基于地面数字电视广播频段的认知频谱感知装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种基于地面数字电视广播频段的认知频谱感知装置，其主要由扫描信道和发射信道两个部分组成。扫描信道主要用于对DVB-T频段进行频率步进8Mhz的频谱感知，分析射频环境、判断授权用户的存在和出现。发射信道利用频谱感知到的空闲频段对认知用户数据进行传输。本实用新型采用两种自适应动态频谱切换模式，用户可以根据通信系统的需求控制上位机选择合理的频谱切换模式，从而能够分析结果调整参数并能采取避让策略，不会对DVB-T频段上的授权用户造成不能容忍的影响。
【专利说明】基于地面数字电视广播频段的认知频谱感知装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于通信【技术领域】，具体涉及一种基于地面数字电视广播(DVB-T)频段的认知频谱感知装置。
【背景技术】
[0002]随着无线通信的飞速发展和应用，频谱资源贫乏的问题日益严重。而传统的固定频谱分配方案为各个不同的无线通信系统分别分配专用频段的分配体制下，作为无线及移动通信重要承载的频谱资源变得越来越稀缺。为了改变传统的频谱资源方式，在时域与空域上充分利用空闲频谱资源，人们提出了认知无线电技术。
[0003]频谱感知技术是认知无线电的关键技术之一。它能够使无线通信中发射机或接收机具有感知频谱空洞并且合理利用频谱空洞的功能，以实现高效灵活的频谱资源配置和工作状态调整，是解决频谱利用率低下的最佳方案之一。因此，在通信系统中实施频谱感知技术成为一种可行方案。对所需要频段进行全方位实时的频谱感知，检测可以利用的频谱空洞，为根据通信需求进行频率的选择和切换奠定了基础。所以，如何合理地将频谱感知技术应用到无线通信中，是未来通信发展的重点所在。
[0004]DVB-T是指数字地面电视广播系统标准，其频段范围为50Mhz-878Mhz，能实现高质量的电视信息传送。在使用过程中，地面数字电视广播往往只是使用其中的一部分频段。在不干扰授权用户的基础上，如果能把处于空闲的频段充分利用起来，将会极大的提高频谱利用效率。地面数字电视广播信号的频谱感知技术能充分利用空闲频谱信息，建立起可靠的通信信道，实现高质量、高速率的通信服务。
实用新型内容
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于地面数字电视广播频段的认知频谱感知装置，其具有地面数字电视广播全频段覆盖、自适应的动态频谱切换模式、电路设计简单、操作智能、且容易实现的特点。
[0006]为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0007]基于地面数字电视广播频段的认知频谱感知装置，主要由扫描信道、发射信道和上位机组成；其中
[0008]扫描信道包括射频接收天线、射频接收模块和第一基带处理模块；射频接收天线连接在射频接收模块的输入端上，射频接收模块的输出端接至第一基带处理模块的输入端；射频接收模块和第一基带处理模块分别与上位机相互连接；
[0009]发射信道包括射频发射天线、射频发射模块和第二基带处理模块；第二基带处理模块的输出端连接射频发射模块的输入端，射频发射天线连接在射频发射模块的输出端上，上位机与射频发射模块相互连接。第一基带处理模块与第二基带处理模块相连接。
[0010]上述装置中，所述射频接收模块主要由第一低通滤波器、低噪声放大器、第一本振发生器、第一混频器、带通滤波器、第一功率放大器、第二本振发生器、第二混频器和自动增益放大器组成；射频接收天线经第一低通滤波器送入低噪声放大器的输入端，低噪声放大器的输出端连接第一混频器的一个输入端，上位机经第一本振发生器连接第一混频器的另一个输入端，第一混频器的输出端经带通滤波器连接第一功率放大器的输入端，第一功率放大器的输出端连接第二混频器的一个输入端，第二本振发生器连接第二混频器的另一个输入端，第二混频器的输出端连接第一基带处理模块。
