基于周期循环平稳检测算法的频谱感知技术研究
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 摘要认知无线电作种革命性智能频谱共享技术可显著提高频谱使用率近年受到了人们广泛关。
组建实际认知无线电络要核心问题是如何准确地识别频谱空穴并检测授权用户出现。
重研究了基周期循环平稳检测频谱感知技术简单地阐述了频谱感知技术发展应用和现状系统地介绍了实现频谱感知几种算法并加以比较详细地论述了周期循环平稳检测算法原理及实现程。
然对该算法结合理论和仿真图进行了性能分析。
通仿真说明周期循环平稳检测低信噪比情况下仍具有良性能而且能区分不类型调制信。
关键词认知无线电频谱感知周期循环平稳检测算法 br rvlr r r rg lg, R gl rv r lz r r r r r rbl rg l gv r rk r l l r r g, l rbl l vl rl R rlz r r lr r r rl rrl q lz r, vl, l r g, rl r rr vrl r r g rl , rlrl lz b rl l lr r , lz l r rvr, ll l gg lr r l r gl vg l gl (R) vl , g l gl r g K r gv r, r g, lr r 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 目录 绪论 3 研究背景及义 3 研究现状 6 认知无线电国外研究现状 6 认知无线电频谱感知技术国外研究现状 8 3 工作和容组织 基信周期平稳特性频谱感知算法基理论 3 引言 3 周期平稳相关概念及定义 3 周期平稳信 3 循环谱密函数 5 3 循环谱密函数特 6 3周期平稳特性噪声抑制性能 6 循环谱估计 7 谱相关函数计算 7 离散信循环谱估计 8 5 周期循环检测法 0 5 理论分析 0 5算法描述 0 6 结 3 周期循环平稳检测算法性能分析及优势 3 性能分析 3 不窗函数对性能影响 3 检测数据序列长对性能影响 33 滑动步长对性能影响 5 3 信道对性能影响 7 3 周期循环平稳检测算法主要优势 9 系统抗噪声能力强 9 区别不类型调制信 33 33 结 38 全总结和工作展望 39 致谢 0 参考献 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 绪论 研究背景及义 近年无线技术领域正进入高速发展繁荣期各种创新无线技术不断涌现并快速步入商用无线应用市场异常活跃无线技术身也快速演进不断革新。
无线用户数目激增以及每用户业量不断增加再加上语音用户向数据用户变使无线技术对频谱急速增长现有频谱越越难以满足无线技术和业发展。
将呈现三世界从络层面看是世界从传输层面看是光世界从技术层面是无线世界[]。
全球无线移动通信技术发展走势宽带移动化、移动宽带化、传输化、接入多样化、络适应化、系统补综合化、应用性体泛化、有线无线与“三”融合体化。
根据市场研究[]将会有300z～700z频谱而根据007年世界无线电会频谱划分看（rl bl l）新划分频段只有00z加上原先可用600z频段我们还将面对300z700z频谱缺口。
虽然（rl l）与蜂巢络已获得巨成功但其它无线新技术如（rq v l）、x（rl rrbl r rv ）等也正上路由频谱匮乏使得频谱将愈加难以获得甚至阻碍到新技术发展。
而另方频谱利用不合理整体频谱利用效率低下是与上述问题存事实。
当前绝多数频谱都是采用固定分配模式由专门频率管理部门分配特定授权频段(L rq B, LB)以供不通信业使用。
而对另外些工作非授权频段(l rq B, B)通信业如无线局域(rl Ll r rk, L)技术、无线人局域(rl rl r rk, )技术等由其近几年发展迅速导致这些络所工作非授权频段逐渐趋向饱和。
这就出现了这样事实某些络频谱相对较少但其承业量很而相当多已授权频谱并没得到充分使用。
美国邦通信委员会（ rl ）公布数据表明目前分配出频段利用率只有5％～85％不等[3]。
某些频段如移 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 动通信络频带处超荷工作而如业余无线电及电视频段等诸频段并得到充分使用另外不和空段频谱利用率也有相当差异。
伯克利学无线研究心实际测量表明3Gz以下频带有70%频段可以任刻、任地被使用[]。
然而即使授权用户（L r）很少使用它们所分配频段政府法规仍限制潜要得到频段使用权授权用户接入。
虽然现有频谱分配政策长期保持其有效性但随着无线业增长加剧对有限频谱也随剧增这种新情况对传统无线频谱分配政策产生了巨挑战。
国际上新观念认频谱利用效率高低取所采用技术频谱紧缺局面根途径是开发高效频谱利用技术频谱使用效率较低技术将被淘汰取而代是带宽利用效率更高技术。
了提高利用率些学者专空接口传输技术研究指定频带采用高进制调制、（rgl rq v llxg）、（ll ll）等高频谱效率传输技术增加每赫兹传输比特。
然而这种方式付出代价是功率和复杂不断提高由成和可实现性限制这种技术开发从目前看已逼近了极限。
所以通提高空口技术整体提高无线传输效率已渐渐走向了终。
因各国无线电管理机构所面临主要问题不是频谱稀缺而是要科学合理频谱利用政策。
目前各国无线电管理机构频谱管理政策方面作了有益尝试以处理越越突出频谱供问题。
越越多国认识到无线电频谱政策必须作相应调整使适应新技术发展和市场业充分发掘高效频谱利用技术潜力。
