频谱共享通信系统频谱感知链路FPGA实现研究

论文摘要

国家“863”重大项目“频谱资源共享无线通信系统验证网络”致力于建立一个认知无线电技术的验证平台，主要用于验证认知无线电的关键技术，以及基于认知无线电的多个无线通信系统融合创新。其中，频谱感知链路基带部分的设计与现场可编程门阵列（Field Programmable GateArray， FPGA）实现是本文的主要研究内容。按照频谱共享无线通信系统频谱感知的要求，本文设计了频谱感知链路的总体方案，包括感知过程、信号调理、感知算法以及感知协议四个部分。系统频谱感知方案设计的目标是在比较低的虚警概率下尽可能地提高检测概率以及尽可能地降低检测时间。为了实现这一目标，本文综合考虑系统硬件电路的约束，通过分析不同自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）调整步进方案的性能，提出了一种适合系统频谱感知链路的快速AGC调整算法。基于系统硬件平台，本文对频谱感知链路中的相关接口进行了设计，其中包括模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）接口，射频与基带的接口以及FPGA与数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）的接口。本文按照频谱感知的需求，并通过分析不同数字预处理方案对频谱感知的性能影响，设计了适合频谱感知链路的数字预处理方案。本文通过分析邻道干扰对频谱感知性能的影响，提出了一种简单易实现的邻道干扰抑制算法，在一定程度上解决了邻道干扰造成频谱感知性能恶化的问题。本文对上述所有设计方案在系统硬件平台上完成了FPGA实现，并进行时序仿真和在线测试，验证方案的可行性和稳定性。最后，本文对系统频谱感知链路进行了系统级的测试，验证其在整个系统的正常运行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 表目录
• 图目录
• 缩略词表
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 认知无线电的发展
• 1.2.2 认知无线电的关键技术
• 1.3 频谱感知技术
• 1.4 本文主要研究内容和贡献
• 1.5 本文结构
• 1.6 本章小结
• 第二章 频谱共享无线通信系统频谱感知链路总体方案设计
• 2.1 频谱共享无线通信系统简介
• 2.2 系统硬件平台
• 2.2.1 系统硬件平台整体架构
• 2.2.2 网络节点硬件设备
• 2.3 系统频谱感知方案设计
• 2.3.1 感知过程
• 2.3.2 信号调理
• 2.3.3 感知算法
• 2.3.3.1 单节点频谱感知体系架构
• 2.3.3.2 单节点频谱感知算法
• 2.3.3.3 系统频谱感知算法选择
• 2.3.4 感知协议
• 2.3.4.1 系统初始化
• 2.3.4.2 感知时域控制
• 2.3.4.3 感知信息交互
• 2.3.4.4 接口协议
• 2.4 本章小结
• 第三章 感知通道 AGC 设计与 FPGA 实现
• 3.1 AGC 概述
• 3.1.1 AGC 技术分类
• 3.1.2 AGC 技术基本原理
• 3.2 感知 AGC 方案设计
• 3.2.1 感知需求
• 3.2.2 链路约束
• 3.2.3 感知 AGC 的算法设计
• 3.3 感知 AGC 技术 FPGA 实现
• 3.3.1 累加模块
• 3.3.2 求平均值模块
• 3.3.3 最高有效位检测模块
• 3.3.4 判决模块
• 3.4 感知 AGC 在线测试
• 3.4.1 测试方案
• 3.4.2 测试结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 系统频谱感知控制设计
• 4.1 ADC 接口设计与实现
• 4.1.1 ADC 接口设计
• 4.1.2 ADC 接口 FPGA 实现
• 4.1.3 ADC 接口在线测试
• 4.2 基带接口控制协议设计
• 4.2.1 射频控制协议设计与实现
• 4.2.1.1 射频控制协议设计方案
• 4.2.1.2 SPI 接口 FPGA 实现
• 4.2.1.3 SPI 接口在线测试
• 4.2.2 FPGA 与 DSP 交互设计与实现
• 4.2.2.1 FPGA 与 DSP 交互设计方案
• 4.2.2.2 FPGA 与 DSP 交互 FPGA 实现
• 4.2.2.3 FPGA 与 DSP 交互在线测试
• 4.3 频谱感知数字预处理设计与 FPGA 实现
• 4.3.1 频谱感知数字预处理设计方案
• 4.3.2 数字下变频 FPGA 实现
• 4.3.3 FFT 的 FPGA 实现
• 4.3.4 数字预处理在线测试
• 4.4 邻道干扰抑制设计与 FPGA 实现
• 4.4.1 邻道干扰抑制设计方案
• 4.4.1.1 邻道干扰对 CAV 检测性能的影响
• 4.4.1.2 邻道干扰抑制设计方案
• 4.4.2 邻道干扰抑制 FPGA 实现
• 4.4.3 邻道干扰抑制在线测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 系统频谱感知性能测试
• 5.1 单节点信号存在性检测测试
• 5.1.1 测试内容
• 5.1.2 测试方案
• 5.1.3 测试结果
• 5.2 单节点信号类型识别测试
• 5.2.1 测试内容
• 5.2.2 测试方案
• 5.2.3 测试结果
• 5.3 系统外场测试
• 5.3.1 测试现场
• 5.3.2 测试内容与方案
• 5.3.3 测试结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结及未来研究方向
• 6.1 结论及本文主要贡献
• 6.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 硕士研究生期间的研究成果