[0011]上述装置中，所述射频发射模块主要由正交调制器、第二功率放大器、第三本振发生器、以及3个低通滤波器组成；上位机经第三本振发生器连接正交调制器的控制端，正交调制器的I路信号输入端经第二低通滤波器连接第二基带处理模块的I路信号输出端，正交调制器的Q路信号输入端经第三低通滤波器连接第二基带处理模块的Q路信号输出端，正交调制器的输出端经第二功率放大器连接第四低通滤波器与射频发射天线相连。
[0012]上述装置中，所述第一基带处理模块由ADC (模数转换器)与第一 FPGA (第一可编程逻辑控制器)组成；射频接收模块将接收到的信号经ADC转换后送入第一 FPGA，并在第一FPGA内进行频谱感知算法运算，判断检测频段是否空闲。程序内部采用两种动态频谱切换模式。其与上位机进行连接，由上位机选择采用哪种动态频谱切换模式。所述第二基带处理模块由DAC (数模转换器)与第二 FPGA (第二可编程逻辑控制器)组成；该基带处理包括一种或多种调制方案的处理。第二 FPGA用于对认知用户数据进行调整后送入DAC变为模拟信号后经射频发射模块发射出去。第一 FPGA还与第二 FPGA相连接。
[0013]本实用新型由扫描信道和发射信道两个部分组成。扫描信道主要用于对DVB-T频段进行频率步进8Mhz的频谱感知，分析射频环境、判断授权用户(即DVB-T用户)的存在和出现。发射信道利用频谱感知到的空闲频段对认知用户数据进行传输。本实用新型采用两种自适应动态频谱切换模式，用户可以根据通信系统的需求控制上位机选择合理的频谱切换模式，从而能够分析结果调整参数并能采取避让策略，不会对DVB-T频段上的授权用户造成不能容忍的影响。
[0014]与现有技术相比，本实用新型具有如下优点:
[0015]1、该频谱感知系统的射频前端接收电路采用了第一上变频的二次变频方案，并且使用了专门定制设计的固定的带通滤波器与中频带通滤波器，从而可以使整个系统具有较好的选择性和通带特性，达到更好的镜像抑制效果、失真效果更少。
[0016]2、该频谱感知系统的射频前端发射电路采用零中频结构，基带信号不需要经过中频的变换，只需改变本振频率，即可直接上变频到所需的射频信号。与二次变频的结构相t匕，零中频结构简单很多，省去了中频，因而也没有了镜像的问题，还省去了中频信道滤波器，提高了系统集成度，节约了功耗。发射机采用零中频结构非常适合解决发射频率需要时刻变换，且滤波器达不到相应变换所导致的镜像干扰严重的问题。
[0017]3、具有快速准确的频谱感知技术。该频谱感知系统的射频前端接收电路细化了DVB-T频段，以8MHz带宽进行步进制扫频，通过对整个频段范围内进行实时的频谱检测，动态地发现和利用空闲频谱资源。
[0018]4、实现了多波段功能的认知无线电通用硬件射频前端。认知无线电能够工作在多个波段的无线信道上，并且能够根据无线信道的特征，对平台的参数进行自适应配置。且该频谱感知系统的射频前端电路不需要随频率变换而进行更改，电路设计简单。整个电路上位机只需控制接收电路的一级本振与发射电路的本振，即可对整个系统进行收发控制，操作智能。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为基于地面数字电视广播频段的认知频谱感知装置方法及装置系统框图；
[0020]图2为射频接收机结构框图；
[0021]图3为射频发射机结构框图；
[0022]图4为上位机模块结构框图
【具体实施方式】
[0023]一种基于地面数字电视广播频段的认知频谱感知装置，如图1所示，其主要由扫描信道、发射信道和上位机组成。扫描信道包括射频接收天线、射频接收模块和第一基带处理模块。射频接收天线连接在射频接收模块的输入端上，射频接收模块的输出端接至第一基带处理模块的输入端。射频接收模块和第一基带处理模块分别与上位机相互连接。发射信道包括射频发射天线、射频发射模块和第二基带处理模块。第二基带处理模块的输出端连接射频发射模块的输入端，射频发射天线连接在射频发射模块的输出端上，上位机与射频发射模块相互连接。第一基带处理模块与第二基带处理模块相连接。