了有效日益增长无线通信频谱与有限无线频谱矛盾种智能频谱共享技术——认知无线电（gv R, R）就应运而生了它提出就引起了业界极关。
认知无线电可以从根上频谱匮乏问题[57]因成无线通信产业发展方向和研究热并逐渐通标准化进入到产业领域。
R用户通感知频域、域和空域等多维空上频谱环境对目标频段连续监测检测出被主用户使用频段非授权用户从而可以“伺机”接入这些空闲频谱。
而旦主用户重新使用该频段R用户必须规定退出该频段以避免对授权用户产生干扰。
认知无线电实现 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 了不可再生频谱二次利用可以有效提高频谱利用率它如何有限频谱条件下提高频谱使用率这无线通信难题开辟了条新途径。
认知无线电技术能够智能地感知空闲频谱并能不对原有授权系统造成干扰情况下实现与授权系统频谱共享有效地提高了频谱利用率但是它真正走向应用尚有许多关键问题得到有效其实频谱检测能力是限制其快速发展主要障碍。
频谱感知是实现认知无线电络应用首要关键技术,近年受到人们广泛关而成当前研究热。
当前认知无线电关键技术研究主要集频谱感知和动态频谱管理两方面[8]。
认知无线电其它部分包括频谱管理模块正常工作都是以频谱感知成功前提因频谱感知能力强弱直接定认知无线电系统能否有效工作。
般讲通信系统可按照／七层模型划分其物理层具体功能是对信传输和处理是整通信系统工作基石。
通信系统要具有良工作性能首先要拥有强物理层支撑；从另方面讲物理层能力也直接影响和局限通信系统其它各层工作。
即使认知无线电是种新型通信系统也脱离不了该分层模型框架[9]。
认知无线电频谱感知目是直接从无线电环境提取信息而提取程与无线电环境直接接触只能由系统物理层完成因频谱感知技术主要是种物理层信处理技术。
具体讲认知无线电频谱感知主要实现两功能[0] )检测频谱空洞是否存。
如检测到有这样空闲频谱则该频谱就可以作认知无线电系统传输信频谱。
)对某认知无线电接收机讲即使已确认了某频段形成频谱空洞该接收机还要检测该频谱空洞是否已被其它认知无线电用户(次用户)信占用。
如有则地认知无线电接收机还寻其它频谱空洞传输信以避免和其它次用户使用该频谱空洞而产生冲突。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 对认知无线电系统讲频谱感知既要保证次用户能有效利用授权频谱传输非授权信又不会对主用户信造成干扰而影响授权业进行。
外频谱感知还要使得整认知无线电络所有次用户能够有序地使用空闲频谱而不会造成使用上冲突和相干扰。
要满足这些要认知无线电频谱感知必须保证可靠、高效具体体现能够低信噪比、强干扰下可靠地检测到主用户信和其它次用户信存与否甚至还要对不次用户进行识别以更地掌握频谱占用情况。
由可见频谱感知不仅是认知无线电实现基础也是认知无线电技术挑战。
研究现状 认知无线电国外研究现状 l999年首先提出了认知无线电概念[]他从应用层角提出用人工智能方法使通信系统无线及业能力适应用户变化。
003年美国邦通信委员会（）提出利用认知无线电技术实现动态频谱共享[]将认知无线电与提高频谱利用率系起认知无线电技术到了具市场推动力和实现可能性方向。
认知无线电逐渐成无线通信领域研究热国外许多学、研究机构和企业都对其展开了广泛研究下面将对国外比较型认知无线研究进行介绍。
003年从事高端军事设备开发美国雷声公司开始研究下代（XG）无线通信技术其目标是使美国军用通信设备可以检测环境变化并根据所处环境频谱管理政策选择频谱该XG计划主要研究容包括两方面是开发提供择机频谱接入技术；二是开发通灵活政策应用管理无线行长期管理框架。
00年0月成立80工作组80称“rl Rgl r rk（R无线区域络）”该工作组主要目标是不对电视广播产生干扰前提下通认知无线电技术利用使用电视广播信道 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 农村和边远地区以及低人口密地区提供无线宽带接入该工作组是世界围基认知无线电技术空接口标准化组织目前已形成80 R技术标准草案主要涉及物理层和层。
00年r rl教授领导研究组提出了频谱池概念[3]开发出基技术心控制频谱池系统该系统架构包括基和移动用户研究应用场景主要集无线局域与G络频谱动态共享。
该组研究工作主要集以下几方面物理层频谱接入检测和干扰抑制、媒体接入控制层调和切换等。
美国邦通信委员会已开通了5Gz频段频谱共享并且对频谱分配规则做出了修改使具备认知无线电功能获许可无线终端可以使用该无线频带。
美国国防高级研究计划局（ v Rr r g）已启动名下代（x Gr）无线通信计划[]开发提供择机频谱接入技术和通灵活政策应用管理无线行（R Bvr）关键方面长期管理框架。
美国加州学伯克利分校Brr教授领导研究组提出种基认知无线电使用非授权频谱RV体系结构[5]给出了该系统基应用场景描述了评估系统性能参数并且建立了粗略系统协议功能体系提出了用户分组思想通组控制信道协调组用户动态频谱使用通通用控制信道协调组动态频谱分配并提出了如何动态频谱接入下可靠链路维护协议提出了与实现相关几具体问题包括跨层设计问题R前端基体系结构设计等。
乔治理工学和贝尔实验室提出通协调接入频段（Br B）实现频谱统计复用接入（ll llx ）络体系结构并着手合开发认知无线电实验平台[6]。
德国卡尔斯鲁尔学（．Krlr）研究组德国邦研究和技术部移动通信项目助下开发出基技术心控制频谱池体系等[7]主要进行物理层频谱接入检测和干扰抑制（rr g）、介质访问控制层调（lg）和切换（）等技术研究。
