侯瑞倩+余心乐+徐伟掌
【摘要】 短波依靠电离层反射，通过天波方式传播，在某些特殊领域通信中，短波通信发挥了越来越重要的作用。本文主要将频谱感知技术引入到短波通信中，主要介绍了能量检测算法和循环谱感知算法，利用这两种算法，分析出短波环境中存在的非空闲信号频率。
【关键字】 短波 电离层 能量检测 循环谱
一、引言
短波通信，是指利用3M到30M频段进行通信。其通信的主要缺点就是信道不稳定，从而造成数据传输不稳定，易中断，数据传输质量不高。
为了实现数据可靠通信，必须实时侦测出可用的通信频率段。而且，大量研究表明，短波频谱在时间和空间上都布满着大量的频谱空洞 ，频谱利用率低下，而频谱感知，正是解决频谱利用率低下的重要技术之一。
目前的频谱感知算法，主要有能量检测，匹配滤波，波形感知，循环谱特征检测等。由于匹配滤波算法，波形感知算法需要知道接收信号的先验信息，而在短波通信环境下，是不可能知道这些先验信息的，所以这两种方法并不适用于短波通信中，故本文中不做分析。
二、能量检测算法
2.1 原理
能量检测算法，是频谱感知检测方法中比较简单实用的算法，用途广泛。其原理，是直接通过计算接收信号的功率或能量来判别信号是否存在。算法缺点是，在干扰严重情况下，信噪比大大降低，信号混在噪声里，无法识别。通过接收机接收到的短波信号，是经过多径传播的混合信号，能量检测算法是对某个频段内信号进行能量叠加，多径传播，对此算法检测影响不大。
2.2 仿真
对于短波频段，是从3MHz到30MHz，要想实现对整个频段的检测，必须对其频段进行分段。在本文中探究了短波频段分段数，信噪比不同对算法仿真的影响。设在短波频段里8MHz和25MHz存在载波信号。
（1）通过对短波频段分段不同，进行算法性能比较。
从图2到图6，找寻每幅图上的六个最大能量频率点，记录为f1，f2，f3，f4，f5，f6，并依次排序，其中f1对应的能量最大，f2其次...f6相对较小，结果如表1所示。
通过仿真结果显示，对短波频段分段数越多，意味着对整个频段扫描越细（简称细扫描），分段数越少，意味着对整个频段扫描越粗略（简称粗扫描）。当分段數为28时，意味着扫描带宽为1MHz，f1至f6全为整数，差距较大，但能准确判断出整数载波位置。当分段数为2701时，意味着扫描带宽为0.01MHz，f1至f6越接近，却不能准确判断出整数载波位置。单次能量检测运用，适合粗扫描。
（2）当信噪比不同时，对算法性能比较。仿真如图7，图8，图9。
通过仿真图可知，当信噪比为-15dB时，还能清晰地判断出信号载波在8MHz和25MHz上。然而-25dB时，信号已经被噪声完全淹没，导致所有频率点上能量分布接近均匀，已无法识别出信号载波。
总结：在大信噪比，需要检测整数频率是否空闲时，使用能量检测算法进行粗扫描，能大大降低运算成本，效率极高。然而在载波为非整数时，需要进行更多的分段，即细扫描，然而会增加运算量，窄带内叠加的能量差别很小，区分不开，分段没有意义。小信噪比情况下，不适合用能量检测算法。
三、循环谱特征检测
3.1 原理
循环谱特征检测是利用信号具有特殊的循环平稳特性。根据噪声和信号统计特性上的差别来区分它们。噪声不具有循环平稳特性，而信号往往具有循环平稳特性。循环谱的频谱感知结构如图10所示。
图 10 基于循环谱的频谱感知结构
设功率有限信号x（t）为循环平稳，则在时间[-T/2，T/2]上循环自相关函数为
当α=0时，是无法判断的，因为无法确定是信号幅度，还是噪声幅度。所以主要根据α≠0时来判定信号。α≠0时，存在峰值，则证明信号存在。
3.2 仿真
短波信道环境中，对信号最大的影响便是多径传播，假设信号在20MHz上存在载波，且通过三种路径达到接收机，那么运用循环谱算法进行仿真。仿真结果如图11，图12，图13所示。通过仿真可知，在低信噪比情况下（如-5dB），在双倍载波频率处（40MHz）存在峰值，算法能清晰地检测出载波频率，然而当信噪比低于-15dB时，信号将受到噪声影响，在双倍载波频率处，存在噪声干扰，信号会被噪 声淹没。
总结：循环谱算法更适合精确检测某一非空闲频率，而有限长度的FFT变换，导致循环谱算法在低于-15dB时，信号混在噪声里。
四、联合检测
在大信噪比时，可以同时利用能量算法和循环谱算法来实现精确检测。能量检测算法通过粗扫描，能大致判断载波所在频段，循环谱检测算法可以检测所在频段的具体频率点。假设在25MHz和8.6MHz处存在载波，那么利用能量检测算法，将短波频段按1MHz分段，就可以检测出25MHz存在载波，再利用循环谱算法检测出8.6MHz处存在的载波。如图 14，图15，图16.
五、 结语
频谱感知技术就是为了探测空闲频谱段，实时感知，实时检测空闲频谱。短波通信抗毁性好，优势明显，频谱感知技术为短波的宽带传输提供可能。能量检测算法，原理简单，很适合实时感知情况。循环谱检测，计算复杂，适合精确感知情况。
