244 数字电视信号的频谱感知与实测方案研究

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第40卷第1期 Vol. 40 ,No . 1 2 0 1 0 年 1 月 J OURNAL OF UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLO GY OF CHINA J an. 2 0 1 0 文章编号 :025322778 (2010) 0120073207 　　收稿日期 :2009205212 ;修回日期 :2009209215 基金项目 :中国高技术研究发展 (863)计划 (2009AA011800)资助. 作者简介 :蒋永磊 ,男 ,1985 年生 ,硕士生. 研究方向 :认知无线电技术. E2mail :yonglei . jiang @shrcwc. org 通讯作者 :胡宏林 ,研究员. E2mail :hlhu @ieee. org 数字电视信号的频谱感知实测研究 蒋永磊 ,胡宏林 ,易辉跃 ,芮　赟 (上海无线通信研究中心 ,上海 200335) 摘要 :针对我国未来可能开放的电视频段上各种模拟 ( PAL)及数字电视标准 (DVB2T、CT TB) 信号 的特征 ,提出了有效的频谱感知实测方案. 通过伪随机序列相关算法检测 CT TB 电视信号 ,并 结合载波导频检测算法和循环前缀相关检测算法 ,通过搭建的基于 Labview 的硬件检测平台 ,成 功地对上海地区的电视信号进行检测 ,给出了相关的频谱占用情况及统计特性. 关键词 :认知无线电 ;频谱感知 ;CT TB ;DVB2T 中图分类号 : TN911. 7 　　文献标识码 :A 　　doi :10. 3969/ j . issn. 025322778. 2010. 01. 013 Empirical resolution of spectrum sensing for digital TV signals J IAN G Yonglei , HU Honglin , YI Huiyue , RU I Yun ( S hanghai Research Center of W i reless Communications , S hanghai 200335 , China) Abstract : An empirical resolution for spect rum sensing based on feat ures of TV signals of PAL , CT TB and DVB2T standards was proposed in consideration of the TV spect rum t hat might be open in China in f ut ure. The resolution propo sed t he p seudo noise code ( PN) correlation detection algorit hm for the CT TB TV signals ; and integrated t he spect rum sensing algorit hms of pilot detection and cycle p refix (CP) correlation detection. Moreover , TV signals of t he related spect rum in Shanghai were successf ully detected based on t he proposed resolution operated on our hardware detecting platform based on Labview , and the occupation and some statistic characteristics were p rovided. Key words : cognitive radio ; spect rum sensing ; CT TB ; DVB2T 0 　引言 频谱资源作为一种宝贵的不可再生资源随着无 线通信的普及而日益紧张 ,有限的频谱资源逐渐成 为制约无线通信技术发展的瓶颈. 因此 ,节约频谱资 源提高频谱利用率将是未来无线通信发展的一个重 要领域. 现有的频谱资源分配通常是静态的 ,由国家 统一管理、支配 ,各种无线通信系统被授予不同的频 段 ,并且只能使用相应的授权频段以避免干扰. 然 而 ,已分配频谱的使用情况在时间和空间上都有很 大的变化 ,美国联邦通信委员会 ( FCC) 的大量研究 表明 ,一些非授权频段如工业、科学和医用频段及适 于陆地移动通信的 2 GHz 左右授权频段过于拥挤 , 而有些授权频段却经常空闲 ,各种无线系统的总频 谱利用率在 10 %以下[1 ] . 因此 ,改变传统的频谱资源分配方式 ,在时域、 空域和码域上充分利用空闲的频谱资源 ,是提高频 谱利用率的一个重要手段. 