美国LB实验室与Grg理工和L Bll实验室合研发认知无线电实验平台[8]该平台涵盖了从物理层到络层所有功能该实验室还进行了基认知无线电技术进行开放频谱接入算法和协议方面研究主要研究议题包括共享频谱链接调 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 算法、频谱仲裁和干扰避免机制等。
欧盟七工作组型重合作项目3( ) [9]六工作组R( Rgr) [0]项目基础上研究通端到端重配置络和认知无线电技术将不类型无线络融合起用户、提供商、管理者提供更多可选系统其主要目是设计开发基系统可重配置设备研究蜂窝、无线局域、数视频广播等多种无线接入系统共存。
除外很多无线设备厂商如英特尔、等公司也已开始着手研究。
认知无线电技术已基理论、频谱感知、数据传输、络架构和协议等领域取得了些成。
目前 80工作组已制订了利用空闲电视频段进行宽带无线接入技术标准这是引入认知无线电概念技术标准化活动[]。
国方面国也把认知无线电技术研究纳入了“863”课题计划国些学（如西安电子科技学、电子科技学等）和科研机构也对认知无线电技术研究高重视并取得了些成。
电子科技学通信抗干扰实验室成立了专门认知无线电项目组从认知无线电技术可行性、认知无线电应用场景、认知无线电核心技术等多角进行深入研究。
目前国研究课题主要集认知无线电系统跨层技术、空信检测和分析以及Q保证机制等。
认知无线电频谱感知技术国外研究现状 认知无线电技术能够充分地利用频谱但是该技术应用必须保证对已有通信系统不产生干扰要短感知并分析特定区域频段出适合通信频谱空洞并且刻检测是否有授权用户接入以便能够及让出该频段。
目前频谱感知实现方法可分基发射机检测合作检测和基接收机检测。
目前研究者多针对检测授权用户发射机进行研究主要有匹配滤波器检测能量检测周期循环平稳特征检测和基协方差矩阵检测。
匹配滤波检测准则是使得输出信噪比是认知无线电接收机掌握主 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 用户信先验信息情况下种有效检测方法。
但是匹配滤波器对主用户信检测是基对信调这就要认知无线电接收机对信进行精确和频步甚至信道步获得与主用户信相关性。
如这些信息是不准确则匹配滤波器性能将变得很差[]。
另外匹配滤波器对干扰信抵抗力较差。
干扰信叠加下接收机接收到信波形相对原主用户信波形往往会发生很畸变并与匹配滤波器失配从而导致误判。
匹配滤波法只能应用对授权用户信息比较了频谱环境当当不能预先知晓主信信息无法采用该检测方法。
接收机不掌握信先验信息情况下可以采用能量检测方案。
能量检测器主要是通测量接收信能量对频谱空洞进行检测其基原理是对带宽带通滤波器输出信进行平方运算并观测进行积分得到接收信能量检测输出量将其与设定门限值λ进行比较以判断授权用户是否出现[3]。
虽然能量检测处是不要信先验信息而且实现简单。
即使能够适应性地设定门限值与匹配滤波器样带干扰也会扰乱能量检测器工作因能量检测器只能检测调制信有无而不能区别信类型[,]。
所以能量检测很容易被不明信误导而产生误判而且能量检测没有区分信类型能力无法辨别干扰。
循环平稳特性检测主要是针对调制信具有类似周期性性质设计信检测方法。
这些调制信值及相关函数具有周期性即循环平稳性通分析频谱相关函数可以探测出这些特征。
基信特征离散分布循环谱循环频率而噪声和干扰非零循环频率处不会呈现谱相关特性因而具有较高信辨识能力。
它能够把噪声能量与已调信能量区分开具有强抵抗噪声功率不确定性能力提高检测可靠率。
除了可以分离出信和噪声周期特性检测还可以分辨出不类型信[5]这样认知用户就可以分辨出是主用户信还是干扰信从而避免恶用户干扰。
循环平稳特性检测相对传统平稳信模型检测方法更适用实际通信系统更能反应信质[6]。
这种方法局限算法要进行两次傅里叶变换对信进行处理由循环谱把频率从维平面扩展到二维平面其计算复杂远远能量检测 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 所要观测较长这是周期特性检测应用限制。
这些算法能量检测样具有复杂低不要先验信息优还能克噪声不确定性影响。
献[79]提出了基信协方差矩阵特征值分频谱感知算法其献[7]是根据接收信和噪声相关函数不这特通计算接收信样协方差矩阵并从分离出两分别表征信和噪声统计量通比较两统计量进行频谱检测。
献[8]提出了协方差绝对值频谱感知算法其主要思想是根据授权用户信不存协方差矩阵非对角线元素零而当授权用户信存协方差矩阵非对角线元素存非零值特性构造两统计量并根据它们判断授权用户是否存。
献[9]提出了特征值频谱感知算法其主要思想是协方差矩阵特征值和特征值包含了信和噪声信息它们比值则反应了信和噪声强比利用这特性将信协方差矩阵特征值和特征值比值作检测统计量。
信道多径衰落、阴影效应以及隐藏终端等问题存增加了单认知无线电节检测某频段是否存授权用户结不确定性。
了单节检测性能不高避免隐藏终端问题多节协频谱感知算法被提了出。
协频谱感知利用认知无线电络不地理位置感知节构成空分集提高了全局检测性能并且了隐藏终端问题有效地降低阴影效应影响从而达到更可靠检测效。
协作频谱检测认无线频谱环境围可以合并多感知无线电节频谱检测结。
协作频谱检测早由br 、r和Brr R献[30]提出目前认知无线电协作频谱检测研究主要基集式控制方式分布不位置多检测节独立运行地检测算法并将检测结传送到心节处心节根据收到各节判结综合给出信存与否终判主要有“与”、“或”和“K”秩三种合并方式[333]。
