b)所述濾波的、平均化的功率譜的修正的標準差；和 (c)所述濾波的、平均化的功率譜的均值和標準差的線性組合。



另外的和其他的方面將通過下面的說明而變得明顯。
圖1示出了用于在具有相對較寬帶寬的頻道中檢測具有相對較窄帶寬的信號的存在的系統(tǒng)的一個實施例的高級別示圖； 圖2闡述了可以被圖1的系統(tǒng)采用的接收器前端的一個實施例； 圖3是說明用于在具有相對較寬帶寬的頻道中檢測具有相對較窄帶寬的信號的存在的方法的一個實施例的流程圖； 圖4比較了圖1的系統(tǒng)的理論性能和仿真性能； 圖5示出了圖1的系統(tǒng)預期性能，其中，所述窄帶信號通過瑞利衰落信道； 圖6示出了當所接收到的信噪比為0dB時，在圖1的濾波器的輸出端的頻譜的仿真圖線。

具體實施例方式 下面將參照附圖更全面地描述本發(fā)明，附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，可以以不同形式實施本發(fā)明，并且本發(fā)明不應被解釋為其被限于這里所闡述的實施例。此外，這些實施例是作為本發(fā)明的教導實例而被提供的。
圖1示出了系統(tǒng)100的一個實施例的高級別示圖，其用于在具有相對較寬的帶寬的頻道中，檢測具有相對較窄的帶寬ΔF2信號的存在(ΔF1>ΔF2)。如本領域技術人員所理解的，可以使用軟件控制的微處理器、硬線邏輯電路或它們的組合在物理上實現圖1中所示的各種“部分”中的一些或全部。而且，雖然在圖1中為說明的目的，所述部分按功能被隔離，但它們可以以任何物理實現形式被合并。系統(tǒng)100包括接收器前端部分110、時域到頻域的變換器120、頻譜平均器130、濾波器140、統(tǒng)計學計算器150和檢測器160。
圖2示出了接收器前端部分110的一個實施例，其包括射頻(RF)調諧器112，跨越多個頻道；中頻(IF)部分116，耦合到RF調諧器112的輸出；模數轉換器(ADC)118，耦合到IF部分116的輸出。RF調諧器112包括RF放大器部分113；下轉換器114，耦合到RF放大器部分113的輸出下轉換。RF放大器部分113可以包括一個或多個RF放大器、跨越所期望的頻段的濾波器。下轉換器114可以包括本地振蕩器和混頻器，所述混頻器接收本地振蕩器信號與RF放大器部分113的輸出。有利地，所述本地振蕩器是可編程或可調諧的振蕩器，比如鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器、直接數字式頻率合成器，等等。有利地，IF部分116包括至少一個IF濾波器(例如，聲表面波(SAW)濾波器)和IF放大器。
在運行上，下轉換器114有選擇地將選取自多個頻道中的一個下轉換為所選擇的IF，其中，通過將所述本地振蕩器編程或調諧為所期望的頻率來選擇所期望的頻道，從而混頻器的輸出將所選的頻道轉變?yōu)樗鯥F頻率。下轉換器114(并且因此RF調諧器112)的輸出包括已轉變到所述IF頻率的所選頻道。在這種情況下，IF部分116去除了來自RF調諧器112的剩余的、未被選擇的信道。IF部分116的輸出包括被下轉換為所述IF的所選的頻道。隨后ADC 118將從IF部分116輸出的模擬信號轉換為數字信號，該數字信號是接收器前端部分110的輸出。
當然，圖2僅示出了接收器前端部分110的一個實施例。在其他實施例中，接收器前端部分可以使用雙重轉換，或者—如果頻率和技術允許—直接在所接收的頻率上對所選信道進行數字化并濾波。
再次回到圖1的組件，有利地，時域到頻域的變換器120是N點快速傅立葉(Fourier)變換器，其中，所述N個點跨越了所選頻道的帶寬。有利地，頻譜平均器130是數字信號處理電路，其可以包括微處理器、數字信號處理器等等。有利地，濾波器140是具有M個非零值的數字濾波器，其中，N>M。
現在將闡述系統(tǒng)100的操作。
接收器前端部分110從天線接收信號，選擇具有帶寬ΔF1的頻道，將所接收到的信號數字化，并輸出數字化的信號rn。應當理解，在本文中術語“接收到的信號”將被廣泛地解釋為包括了實際發(fā)送的信號和出現在接收器前端的噪聲，其包括這樣的情況只有噪聲而沒有實際傳輸的信號。這不同于術語“窄帶信號”，其僅僅指特別地從某些發(fā)送設備中所發(fā)送的信號。