于是 ,人们提出了认知无 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 线电技术[ 223 ] . 认知无线电可以持续并实时地检测各 频段上的信号 ,若检测到授权用户信号 ,非授权用户 或者认知用户将不能使用该频段 ;否则认知用户可 使用该频段传送信息. 认知用户在工作过程中 ,一旦 发现授权用户开始使用其授权频段 ,需立即停止对 该频段的使用 ,切换到其他适合的频段继续工作. 为 了不影响授权用户的正常工作 ,认知用户必须具备 能够准确快速地对频谱进行感知的能力. 频谱感知是认知无线电系统中的关键技术 ,受 到了大量研究者的关注 ,并提出了很多频谱感知算 法 ,其中文献[ 4 ]综述了四种常用频谱感知算法 :匹 配滤波器检测、能量检测、循环平稳检测和协作检 测 ,文献[ 5 ]中提到了一种基于载波导频的检测算 法 ,文献[6 ]中提到了一种循环前缀 ( CP) 相关的检 测算法 ,然而很少有文章关注这些认知算法的具体 实现问题. 目前 ,很多国家相继开放原有的电视频段 供认知无线电系统使用 ,从 WRC07 114 议题达成 的结论可以看出 ,我国未来很可能会开放 U H F 频 段中的 450～470 M Hz 和 698～806 M Hz 频段. 我 国 700 M Hz (698～806 M Hz)频段主要用于地面广 播电视 ,在时间和空间上都存在大量的频谱空闲. 研 究表明 ,随着我国广播电视的数字化 ,700 M Hz 频 段上可释放 50 %左右大约 54 M Hz 的频谱资源 ,供 3 G和其他频谱业务使用. 根据我国 700 M Hz 频段 上各种模拟 ( PAL ) 及数字电视标准 ( DVB2T、 CT TB)的电视信号的特点 ,本文提出一种真实环境 下的频谱感知实测方案 ,融合了载波导频检测算法、 CP 相关检测算法和 PN 相关检测算法 ,并通过搭建 完整的硬件检测平台对上海地区 698～806 M Hz 频 段上的电视信号进行了检测. 检测结果表明 ,该方案 简单有效、易于实现. 文章结构如下 :节 1 是概述 ,节 2 描述了检测系统的框架 ,节 3 详细介绍了检测方 案中的频谱感知算法 ,节 4 给出了检测结果 ,节 5 是 结束语. 1 　系统框架 图 1 所示为检测系统的实现框图 ,PC 机通过接 口程序远程控制频谱仪 ,实时采集时域或频域上的 信息 ,并将采集得到的数据传送至 PC 机 ,然后在 PC 机上利用频谱感知算法模块对其进行处理判 决 ,从而完成信号的检测. 检测系统硬件部分主要由 三部分组成 :接收天线、频谱仪和 PC 机 ;软件部分 主要通过 Matlab 和 Labview 实现 ,并按照模块化 图 1 　检测系统实现框图 Fig. 1 　Detection system 图 2 　软件模块间的关系图 Fig. 2 　Relationship between software modules 处理 ,分为三个模块 :数据采集模块、数据处理模块 和判决模块. 图 2 所示为各模块间的关系图 ,其中数 据处理模块针对不同特征信号可以调用不同的频谱 感知算法子模块. 数据采集模块可以根据不同算法 的需求得到不同频段上的时域和频域信息. 图 3 所 示为数据采集程序的部分 Labview 框图 , 利用 V ISA 模块远程控制测试仪器 ,实现了连续自动化 地采集数据 ,避免了手动操作的局限性及由此带来 的人为误差. 另外 ,检测系统具备一定的可扩展性 , 当有新算法提出时只需在数据处理模块增加相应的 算法模块便可进行检测. 目前 ,检测系统可以连续实 时地对上海地区 698～ 806 M Hz 间的电视信号 ( PAL 、DVB2T、CT TB)进行检测. 2 　频谱感知算法 现有的频谱感知算法很多 ,如文献[ 4 ]中介绍的 4 种频谱感知算法 :匹配滤波器检测、能量检测、循 环平稳检测和协作检测 ,但是对于真实环境中的频 谱检测都具有一定的局限性 :匹配滤波器检测算法 针对不同信号在接收端需要有不同的接收机 ;能量 检测算法很难估计真实环境中的噪声功率 ,而且在 SNR 低于一定值时就会失效 ;循环平稳检测算法所 需的观测时间较长 ,而且复杂度高[728 ] ;另外 ,本文主 要关注单节点检测 ,暂不考虑协作认知. 我国 U H F 频段中的 698～806 M Hz 频段上目前可能存在的电 视标准有 : PAL (模拟电视) 、DVB2T (欧洲) 、CT TB (国标)等. 结合我国目前多种数字电视和模拟电视 标准并存的现状 ,在上一节硬件检测平台的基础上 , 提出一种自适应频谱感知方案 ,根据不同的检测频 段采用不同的检测算法. 下面分别介绍所采用的几 种频谱感知算法. 定义认知用户接收到的信号 r( n) 模型 : 47 中国科学技术大学学报 第 40 卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 3 　数据采集程序部分 Labview框图 Fig. 3 　Part of data acquiring program in Labview r( n) = v ( n) , H0 x ( n) + v ( n) , H1 (1) 其中 , v ( n) 表示高斯白噪声 ; x ( n) 表示授权用户发 送的信号 ; H1 和 H0 分别代表授权用户信号存在与 否. 