主用户接收端检测是通判断主用户接收端是否处工作状态判断频谱 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 使用情况, 目前主要算法有振泄露功率检测和基干扰温检测[3]。
现代无线电接收机结构利用超外差接收机接收信往往要将信从高频变换到频地振荡器（Ll llrL）就是用对射频信进行下变频。
这频率换程接收机不可避免存能量泄漏问题些地振荡器能量会通天线泄露[35]我们将微、低功耗传感器节放置授权用户接收机附近这些节可以检测到地振荡器能量泄露从而定接收机正使用信道状况即地振荡器能量泄漏检测。
干扰温是美国邦通信委员会（）提出新概念。
通常无线电环境是以发送端心考虑但常存不可预测干扰从而使噪声基准增引起信传输性能下降了避免这种情况提出了干扰估测程从以发送端心换到以发送端和接收端适应实交心了确定和控制无线电环境干扰提出了新量标准—干扰温[36]。
干扰温模型接收机处设置干扰温极限用表示接收机可以承受干扰围只要认知无线电用户信传输能保证授权用户接收机干扰温这围认知无线电用户就可以使用该频带。
这种接收机端干扰温检测模型实现困难如何有效地测量干扰温。
该方法不能保证对主用户系统有力保护, 特别是处边缘接收主用户接收机就很容易受到感知用户干扰。
采用多窗谱方法可以估计干扰温功率谱。
该算法是利用多离散扁球体序列(l序列)作正交窗函数。
l序列有限采样傅氏变换具有极佳能量集特性。
这种特性允许折谱分辨率改善谱特性使得降低谱估计方差不会影响估计偏差。
将每l序列都应用整记录数据并采用快速傅立叶变换计算周期图对周期图平就得到相应谱估计。
谱估计程可以释似然功率谱估计器近似而且对宽带信而言多窗谱估计程是性能接近优方法[37]。
功率谱估计从带宽、偏差、方差角衡量多窗谱估计方法优任何非参数估计方法且计算简单。
波变换域和频域都有较局部化性质随着信频率变化(空)域取样疏密会动调节能够分析信任细节有效提取信特征是种识别性能较高方法。
波变换非常适合分析非平稳信对瞬变信 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 有很检测能力。
利用波变换可以分析感知局部频谱结构从而确定无线宽带系统信功率谱密变化奇异及信边缘特征[38]。
综上所述目前频谱感知算法主要有匹配滤波器检测能量检测周期循环平稳特征检测基协方差矩阵检测合作检测振泄露功率检测多窗谱估计及波分析感知等算法。
3 工作和容组织 鉴频谱感知技术对认知无线电重义以及当前仍然是业界重要研究课题对频谱感知技术展开研究。
讨论了若干频谱感知方法重研究地频谱感知技术周期循环平稳检测算法并模拟无线环境进行频谱感知。
节安排如下 首先介绍了认知无线电研究背景、义和发展现状然再重介绍了认知无线电频谱感知技术研究义并简要介绍了几种频谱感知算法优缺。
二是全理论基础给出了周期循环平稳检测算法理论分析及算法描述。
三是实验节通模拟无线环境进行频谱感知对周期循环平稳检测算法进行仿真实现结合理论及仿真对该算法性能进行了分析并总结出周期循环检测优势。
四总结论主要工作并对课题进步研究方向和发展进行展望。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 基信周期平稳特性频谱感知算法基理论 引言 任何随机程按照统计特性划分可分平稳随机程和非平稳随机程。
若随机程值和相关函数与起无关则称该随机程广义平稳随机程。
根据特征参数不可进步分阶(值)、二阶(相关函数)、高阶(高阶累积量)周期平稳[39]。
实际无线通信系统因调制、脉冲成型、采样等操作部分信都是周期平稳信。
外般通信系统发送端对进行采样、脉冲成型都会引入信周期平稳性。
因线性不变系统不改变信周期平稳性所以接收信也具有周期平稳性。
般(l l振幅调制)、(rq l频率调制)既是阶平稳又是二阶平稳。
Q(Qrr l l正交振幅调制)、BK(Br Kg双相移相键控)、QK(Qrr Kg正交相移键控)是二阶平稳其周期频率基频般倍频、波特率等[03]。
通常对调制信处理都假设接收到调制信是平稳随机程但实际上调制信统计特性属非平稳程畴[]。
调制信频或率等信息使得多数调制信统计特性表现出某种周期性传统平稳模型不能精确地反映调制信统计特性周期平稳程是更合适统计模型。
这种模型通信、雷达、声纳和遥测技术等领域有着广泛应用特别是低信噪比条件下采用周期平稳特性模型优越性将更加显著。
周期平稳相关概念及定义 周期平稳信 周期平稳信是种统计参数随呈现周期性变化随机信根据特征 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 参数不可进步分阶(值)、二阶(相关函数)、高阶(高阶累积量)周期平稳如信阶、二阶统计特性随变化呈现定周期性则称广义周期平稳信即 （） （） 式信值 信相关函数循环周期整数。
通常把式(－)所定义相关函数称变相关函数变性无法通次观察样统计量进行估计但是它具有周期特性而周期信可以展开成rr级数形式即 （3） 式称周期频率集（l rq ）；rr级数系数定义如下 （） 称周期平稳程循环相关函数（l rrl）或周期相关函数称循环频率（l rq）k任整数。
周期平稳信另定义就是只要存任非零循环频率使则该信就是周期平稳信。
周期平稳信频率可能有多当循环频率0循环相关函数退化信相关函数所以零循环频率刻画了信平稳部分只有非零循环频率才刻画了信周期平稳性。
对周期平稳信这是条很重要性质[5]对平稳噪声周期平稳信检测有很重要义。