接下來，時域到頻域的變換器120對輸入信號執(zhí)行FFT運算，如下 其中，Y(k，m)是第k塊FFT輸出，rn是接收到的數據，且N是FFT的大小。一般地，rn包括噪聲和待檢測的窄帶信號。然而，也可以出現另外的寬帶信號。
在執(zhí)行FFT之后，頻譜平均器130通過K個樣本計算所接收到的功率譜的平均值，P(k，m)，如下 用于估計所述頻譜的可替代的方法是在時域到頻域變換器120的FFT的每個頻點(frequency bin)上使用一階濾波器，如下 P(k，m)＝δP(k，m)+(1-δ)|Y(k，m)|2 其中，δ是常數(遺忘因子)。
系統(tǒng)100使用的檢測方法承認這樣的原則如果隨機變量被建模為具有高斯分布，則大部分樣本落在從均值到其3倍標準差之內。這之外的樣本被認為是“異常值”。對于該申請，我們可以認為在輸入信號缺失時，由系統(tǒng)100測量得到的信號是噪聲。該噪聲服從高斯分布。然而，一般地，所述窄帶信號的功率譜不服從高斯分布。因而，不可直接應用標準“異常值”檢測方式。下面的段落為所使用的檢測方法提供理論背景。
隨機變量y＝x2的概率密度函數(pdf)由下式給出，其中，x是方差為σ2的零均值正態(tài)隨機變量(服從高斯分布) 由此，并使用這樣的事實兩個隨機變量之和的概率密度函數是它們的概率密度函數的卷積，我們發(fā)現，當K＝1時，P(k，m)的概率密度函數如下 使用相同的原理，當K>1時，其可表示為 其中，λ＝K/(2σ2)。該概率密度函數通常被稱為厄蘭(Erlang)概率密度函數。所述累積分布函數也由下式給出 CDF＝Γ(K，Pλ) 其中，Γ()是不完全伽馬(Gamma)函數。f(P)的均值和方差為 均值＝K/λ＝2σ2 以及 方差＝K/λ2＝(2σ2)2/K＝均值2/K。
因此，更多的平均化運算(增加K)使得所述方差接近零。如果K很大，則該密度可以用高斯密度函數逼近，然而如上所示，所述方差接近于零使得對于檢測很難使用高斯分布假設。
從上述CDF中，可以看出，在檢測中可以進行折中。如果我們將檢測準則限定為P>2ασ2，其中，α是閾值常數，則漏檢概率、正確檢測概率和誤檢概率可以描述為 Prob_miss ＝Γ(K，Kα)M Prob_detection ＝1-Γ(K，Kα)M Prob_false_alarm.＝1-Γ(K，Kα)N 其中，N是FFT的大小，而M是所述窄帶信號跨越的頻點的數量。給定某一性能準則，于是我們可以試圖求解閾值常數和所需平均時間(K)。然而，不存在閉式解。
再次回到圖1，對由平均器130平均化后的功率譜的進行進一步的譜平均化運算可通過使用具有帶寬ΔF3的濾波器140對P(k，m)進行濾波而取得，其中，ΔF1>ΔF3。理想地，濾波器140應該具有匹配正在檢測在所述頻道內的其存在(或缺失)的所期望的窄帶信號的頻譜的形狀。在此情況下，濾波器是維納(Wiener)濾波器。然而，在系統(tǒng)100與被檢測的窄帶信號的發(fā)射機之間存在頻率選擇性多徑(例如，瑞利衰落)的情況下，所期望的頻譜是未知的。因此，濾波器140可以是帶寬為ΔF3的簡單的矩形濾波器。有利地，所述濾波器帶寬ΔF3近似等于正在檢測其存在(缺失)的窄帶信號的帶寬ΔF2。也就是，濾波器140的帶寬ΔF3與待檢測其存在(缺失)的窄帶信號的帶寬ΔF2匹配得越接近，所述系統(tǒng)將執(zhí)行得越好。在圖1的實施例中，有利地，濾波器140是長度為N，具有M個非零值的數字濾波器，其中，M是由待檢測的窄帶信號所跨越的頻點的數量，在典型的情況(例如在6MHz的信道中檢測350kHz的信號)中，M<N/10。
接下來，統(tǒng)計學計算器150計算所述已濾波的、平均化的功率譜的一些統(tǒng)計量。特別地，統(tǒng)計學計算器150計算所述已濾波的平均化的功率譜的均值和修正的標準差(SD)。傳統(tǒng)的SD在很窄帶寬的信號的存在的情況下有偏差，并且因此它不是好用的統(tǒng)計量。統(tǒng)計學計算器150計算均值μk和修正的標準差βk為 當max(P(k，m))>k1μk+k2βk(其中，k1和k2是常數，其被選擇以獲得所期望的性能準則)時，利用上述概率函數，檢測器160在所述頻道中檢測窄帶信號的存在。也就是說，選擇k1和k2以產生在漏檢概率、正確檢測概率和錯檢概率之間所期望的折中。注意 其中，SNR是所述窄帶信號的信噪比，σ12和σ22分別是基于頻點的背景信號(噪聲)和窄帶信號的方差(功率)(總輸入功率是Nσ12+Mσ22)。假設k2＝0，于是 圖3是闡述方法300的一個實施例的流程圖，所述方法300用于在具有相對較寬的帶寬的頻道ΔF1中檢測具有相對較窄帶寬ΔF2的信號的存在。在一個實施例中，方法300可以由例如圖1的系統(tǒng)100的系統(tǒng)來執(zhí)行。