这里不妨假设授权用户信号和噪声统计独立. 2. 1 　CTTB电视信号的检测 CT TB 是由我国提出的具有自主创新的数字电 视标准 ,融合了清华大学的多载波 DMB2T 方案和 上海交大单载波 AD TB2T 方案[ 9 ] ,现已在北京、上 海和广州等城市应用 ,并将随着我国数字电视的普 及而广泛应用于各地. CT TB 的帧结构中用 PN 码 替代了传统的循环前缀方式 ,图 4 所示为 CT TB 的 一个信息帧格式 ,相同业务信息帧的 PN 序列相同. 由此可得 a( kN ) = E( x ( n) x ( n + kN ) 3 ) ≈ 　lim T →∞ 1 T ∑ T- 1 n = 0 ∑ M- 1 i = 0 PN ( nL + i) PN ( nL + i + kN ) 3 = 　∑ M - 1 i = 0 | PN ( nL + i) | 2 (2) 其中 , L 为一个CT TB信息帧的长度 , M为 PN序 图 4 　CTTB信息帧 Fig. 4 　Information frame of CTTB 列的长度 , k为相同两个业务信息帧帧号之差 , PN ( nL) 表示第 nL 帧中的 PN 序列的第一个值. 由式 (2) 可 知 , CT TB 信号在时域上具有很大的相关性 ,基于这 一点 ,我们提出一种基于 PN 序列的 CT TB 的相关 检测算法. 该定义如下统计判决量C( n) : C( n) = max m = 1 ⋯L | ∑ M- 1 i = 0 r( n + m + i) ×r( n + m + i + kL ) 3 | (3) 所有 CT TB 信息帧的帧体长度相同 ,拥有3 780个符 号 ,PN 序列长度有三种选项 ,分别使用 420 ,595 和 945 个符号. 通过滑动相关法 ,当信号存在时 ,理论 上在 PN 序列长度正确时 ,在每个信息帧周期内将 会出现一个峰值. 实际中 ,式 (3) 中定义的判决量因 受干扰脉冲及信道衰落影响性能有所下降 ,通常采 用归一化的结果 :ŽC( n) = max m = 1 ⋯L | ∑ M - 1 i = 0 r( n + m + i) ×r( n + m + i + kL ) 3 | | ∑ M- 1 i = 0 r( n + m + i) ×r( n + m + i) 3 | (4) 结合式 (1) ,当 M 足够大 ,式 (4)可近似简化为 57第 1 期 数字电视信号的频谱感知实测方案研究 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net ŽC( n) ≈ 0 , H0 max m = 1 ⋯L | ∑ M- 1 i = 0 x ( nL + m + i) ×x ( nL + m + i + kL ) 3 | | ∑ M- 1 i = 0 x ( nL + m + i) ×x ( nL + m + i) 3 | , H1 　 = 0 , H0 | ∑ M - 1 i = 0 PN ( nL + i) ×PN ( nL + i + kL ) 3 | | ∑ M- 1 i = 0 PN ( nL + i) ×PN ( nL + i) 3 | , H1 　 = 0 , 　H0 1 , 　H1 (5) 根据 Neyman2Pearson 准则 ,可以得到给定虚警概 率 Pf 下的判决门限 ,然后通过与式 (4) 中定义的统 计判决量进行比较 ,从而判定授权用户信号是否 存在. 2. 2 　D VB2T电视信号检测 DVB2T ———数字视频广播陆地标准 ,是由欧洲 电信标准协会在 1997 年提出的 ,旨在替代传统的模 拟电视标准[10 ] ,现已为世界上众多国家所采纳. 我 国现阶段引入的国际数字电视标准主要就是 DVB2 T ,已广泛应用于北京、上海及广州等城市. DVB2T 采用正交频分多址 (OFDM) 的方式 ,以 得到较高的数据速率和频谱利用率. 对于一个 8M Hz 频道 ,OFDM 的 FF T 大小 N 可以采用2 048 (2 K)和8 192 (8 K)两种模式 ,保护间隔使用循环前 缀 (CP) 的方式 ,它的长度可以在 FF T 大小的 1/ 4 , 1/ 8 ,1/ 16 ,1/ 32 之间选择 ,以更好地适应不同路径 延迟扩展以及多普勒频移等问题. 图 5 所示为一个 O FDM 符号周期. 如图所示 ,循环前缀 (CP) 部分就 是 O FDM 符号最后阴影部分数据的复制. 因此 , DVB2T 信号在时域上具有很大的相关性. 基于这一 点 ,文章 [ 6 ]中提出了一种 CP 相关法 ,用于检测 DVB2T 信号. 