循环相关函数还体现了周期平稳信频移相关性令 （5） （6） 相应频域表示 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 （7） 当信具有循环遍历性则有 （8） ,都是信频移信循环相关函数可以表示和相关函数循环相关函数离散形式计算公式 (9) 循环谱密函数 平稳信相关函数和功率谱密函数是对rr变换对样周期平稳信循环相关函数和循环谱密函数也是对rr变换对[67]。
（0） 即循环谱密函数(r rrl )。
相应地循环谱密函数离散形式 () 当式（）退化通常功率谱密函数。
由可见循环相关函数和循环谱密函数是传统相关函数和功率谱密函数推广。
因其比传统函数多参量我们可以判断从其循环频率方面可以提供更多关无线电信信息量。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 根据公式(9)可知循环谱相关函数实际上可以看成是两复数对称频移(频移量)和相关。
对公式(9)取rr变换可以得到如下关系式 （） 其。
公式（）物理概念非常明确。
它表明循环谱密函数实际上表示是频率和谱分量相关密故又将循环谱密函数称谱相关密函数（简称谱相关）。
3 循环谱密函数特 循环谱密函数具有以下特 、具有相功率谱密而调制类型不信具有不循环谱密性质可以用进行信调制方式识别以及干扰条件下感兴趣信提取和测量； 、平稳噪声没有谱相关特性也就是说循环谱密函数值恒等0利用这性质可以信噪比比较低情况下实现微弱信提取和参数测量； 3、循环谱密函数包含与调制信参数相关相位和频率信息利用性质可以进行信参数估计和波形估计等； 、信谱相关分量相关可以利用信某些谱元素分量估计其他分量从而实现存干扰有用信恢复。
3周期平稳特性噪声抑制性能 平稳噪声信统计值常量相关函数仅与隔有关是非变不具有周期性因其循环相关函数非零循环频率处0即平稳噪声不具有周期平稳性[89]。
实际上所有平稳随机程都不是周期平稳因可以利用周期平稳信与平稳程这不将两者区分开考虑被周期平稳噪声污染周期平稳信可以假设信和周期独立则 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 （3） （） 因所以当。
另外即使有噪声或者干扰信也具有周期统计特性但只要信和噪声或干扰周期独立并且周期频率不相等我们样可以利用这种方法将信和噪声或干扰分离出。
循环谱估计 谱相关函数计算 工程实际接收数据长Δ不可能无限长下面讨论用有限长进行循环谱估计问题。
对信x()作以心长短傅里叶变换有 （5） 将频移得到宽和变谱即 （6） （7） 则由式（）（5）（6）（7）可得循环谱 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 （8） 我们将上式积分部分称循环周期图（l r gr）用 表示式频率分辨率。
（9） 由以上分析可以得到循环谱密函数估计两种方法——域平滑方法和频域平滑方法[50]。
域平滑周期图 式（8）令得到 （0） （） 是x ()短傅立叶变换结心频率v带宽近似Δ。
当频谱分辨力Δ趋无穷式(0)表示频率与处两谱分量相关极限其极限等循环谱估计值。
频域平滑周期图 理式（8）令可得到 （） 其由式（）定义仅是以代替。
对域平滑周期图和谱平滑周期图而言当Δ→∞Δ→0式(0)与()给出了理想谱相关函数估计式并且当Δ足够()式(0)与()近似相等。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 离散信循环谱估计 利用域平滑周期图(0)和频域平滑周期图()式可以对循环谱进行估算。
实际计算循环谱能利用到是有限长离散数据可以变换实现(9)式计算滑动序列傅立叶变换。
对应(0)与()式可以得到离散信基周期相关图循环谱表达式域平滑和频域平滑。
基频域平滑离散表达式 （3） 式滑动窗口离散傅立叶变换() （） 其 数据衰减窗频域平滑窗宽频域取样宽域取样宽Δ接收期总采样数,等 Δ + 就是对该数据作。
可得该方法频分辨率积 Δ Δ ( ) ≈。
．基域平滑离散表达式 （5） 与（）式相只是长变。
整数据长。
谱分辨率 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 进行样段长。
K样数据段重叠系数。
该算法频分辨率积。
对域平滑说通适当选取重叠系数K可以减少运算量提高循环谱估计计算效率但是K不能太如K或那么容易发生循环频率泄漏现象导致估计误差增般情况下K佳值[5]。
5 周期循环检测法 5 理论分析 设接收信信循环谱密函数噪声循环谱密函数则 （6） 通常噪声若是高斯白噪声则它作平稳随机信与周期平稳信完全不其值和相关值是常数无周期性。
因它循环频率上不呈现谱相关特性 即 （7） 则有 （8）。
（9） 显然传统检测方法()有信和无信差别是幅差别而周期特征检测是处进行检测这样有无信两种情况差别就变成有无谱线差别。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 5算法描述 从上面理论分析我们知道零循环频率代表了信平稳部分只有非零循环频率才代表了信周期平稳特性。
只要检测到处存谱线则可判定信存。
认知无线电系统我们把这种方法推广到频谱感知即判断授权用户是否存问题可以描述如下二元假设检验 （30） 其,x()认知用户接收到有限长观测信,()授权用户信()高斯白噪声。
由授权用户信()是周期平稳信如授权用户存相应周期频率处必出现谱线；如授权用户不存则相应周期频率处不存谱线。
因周期循环检测算法步骤可描述 （） 对输入信x()进行模数变换换x()； （） 计算x()长频谱 （3） （3） 计算谱相关得到循环谱 （3） 循环谱就是频率相差谱线进行相关所得； （） 对循环谱平滑得到检测统计量 （33） （5） 判授权用户是否存。