在方法300的第一步驟310中，在具有帶寬ΔF1的頻道中接收到的信號被數字化。
接下來，在步驟320中，所述數字化信號被轉換為跨越所述頻道的N個數字頻域分量。有利地，使用快速傅立葉變換。
接著，在步驟330中，所述N個數字頻域分量的功率譜在多個(K)樣本上被平均化。
在步驟340中，用具有M個非零值跨越帶寬ΔF3的濾波器對所述N個數字頻域分量的所述平均化功率譜進行濾波，其中，N>M且ΔF1>ΔF3。有利地，ΔF3近似等于ΔF2。優(yōu)選地，所述濾波器是維納(Wiener)濾波器。在典型的情況中(例如在6MHz的信道中檢測350kHz的信號)，M<N/10。
在步驟350中，計算均值μk、修正的標準差βk和所述N個數字頻域分量的所述已濾波的平均化的功率的峰值PMAX。
最后，在步驟360中，每當PMAX>(k1＊μk)+(k2＊βk)時，檢測(360)所述具有帶寬ΔF2的窄帶信號在所述頻道中的存在，其中，選擇k1和k2以提供所期望的檢測概率、漏檢概率和虛警概率的值。
執(zhí)行圖1的系統(tǒng)的仿真，以驗證在推導上述公式中所作的假設。圖4比較圖1的系統(tǒng)的理論的性能和仿真的性能。在圖4的實例中，N＝1024，M＝50且K＝100。而且，k1被選擇為1.4，而k2被設定為零。
圖5針對標準差、k1和k2的各種值，示出了圖1的系統(tǒng)的預期的(仿真的)性能，其中，所述窄帶信號通過瑞利(Rayleigh)衰落信道。
圖6示出了當所接收到的信噪比為零時，在圖1的濾波器的輸出端的仿真圖線。圖6闡述了頻譜的視覺檢測如何清楚地揭示所述窄帶信號的存在。這個過程可以通過比較所述已濾波的平均化功率的峰值而被自動化。
雖然這里公開了優(yōu)選實施例，但是仍然是在本發(fā)明的原理和范圍內的許多變異是可能的。對于本領域的技術人員，在檢查這里的說明書、附圖和權利要求之后，這樣的變異將變得清楚。所以，除了在所附權利要求的精神和范圍之內，本發(fā)明沒有被限制。
權利要求
1.一種系統(tǒng)(100)，用于在具有帶寬ΔF1的寬帶頻道中檢測具有帶寬ΔF2的窄帶信號的存在，ΔF1>ΔF2，，該系統(tǒng)包括
接收器前端部分(110)，其適用于接收在具有帶寬ΔF1的所選頻道中所接收到的信號，將所接收到的信號數字化，以及輸出數字化信號；
時域到頻域變換器(120)，其適用于將由所述接收器前端部分輸出的所述數字化信號變換為N個跨越所述頻道的數字頻域分量；
頻譜平均器(130)，其適用于在多個樣本(K)上對所述N個數字頻域分量的功率譜進行平均化；
濾波器(140)，其適用于利用具有M個跨越帶寬ΔF3的非零值的濾波器對所述N個數字頻域分量的所述平均化的功率譜進行濾波，其中，N>M且ΔF1>ΔF3；
統(tǒng)計學計算器(150)，其用于計算所述N個數字頻域分量的所述已濾波的平均化的功率譜的均值μk、修正的標準差βk和峰值PMAX；和
檢測器(160)，其適用于每當PMAX>(k1＊μk)+(k2＊βk)時，檢測具有帶寬ΔF2的窄帶信號在所述頻道中的存在，其中，選擇k1和k2以提供檢測概率、漏檢概率和虛警概率。
2.權利要求1的系統(tǒng)(100)，其中，ΔF3近似等于ΔF2。
3.權利要求1的系統(tǒng)(100)，其中，所述濾波器(140)是維納濾波器。
4.權利要求1的系統(tǒng)(100)，其中，所述時域到頻域變換器(120)是快速傅立葉變換器。
5.權利要求1的系統(tǒng)(100)，其中，M<N/10。
6.權利要求1的系統(tǒng)(100)，其中，ΔF1至少是6MHz，而ΔF2不超過350kHz。
7.權利要求1的系統(tǒng)(100)，其中，所述接收器前端部分(110)包括