[0024]所述射频接收模块采用二次变频结构，如图2所示，其主要由第一低通滤波器、低噪声放大器、第一本振发生器、第一混频器、带通滤波器、第一功率放大器、第二本振发生器、第二混频器和自动增益放大器组成；射频接收天线经第一低通滤波器送入低噪声放大器的输入端，低噪声放大器的输出端连接第一混频器的一个输入端，上位机经第一本振发生器连接第一混频器的另一个输入端，第一混频器的输出端经带通滤波器连接第一功率放大器的输入端，第一功率放大器的输出端连接第二混频器的一个输入端，第二本振发生器连接第二混频器的另一个输入端，第二混频器的输出端连接第一基带处理模块。射频接收模块把DVB-T整个频段以每8MHz设为一个子频段单位，设其为CH1、CH2、CH3……CHn，每一
个子频段对应于一个本振频率969Mhz、977Mhz、985Mhz......1793Mhz。通过二次混频，将接收
信号上变频到高中频，再下变频到第二中频端，从而把整个子频段频谱搬移到带宽为SMhz的中频附近。
[0025]射频接收天线接收下来的信号经过带宽900Mhz的第一低通滤波器接收DVB-T频段的信号。第一低通滤波器对接收信号进行滤波。低噪声放大器对接收的信号进行线性放大，低噪声放大器的放大范围为50Mhz~878MHz。第一本振发生器由上位机控制选择对应的频段，把要接收的子频段送入第一混频器进行上变频，搬移到中心频率为915MHz带宽为8MHz的第一高中频频段。一个中心频率为915Mhz带宽为8MHz的带通滤波器连接第一混频器的输出端。一个功率放大器连接带通滤波器的输出端，再经第二混频器进行下变频。第二本振发生器产生一个固定本振频率为940Mhz的本振信号使信号下变频到中心频率为26Mhz带宽为8MHz的第二中频段上。自动增益控制放大器连接着第二混频器的输出端。
[0026]所述射频发射模块采用零中频结构，如图3所示，主要由正交调制器、第二功率放大器、第三本振发生器、3个低通滤波器组成，该模块采用直接变频结构。上位机经第三本振发生器连接正交调制器的LO输入端，正交调制器的I路信号输入端经带宽SMhz第二低通滤波器连接第二基带处理模块的I路信号输出端，正交调制器的Q路信号输入端经带宽SMhz第三低通滤波器连接第二基带处理模块的Q路信号输出端，正交调制器的输出端经第二功率放大器连接带宽900MHz第四低通滤波器与射频发射天线相连。正交调制器ADL5385输频率范围可以达到30Mhz至2200Mhz，具有出色的相位精度和幅度平衡，可以为通信系统提供高性能中频(IF)和直接射频(RF)调制。当应用于零中频结构时，其输出频率为本振频率的两倍。射频发射模块的本振频率输出端连接正交调制器的另一个输入端。上位机控制第三本振发生器产生相应的频率，通过正交调制器把基带信号上变频。第二功率放大器连接正交调制器的输出端。天线连接第二功率放大器的输出端，将变频后的信号滤波后发射出去。
[0027]射频接收模块的第一和第二本振发生器是由单片机和锁相环组成，锁相环采用的是ADF4350芯片，其输出频率范围为137.5MHz至4400MHz。第一和第二本振发生器的内部包含有寄存器，在单片机控制下以串行数据写入寄存器中器产生相对应的本振频率。其中第二本振发生器的第二本振频率值在装置运行过程中始终固定。而第一本振发生器的第一本振频率值在装置运行过程中受控与上位机且会随模式一和模式二的不同设定而持续发生变化。射频发射模块的第三本振发生器由锁相环芯片与单片机组成。第三本振发生器的第三本振频率值在装置运行过程中受控与上位机且会随模式一和模式二的不同设定而持续发生变化。同一个子频段所对应的第一本振频率值和第三本振频率值不同，两者之间根据射频接收模块和射频发射模块的结构不同而满足特定的对应关系，该对应关系在装置设计完成后便预先存储在上位机控制器中。