6 结 研究了周期循环平稳检测算法理论依据仿真实验奠定了基础。
首先介绍了周期平稳特性相关概念及定义并研究了循环谱密函数估计算法给出了周期循环平稳检测算法相关步骤。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 3 周期循环平稳检测算法性能分析及优势 3 性能分析 3 不窗函数对性能影响 周期特征检测窗函数类型选择对检测性能有很重要影响。
其常用窗函数及表达式如下[5] （） 矩形窗（Rglr ） （3） （） 汉宁窗（g ） （3） （3） 哈明窗（g ） （33） （） 布莱克曼窗（Blk ） （3） （5） 凯塞窗（Kr ） 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 （35） 式是零阶类修正贝塞尔函数依赖参数选择可产生各种渡带带宽和接近优阻带衰减。
对相窗可以靠选择提供不渡带带宽这是其他窗做不到。
假设授权用户信是采用调制方式调制信采样频率 00z,频30z噪声理想高斯白噪声R0。
窗函数分别采用矩形窗汉宁窗哈明窗布莱克曼窗凯塞窗所得循环谱0剖面如图3,3,33,3,35所示横轴表示循环频率纵轴表示循环谱幅。
图3信加矩形窗所得循环谱 图3信加汉宁窗所得循环谱 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 图33信加哈明窗所得循环谱 图3信加布莱克曼窗所得循环谱 图35信加凯塞窗所得循环谱 由仿真图比较可知使用不窗函数循环谱估计质量是不样。
通 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 比较容易看出检测波峰值和波形清晰上凯塞窗检测性能是。
3 检测数据序列长对性能影响 周期循环平稳检测所检测数据序列长越长越容易检测出是否存授权信但会导致巨运算量计算复杂很高所要观测较长。
如图36所示是信运算数8滑动步长00情况下使用凯塞窗估计循环谱估计图剖面。
（R0） 图368 接着做出该信运算数5情况下使用凯塞窗循环谱估计图。
如图37所示可以看出信循环谱谱峰更尖锐误差减频率分辨率有所提高检测性能更但是运算量相对较。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 图375 33 滑动步长对性能影响 周期循环平稳检测算法滑动步长参数确定对系统性能也有定影响。
对样信取运算数5R0分别取滑动步长L0L0,L00,L00,得到下列循环谱估计图剖面。
图38L0 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 图39L0 图30L00 图3L00 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 从仿真图比较可知滑动窗口长不变滑动步长越则滑动次数越多平滑滤波效越。
3 信道对性能影响 实际通信信传输信道并不定是简单G信道很多情况下多径、变信道是存。
虽然循环平稳特征检测对高斯白噪声和其它干扰信存具有很抗拒能力但对多径、变衰落信道敏感。
下面对样信将G信道换变多径瑞利衰落信道多普勒频移z,路径数路径延向量0,000。
取数5L00R0仿真出使用凯塞窗估计循环谱估计图剖面如图3。
图3 z, 0,000,5,L00 与图3相比较可以看出受变多径瑞利衰落影响信循环谱谱峰不明显误差增检测性能很程上降低。
当然如增接收数据检测性能有定程上改善。
取0,L00做出仿真图见图33。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 图33z, 0, 000, 0, L00 原信情况下增加多普勒频移令z,做出仿真图3增加路径数路径延向量0,000000做出仿真图35。
由图3,35可以看出随着多普勒频移增加路径延增衰落信道对检测性能影响越。
所以设计出既能保持对噪声、干扰抗拒能力又对多径、变衰落不敏感检测方法是研究工作方向。
图3z, 0,000,0, L00 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 图35 z, 0,000,000,0, L00 3 周期循环平稳检测算法主要优势 周期循环平稳检测算法原理基信特征离散分布循环谱循环频率而噪声和干扰非零循环频率处不会呈现谱相关特性因而具有较高信辨识能力。
它能够把噪声能量与已调信能量区分开具有强抵抗噪声功率不确定性能力提高检测可靠率。
除了可以分离出信和噪声周期特性检测还可以分辨出不类型信这样认知用户就可以分辨出是主用户信还是干扰信从而避免恶用户干扰。
系统抗噪声能力强 般调制信都具有循环平稳性即它们谱相关函数循环频率不零处有较非零值而平稳噪声或近似平稳噪声循环谱能量主要集零循环处而非零循环频率上没有非零值或值很因周期平稳特性对平稳噪声有较强免疫力。
当主用户信能量较低零循环频率处特征（信功率谱）可能被噪声完全淹没这如采用能量检测很难检测到信存噪声功率随机变化或是噪声知这种情况会更严重。
这若分析循环谱非零频率上信特征就可很抑制噪声影响提高检测可靠率。
假定观测数据x[](0,,…,),总共数据现将其分数据段每段数据有数据分段数据表示 (,,…, 0,,…,),循环谱密估计量如下 (36) 其表示数据段功率谱估计。
现将循环谱特征检测问题换成类似匹配滤波检测离散二元假设检验问题。