射頻(RF)調諧器(112)，其跨越多個頻道，該RF調諧器包括
RF放大器部分(113)；和
下轉換器(114)，其耦合到RF放大器部分的輸出端，該下轉換器有選擇地將多個頻道中的一個轉換為所選的中頻(IF)；
IF部分(116)，其耦合到所述下轉換器的輸出端；以及
模數轉換器(118)，其連接到所述IF部分的輸出端。
8.權利要求7的系統(tǒng)(100)，其中，RF調諧器(112)適用于在VHF和UHF頻段選擇頻道信號。
9.一種方法(300)，用于具有帶寬ΔF1的寬帶頻道中檢測具有帶寬ΔF2的窄帶信號的存在，ΔF1>ΔF2，該方法包括
將在具有帶寬ΔF1的頻道中接收到的信號數字化(310)；
將所述數字化信號變換(320)為跨越所述頻道的N個數字頻域分量；
在多個樣本K上對所述N個數字頻域分量的功率譜進行平均化(330)；
利用具有M個跨越帶寬ΔF3的非零值的濾波器對所述N個數字頻域分量的所述平均化的功率譜進行濾波(340)，其中，N>M且ΔF1>ΔF3；
計算(350)所述N個數字頻域分量的所述已濾波的平均化的功率譜的均值μk、修正的標準差βk和峰值PMAX；
每當PMAX>(k1＊μk)+(k2＊βk)時，檢測(360)具有帶寬ΔF2的窄帶信號在所述頻道中的存在，其中，選擇k1和k2以提供檢測概率、漏檢概率和虛警概率。
10.權利要求9的方法(300)，其中ΔF3近似等于ΔF2。
11.權利要求9的方法(300)，其中，所述濾波器是維納濾波器。
12.權利要求9的方法(300)，其中，變換所述數字信號的步驟包括對數字信號執(zhí)行快速傅立葉變換。
13.權利要求9的方法(300)，其中，M<N/10。
14.權利要求9的方法(300)，其中，ΔF1至少是6MHz，而ΔF2不超過350kHz。
15.一種方法(300)，用于在具有相對較寬的帶寬ΔF1的頻道中檢測具有相對較窄的帶寬ΔF2的信號的存在，ΔF1>ΔF2，該方法包括
接收在具有帶寬ΔF1的所選頻道中所收到的信號；
在一個時段上對所接收到的信號的功率譜進行平均化(330)，以產生平均化的功率譜；
將所述平均化的功率譜應用(340)到具有帶寬ΔF3(其中，ΔF1>ΔF3)的濾波器上，以產生已濾波的、平均化的功率譜；
每當所述已濾波的、平均化的功率譜的峰值對從下面的選項中所選取的一個的比率超過閾值時，檢測(360)具有帶寬ΔF2的窄帶信號在所述頻道上的存在，所述選項為(a)所述已濾波的、平均化的功率譜的均值；(b)所述已濾波的、平均化的功率譜的修正的標準差；和(c)所述已濾波的、平均化的功率譜的均值和修正的標準差的線性組合。
16.權利要求15的方法(300)，其中，ΔF3近似等于ΔF2。
17.權利要求15的方法(300)，其中，所述第二濾波器是維納濾波器。
18.權利要求15的方法(300)，其中，ΔF1至少是6MHz，而ΔF2不超過350kHz。
19.權利要求15的方法，其中，從下面選項中選取的一個包括均值和修正的標準差值的線性組合，所述選項為(a)所述已濾波的功率譜的均值；(b)所述已濾波的功率譜的修正的標準差；和(c)所述已濾波的功率譜的均值和修正的標準差的線性組合。
全文摘要
一種在具有帶寬ΔF1寬帶頻道中檢測具有帶寬ΔF2的窄帶信號(ΔF1＞ΔF2)的存在的系統(tǒng)(100)和方法(300)。該方法(300)包括將在所述頻道中接收到的信號數字化(310)；將所述數字化信號變換(320)為N個數字頻域分量；在多個樣本上對所述N個數字頻域分量的功率譜進行平均化(330)；利用具有M個跨越帶寬ΔF3的非零值的濾波器對所述N個數字頻域分量的所述平均化的功率譜進行濾波(340)，其中，N＞M且ΔF1＞ΔF3；計算(350)所述已濾波的平均化的功率譜的均值μk、修正的標準差βk和峰值PMAX；以及每當PMAX＞(k1*μk)+(k2*βk)時，檢測(360)所述窄帶的存在，其中，選擇k1和k2以提供檢測概率、漏檢概率和虛警概率。
文檔編號H04B1/69GK101449477SQ200780018075
公開日2009年6月3日 申請日期2007年5月17日 優(yōu)先權日2006年5月18日
發(fā)明者D·比魯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司