认知无线电频谱检测

Xilinx大学生竞赛项目申请报告提纲及说明

1． 项目背景

（1）项目名称：认知无线电的频谱检测

（2） 项目背景：随着无线通信需求的不断增长，可用的频谱资源越来越少，呈现日趋紧张的状况；另一方面，人们发现

全球授权频段尤其是信号传播特性较好的低频段的频谱利

用率极低。认知无线电技术为解决频谱利用率低的问题提

供了行之有效的方法。由于认知无线电在使用空闲频段进

行通信的同时不断地检测授权用户的出现，一旦检测到授

权用户要使用该频段，认知无线电用户便自动退出并转移

到其他空闲频段继续通信，确保在不干扰授权用户的情况

下，与他们进行频谱共享。这样一来，在没有增加新频段

的情况下提升了用户量，且保证授权用户和认知用户通信

的可靠性，大大提高了频谱的使用效率。

（3）项目内容：本次课题主要研究认知无线电频谱检测的FPGA 实现。目前最为常用的认知无线电频谱检测方法是能量检

测。我们将一路电视信号下变频至基带信号再进入电路调

理模块对信号进行50欧匹配，并对信号进行放大，然后用

宽带A/D对信号进行采样，将采样后的数字信号做8点FFT

运算，再通入能量和累加电路，最后通过能量阈值判决电

路，判断频带的利用情况，从而找到频谱空穴，为认知无

线电的功能实现打下基础。

（4）项目难点：（1）高效低成本的FFT模块的设计与实现。

（2）累加器和阈值判决电路模块的设计与实现。

（5）项目的开发意义：认知无线电的显著特征是具有认知能

力，认知功能包括频谱感知，频谱分析和频谱判决。频谱

感知用于频谱空穴检测，是认知无线电系统实现的前提之

一。

（6） 硬件开发平台：Spartan 3E Board

2． 频谱感知的背景知识

本次设计以四通道的电视信号为例进行实现，在我国一路电视信号的传输需要8M的带宽，那么传输四路电视信号需要32M的带宽才

能实现。

我们将该四路电视信号进行复信号处理和频谱搬移，使其生成I,Q 两路正交信号，其AD频率采样为32MHZ，为了检测各个通道的频谱

利用情况，我们对复信号做FFT运算，其中x(0),x(1)包含在通道0当中，x(2)，x(3)包含在通道1当中，x(4)，x(5)包含在通道2当中，x(6)，x(7)包含在通道3当中，然后我们分别对其做能量求和并进行实时监测，确定一阈值η，阈值判决电路对收到的信号跟阈值相比较，如果检测到信号大于η，那么认为授权用户正在使用该频段；反之，则授权用户没有使用该频段。

如图所示为频谱搬移的过程：

3． 初步拟定硬件方案

（1）整体方案框图

本次设计使用8点的FFT设计，因此我们需要3级基2点的FFT运算，共有4个旋转因子需要存储，依据项目难点我们主要对FFT模块的设计进行逐层细化：

（2）一级FFT的系统框图实现

该框图为一级FFT的系统框图，输入数据A对应I信号的输入，输入数据B对应Q信号的输入，然后对其做基2点的FFT运算。

（3）ROM的设计

本次设计为8点FFT运算，就需要4个旋转因子，旋转因子的实部和虚部都采用八位二进制数来表示，因此使用一个宽度为16，深度为4的ROM存储器存储旋转因子。

（4）蝶形运算单元的FPGA实现

依据蝶形运算公式：

我们得到蝶形运算单元框图为：

（5）乒乓结构的RAM示意图

我们在FFT模块中开辟两个RAM数据存储区，以此组成典型的乒乓操作模式；在FFT第一级运算中，数据从RAM1经蝶形运算单元计算存入RAM2，在第二次中则正好相反，以此类推…….，下图给出了乒乓结构的RAM示意图。

（6）能量求和模块

最终输出信号为：y=x(n)*x(n)+x(n+1)*x(n+1);

（7）累加电路模块

我们将能量计算模块计算出的能量值通入一个长度为n的FIFO结构，每当FIFO结构中有一个数据量发生变化时，累加器都要进行计算更新，这样就做到了实时监测该通道的频谱占用情况。在累加器当中，为了计算速度足够的快，可以满足实时性要求，我们往往设计为流水线结构。如下图所示：以流水线结构实现的累加器

4． 项目实施进度规划

主要工作时间达到目标需要的资源计划书2009.6了解大赛流程，

熟悉大赛硬件平

台，确定题目，

查阅资料，拟定

硬件方案。

EDA

初步编写代码2009.6-9确定硬件方案，

进行功能仿真。ISE，开发板及相关芯片。

测试2009.9-2010.3硬件调试，实现

预期功能。ISE,开发板，调试工具。

综合报告2010.3-2010.5完成系统的评

估，写出综合报

告。

答辩2010.5整理，总结。