[0028]所述第一基带处理模块由模数转换器和第一可编程逻辑控制器组成。所述第二基带处理模块由数模转换器和第二可编程逻辑控制器组成。射频接收模块的输出端经模数转换器与第一可编程逻辑控制器的输入端相连，第一可编程逻辑控制器连接上位机；第二可编程逻辑控制器的输出端经数模转换器连接射频发射模块的输入端，第一可编程逻辑控制器连接第二可编程逻辑控制器。所述第一基带处理模块以FPGA为核心，FPGA选用的是ALTERA公司的CycloneII EP2C8Q240C8N芯片，内部有足够的硬件乘法器和存储单元。其内部的数字数据处理器主要加载频谱感知算法对接收的信号进行检测，判断检测频段是否空闲。FPGA模块中采用了两种动态频谱切换模式，上位机根据不同的需求选择不同的频谱检测方式。所述第二基带处理模块以FPGA为核心，该基带处理包括一种或多种调制方案的处理。用于对认知用户数据进行调制后送入DAC变为模拟信号后经射频发射模块发射出去。
[0029]所述上位机分别与射频接收模块的第一本振发生器数据输入端、射频发射模块第三本振发生器数据输入端、第一基带处理模块数据输入输出端连接。模块内包含串口设置、模式选择、接收显示屏、发射显示屏、数字数据处理控制字。参见图4。
【权利要求】
1.基于地面数字电视广播频段的认知频谱感知装置，其特征是:主要由扫描信道、发射信道和上位机组成；其中 扫描信道包括射频接收天线、射频接收模块和第一基带处理模块；射频接收天线连接在射频接收模块的输入端上，射频接收模块的输出端接至第一基带处理模块的输入端；射频接收模块和第一基带处理模块分别与上位机相互连接； 发射信道包括射频发射天线、射频发射模块和第二基带处理模块；第二基带处理模块的输出端连接射频发射模块的输入端，射频发射天线连接在射频发射模块的输出端上，上位机与射频发射模块相互连接； 第一基带处理模块与第二基带处理模块相连接。
2.根据权利要求1所述的基于地面数字电视广播频段的认知频谱感知装置，其特征是:所述射频接收模块主要由第一低通滤波器、低噪声放大器、第一本振发生器、第一混频器、带通滤波器、第一功率放大器、第二本振发生器、第二混频器、自动增益放大器、以及中频带通滤波器组成；射频接收天线经第一低通滤波器送入低噪声放大器的输入端，低噪声放大器的输出端连接第一混频器的一个输入端，上位机经第一本振发生器连接第一混频器的另一个输入端，第一混频器的输出端经带通滤波器连接第一功率放大器的输入端，第一功率放大器的输出端连接第二混频器的一个输入端，第二本振发生器连接第二混频器的另一个输入端，第二混频器的输出端连接第一基带处理模块。
3.根据权利要求1所述的基于地面数字电视广播频段的认知频谱感知装置，其特征是:所述射频发射模块主要由正交调制器、第二功率放大器、第三本振发生器、以及3个低通滤波器组成；上位机经第三本振发生器连接正交调制器的控制端，正交调制器的I路信号输入端经第二低通滤波器连接第二基带处理模块的I路信号输出端，正交调制器的Q路信号输入端经第三低通滤波器连接第二基带处理模块的Q路信号输出端，正交调制器的输出端经第二功率放大器连接第四低通滤波器与射频发射天线相连。
4.根据权利要求1所述的基于地面数字电视广播频段的认知频谱感知装置，其特征是:所述第一基带处理模块由模数转换器和第一可编程逻辑控制器组成；所述第二基带处理模块由数模转换器和第二可编程逻辑控制器组成；射频接收模块的输出端经模数转换器与第一可编程逻辑控制器的输入端相连，第一可编程逻辑控制器连接上位机；第二可编程逻辑控制器的输出端经数模转换器连接射频发射模块的输入端，第一可编程逻辑控制器连接第二可编程逻辑控制器。
【文档编号】H04B1/04GK203522754SQ201320622077
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年10月9日 优先权日:2013年10月9日
【发明者】肖海林, 韩霄, 濮锦胜, 王丽元, 闫坤 申请人:桂林电子科技大学