假设主用户信类型和它理想循环谱密对认知用户是完全已知优检验统计量V(x)是接收信x()循环谱密估计量主用户信()理想循环谱密上投影也可以理二者相关量 （37） 其表示采样频率。
对从而可知对（3）式给出特征检测性能与信噪比R无关。
考虑实际衰落信道()影响接收信频谱循环谱密也相应变 （38） 由式可知衰落信道将导致衰落从而增加了不确定性使得优检测性能严重下降。
因我们要采用类似能量检测次优方法它实现是频域对特定值循环谱进行积分即 （39） 这种检测方法属对检测周期有定要非相干检测其性能与能量检测 相当。
由检测是循环谱密上进行充分利用了噪声非相干特性 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 使得特征检测对噪声不确定性是稳健从而可以克问题。
这可由检测器偏移系数加以证明偏移系数定义[53] (30) 从质上讲偏移系数对应检测器输出端R并可以证明检测性能随偏移系数单调变化。
噪声不确定性xB和输入R下能量检测器和特征检测器偏移系数与采样数成以下比例关系 (3) (3) 其表示信能量与循环谱特征能量比。
由上式可以看出当x0两偏移系数与成比例这与非相干检测性能是致。
当x0不随着增而增加当足够数值将不发生改变说明能量检测噪声不确定下存着问题；而则随着增而单调增加从而证明了循环谱特征检测可以克噪声不确定性导致问题。
下面通仿真比较说明。
假设授权用户信是采用调制方式调制信采样频率 00z,频30z噪声理想高斯白噪声。
R分别0,5,所得循环谱如图35,36所示由图可以看出及处出现谱峰。
由图36可见R5低信噪比情况下周期循环特征检测仍具有不错性能。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 图36 R0下周期循环检测 图37R5下周期循环检测 而对样信采用能量检测方法所得频谱图如下 图38下能量检测（横轴频率纵轴幅） 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 由图37可知对能量检测随着噪声不确定程加检测性能恶化能量检测可靠性也降低。
尤其是低信噪比（）检测概率很低换句话说能量检测已丧失了它检测功能。
相比较而言信噪比很低情况下（比如59）周期循环平稳检测法拥有良检测性能。
信周期频率处显现出很明显周期谱线而噪声非零周期频率处周期功率谱零没有周期谱特性。
区别不类型调制信 不调制信循环谱有不特因可通检测信循环谱区别不类型信。
不论功率谱是否连续信特征周期谱上是以周期频率离散分布这样功率谱上有重叠特征信周期谱上可能没有重叠特征。
调制信周期频率般波、波特率、码元速率、跳频速率、脉冲率等整数倍或其和差值因多信存可利用信不频率将它们予以分离与鉴别从而提高信选择性和分辨力。
下通仿真图说明数调制信BK,QK,QK区别。
BK,QK,QK信它们功率谱相但是它们谱相关函数却有明显区别。
（） BK （33） 其码元序列码元包络码元宽包络相位。
其循环谱密函数 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 （3） 式K整数G()傅式变换。
式（3）包含了BK信所有参数信息包括频码片宽并且（K整数）处出现谱峰其处谱峰值处谱峰值次。
因严重干扰和噪声背景下可以利用处循环谱密函数提取BK信特征参数。
()QK信 循环谱密表达式如下 （35） 从式（35）可以看出QK循环谱表达式包含了QK信所有参数信息包括频倍码片宽并且只（K整数）处出现谱峰其处谱峰值域其他部分不存明显谱峰。
（） QK信 循环谱密表达式如下 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 （36） 从式（36）可以看出QK循环谱表达式包含了QK信所有参数信息包括频倍码片宽并且（K奇数）（K偶数）处出现谱峰其处谱峰值处谱峰值次。
上理论依据前提下LB79仿真试验平台下分别对纯净BK、QK和QK信进行了循环谱变换仿真。
实验数据信参数如下信码数096信息码速率波频率抽样频率。
仿真程序采用集平次数0。
仿真图见383930 可以看出循环谱0剖面上 （）BK信位置存明显谱峰分布且该谱峰幅值与处谱峰幅值(该处即该信频谱幅值)相等;可以计算出图谱线隔。
（）QK信位置上不存明显谱峰分布仅处存谱峰幅值;可以计算出图谱线隔。
（3）QK信位置存明显谱峰分布但是该谱峰幅值次处谱峰幅值;可以计算出图谱线隔。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 图39BK信循环谱 图30QK信循环谱 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 图30QK信循环谱 图3QK信循环谱 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 通以上分析和仿真可以得出频谱域BK、QK、QK功率谱特性相但是循环谱域QK信与BK、QK信循环谱0剖面上谱线分布存明显差异。
因可以利用循环谱处理方法对以上三种相位调制信进行分类识别出所信。
不调制信循环特性是不利用周期循环检测法通观察相应频率处循环谱线就能够识别出不信存从而对调制信进行模式识别 33 结 研究了窗函数类型,检测数据长,滑动步长三参数对周期循环检测法性能影响以及多径变衰落信道对检测性能影响。