定义统计判决量 C( n) : C( n) = max m = 1 ⋯L | ∑ M - 1 i = 0 r( nL + m + i) ×r( nL + m + i + N) 3 | | ∑ M- 1 i = 0 r( nL + m + i) ×r( nL + m + i) 3 | (6) 类似 ,根据 Neyman2Pearson 准则 ,得到给定虚警概 率 Pf 下的判决门限λ,从而判决授权用户信号是否 图 5 　一个 OFDM 符号周期 Fig. 5 　An OFDM Symbol 存在. 实际检测中存在的问题有三个 : FF T 大小未知 (2 K或者 8 K) 、CP 长度未知 (1/ 4 ,1/ 8 ,1/ 16 ,1/ 32) 以及 O FDM 符号的起始点未知. 为解决该问题 ,我 们提出采用最小长度 CP (1/ 32) 结合滑动相关的方 法 ,以 8 K模式下的 OFDM 符号周期分别按照 8 K 和 2 K 模式计算 C ( n) 值 ,理论上正确模式下每个 O FDM 符号周期内至少将会出现一个峰值窗 ,并且 可以得到 CP 的长度 L enCP : LenCP = Np + N8 K/ 32 - 1 (7) 其中 , Np 表示峰值窗的大小 , N 8 K表示 8 K 模式下 FF T 的大小. 因此 ,通过计算峰值窗的大小可测出 CP 的长度 ,并且每个连续峰值窗口的第一个峰值 所在点即为 OFDM 符号周期的起始点. 综上 ,通过 CP 相关法 ,在检测出 DVB2T 信号的同时 ,还能得 到它的模式、CP 长度以及 O FDM 符号起始位置. 2. 3 　PAL 电视信号检测 PAL 是国内模拟电视所采用的制式 ,图 6 所示 即为它的频谱特性. 由图 6 可知 , PAL 制式的模拟 电视信号具有视频载波和音频载波 ,其功率较普通 信号高 ,而且位置固定. 视频载波与音频载波分别在 1125 M Hz 与 7175 M Hz 处. 与文献[ 11 ]中载波导频检测法类似 ,通过滤出 视频载波和音频载波 ,采用能量检测算法. 由式 (1) 可得 67 中国科学技术大学学报 第 40 卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 6 　PAL 制式模拟电视信号频谱特性 Fig. 6 　Spectrum of PAL C( n) = ∑ M - 1 i = 0 r( n + i) 2 = 　 ∑ M- 1 i = 0 v ( n + i) 2 , H0 ∑ M- 1 i = 0 ( x ( n + i) + v ( n + i) ) 2 , H1 (8) 其中 , C( n) 表示统计判决量 ,服从自由度为 M 的χ2 分布. 利用 Neyman2Pearson 准则 ,即可以很好地检 测出 PAL 模拟电视信号 ;而且 ,根据视频载波和音 频载波的位置固定这一特性 ,可有效地区分电视信 号和干扰信号. 3 　实际检测结果 采用如图 1 所示的频谱感知与检测系统 ,在上 海地区进行了真实环境下信号的采集和处理 ,成功 地检测出上海地区 698～806 M Hz 频段上已开播的 电视频道 ,分别为 : PAL 模拟电视 711125 M Hz (视 频载波频率) ,DVB2T 数字电视 722 M Hz (中心频 率) ,CT TB (上海地区主要为单载波方案) 数字电视 706 M Hz、802 M Hz (中心频率) . 由于模拟电视检测 方法较为简单 ,而且我国正逐步使用数字电视替代 模拟电视 ,此处主要给出数字电视的检测结果. 检测 系统中的接收天线为全向天线 ,其带宽为 1 GHz ,频 图 8 　CTTB电视信号 PN相关法检测结果 Fig. 8 　PN detection result of CTTB signal 图 7 　海地区 698～806 MHz 频段频谱特性 Fig. 7 　Spectrum characteristic of 698～806 MHz in Shanghai 谱仪的为 Agilent E4440A. 图 7 所示为利用频 谱仪在测量点获得的某一时刻上海地区 698～806 M Hz 频段上的频谱特性. 从图中很明显可以看到 , 在 706 M Hz ,714 M Hz ,722 M Hz 和 802 M Hz 频段 上的电视信号功率较大 ,通过先用能量检测算法进 行初步检测 ,再使用特征检测算法进行精确检测的 方法 ,既节约了检测时间又提高检测精度. 下面主要 介绍特征检测 ,将给出上节中提到的频谱感知算法 的检测结果. 3. 1 　CTTB数字电视信号检测结果 图 8 所示为 CT TB (上海地区采用了单载波模 式)电视信号 PN 相关法检测结果 ( PN 序列长度为 595 ,而帧体长度为3 780 ,每个信息帧的 PN 序列相 同[11 ] ) . 其中图 8 (a) 、图 8 ( b) 分别为 706 M Hz ,802 M Hz 频段的检测结果 ,两幅图中均出现了明显的周 期性的峰值 ,根据 211 中的理论可以判断这两 个频段上发送的信号为 CT TB 电视信号 ;图 8 (c) 中 为 722 M Hz 频段非 CT TB 信号的检测结果 ,毫无 规律可言 ,而且幅度均远远小于图 8 (a) 、图 8 ( b) 中 77第 1 期 数字电视信号的频谱感知实测方案研究 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 9 　DVB2T电视信号 CP相关检测结果 Fig. 9 　CP detection result of DVB2T signal 的峰值 ,而从图 7 上看 ,722 M Hz 频段上的电视信 号功率较之 706 M Hz ,802 M Hz 强 ,说明 211 中所 提出的基于 PN 的相关检测算法是有效的. 最终检 测出 ,中心频率为 706 M Hz ,802 M Hz 的频段上存 在 CT TB 电视信号. 3. 2 　D VB2T数字电视信号检测结果 图 9 所示为 DVB2T 信号的检测结果 ,其中图 9 (a)是中心频点在 722 M Hz 的 8 M Hz 频段 2 K 模 式下的检测结果 ,而图 9 (b)是相同频段 8 K模式下 的检测结果 ,图 9 (c) 是中心频点在 706 M Hz 的 8 M Hz 频道的 2 K 模式下检测结果. 图 9 (a) 中的结 果和 212 中理论分析结果基本一致 ,仔细分析峰值 间距及连续峰值宽度所占峰值间距的比例 ,不难得 到 722 M Hz 上的 DVB2T 信号采用了 2 K模式 ,其 循环前缀 (CP)的模式为 1/ 4. 图 9 (d) 以上述分析结 果作为参数做相关 ,其结果验证了上述分析的正确 性 ,此时只有一个峰值 ,出现在 OFDM 符号的起始 位置. 对比图 9 (a) 、图 9 (b) 和图 9 (c) 中的结果 ,8 K 模式下 722 M Hz 频段的检测结果以及无 DVB 信号 的 706 M Hz 频段的检测结果毫无规律可言 ,并且它 们的幅度均小于图 9 (a) 中的峰值 ,可见 ,只有在存 在 DVB2T 电视信号并且模式选择正确的情况下 , 才能产生图 9 (a) 中的检测结果 ,由此说明 CP 相关法的有效性. 最终检测出 ,中心频率为 722 M Hz 的频道上存在 DVB2T 电视信号.3. 3 　698～806 M Hz 频段频谱占用情况图 10 所示为 698～806 M Hz 频段连续一周功率的强度图 ,颜色越深表示能量越大 . 从能量检测算法的角度分析 ,698～806 M Hz 频段上存在着大量空闲 ,包括未使用频段以及使用频段周期性间歇 ,而图 11 所示为 698～806 M Hz 频段的频谱占用情况 . 图 10 　698～806 MHz 频谱强度图Fig. 10 　Power intensity from 698 MHz to 806 MHz4 　结论面对有限的频谱资源 ,提高频谱利用率是未来 87 中国科学技术大学学报 第 40 卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 11 　698～806 MHz 频谱占用情况 Fig. 11 　Spectrum occupancy from 698 MHz to 806 MHz 无线通信发展的一个关键点. 认知无线电技术作为 一种提高频谱利用率技术 ,它的一个重要前提是频 谱感知问题. 本文从真实环境下频谱感知的角度出 发 ,搭建了一整套频谱感知的硬件检测平台 ,提出了 一种简单高效易于实现的实际认知与检测方案 ,并 成功地对真实环境中( 上海地区) 的 PAL 模拟电视 信号、D VB2T 以及 CTTB 数字电视信号进行感知 与检测 ,检测结果表明所提的检测方案是可行的 ,并 且 698～806 M Hz 存在大量可供认知无线电系统使 用的空闲频谱. 参考文献( References) [ 1 ] Ganesan G , Li Y. Agility improvement through cooperative diversity in cognitive radio networks [ C] / / IEEE GLOBECOM 2005 Proceedings : Vol 5. New York : IEEE , 2005 :2 50522 509. [ 2 ] Mitola III J , Maguire J r G Q. Cognitive radio : Making software radios more personal [ J ] . IEEE Personal Communications , 1999 , 6 (4) : 13218. [ 3 ] Haykin S. Cognitive Radio : Brain2Empowered Wireless Communications [ J ] . IEEE Journal on Selected Areas in Communications , 2005 , 23 ( 2 ) : 2012 220. [ 4 ] Cabric D , Mishra S M , Brodersen R W. 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