并通仿真比较说明了该方法优势即周期循环平稳检测方法低信噪比情况下具有更检测性能具有可识别性并可用对调制信进行模式识别更适用认知无线电频谱空穴检测。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 全总结和工作展望 主要研究基周期循环平稳检测算法频谱感知技术。
首先引入循环平稳循环相关循环谱等基概念给出了循环相关函数及循环谱密函数理论表达式及基性质。
论主要成可归纳以下两 通LB仿真对周期循环平稳检测算法系统性能进行分析研究了窗函数类型检测数据序列长滑动步长三参数以及变多径衰落信道对系统性能影响验证了理论分析结。
即抗噪声性能能够区分不类型调制信。
现随着认知无线电等新思想新技术出现频谱感知技术研究越越受到重视。
重研究周期循环平稳检测达到了检测高效性但复杂上与其他检测算法相比复杂仍然偏高。
因如何改善该检测算法使其保证高效性前提下降低复杂将是研究工作方向。
其次实际通信信传输信道并不定是简单G信道很多情况下多径、变信道是存。
虽然循环平稳特征检测对高斯白噪声和其它干扰信存具有很抗拒能力但对多径、变衰落信道敏感。
所以设计出既能保持对噪声、干扰抗拒能力又对多径、变衰落不敏感检测方法也是研究工作方向。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 致谢 论是我指导教师穆晓敏教授悉心关怀和精心指导下完成。
从论课题选定到具体方案确立从思想产生到具体实现以及对详细审定无不倾了穆老师量心血和辛劳。
几月毕业设计程正是穆老师耐心指导助我掌握了正确研究方法并我创造了良学习环境。
每周例会上穆老师都耐心地答我遇到问题我理顺研究思路并提供了量宝贵参考。
穆老师还通组讨论方式我们营造知识共享平台。
通探讨收获不仅是对己课题有了更深理更多是通交流、沟通使不再局限己单课题而是对其他学领域都有所了程上拓展了我们知识面。
另外穆老师严谨治学态也深深影响着我这将会是我今继续深造所应该持有态。
特向穆老师表达我衷心地感谢和崇高敬。
也非常感谢曾教诲和给予我助老师们感谢你们年对我辛苦培育。
这里还要特别感谢研究生学长赵海峰。
他耐心答了我遇到很多问题并及提醒我纠正错研究思路给了我很多建议。
表示感谢。
还有毕业设计组学们感谢他们支持和助。
还要衷心感谢忙抽出评我论各位老师感谢他们这炎热夏日付出辛勤劳动。
基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 参考献 []全球兴起Ｇ预研竞赛通信产业报频段可用移动通信通信产业报基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 r []． g008． []klz ．l L ．Vr v ．x gr r gv r rl rk rv． r rk50759．006． [5]R．．Brr．lz．br．．r．llk． r RV gv R r r g Vrl l r [R] 基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 –50． [6] 幼君邓建国张锐认知无线电基循环统计量频谱空穴检测方法[]．电视技术．008． [7]gg Zggg Lg．r g lgr r gv R B l vr []．Vlr lg r , 00958 （）8085． [8]．Zg．．Lg．vr B gl r gv R[]．r． ． 007． [9]．Zg．．Lg．gvl b g lgr[R]． br．80．06／08000000l 006． [30]．br．．rR．．Brr．l r g r gv R[]．rg lr r gl r00． [3]．．ZgK．B．L．lrB rv r g gv R []．r．． 007007． [3]．．ZgK．B．L．rv r g r gv R r B r[]．r 007007． [33]Vr G lzk ．l r g b rg r r []． R gz007(3)05． [3] l BRr K．g rr rvr r gv r l． r． 005v 005 30． [35]rrll llr． r r lv rvr ll llr r rr [BL]．基周期循环平稳检测算法频谱感知技术研究 R． rg rl r gv R r rl rk Gr, 8–0, 006 [39]张贤达等．非平稳信分析与处理版北京国防工业出版社99833．336． [0]黄海涛等．周期平稳信处理与应用版北京科学出版社006．7． []张晓林．基周期谱相关技术直扩信检测与参数估计哈尔滨工程学00358． []王成毅．周期平稳随机信研究东南学999036． [3]李剑锋．周期谱相关连续波信差提取应用计算机仿真00()0．3． [] Grr ．r r r l gl ． rkGrll99085． [5]Grr ．r rl rrl． r．．gl rg．9863(5)—3． [6]Grr Br K．rl rrl l lg l． r 98735(6)5859． [7]Grr Br K．rl rrl l gl r gl l． r98735(6)59560． [8]Grr Br ．xl rl R lr gl． ．998()—36． [9]Grr Br ．gl r rr vg lr r． r．990()959． [50]．k ．rl．r rrz r r gv r r． lr ．．g00698699． [5]．Br．L．gl l rl rrl lzr． r gl rgvl．70370993． [5] 丁玉美高西全．数信处理．二版．西安电子科技学出版社0000508． [53] GRR ．．rl rrl l glr —lg l[]． r [lgr988]Vl 3．5．35．