项目背景
项目名称：认知无线电中宽带频谱感知技术的FPGA实现
背景：随着无线通信技术的快速发展，无线用户数量急剧增加，可用的频谱资源变得越来越稀缺。目前绝大多数频谱资源采用固定分配模式，由专门的频率管理部门为不同的通信业务分配特定的授权频段。对于工作在免执照频段的通信服务，由于近年来的快速发展，免执照频段正变得日益饱和。认知无线电技术解决了上述矛盾。可以自动检测周围环境，智能调整自身参数，检测频谱空洞，利用空闲频段进行通信，不干扰授权频段。以往的频谱检测多以窄带检测为主，很少检测宽带频谱，也没有考虑噪声不确定性对能量检测的影响。窄带检测一次只能检测一个信道，大大削弱了频谱感知的效率，不利于频谱利用率的提高。比如某个时刻检测到某个信道正在使用，CR用户无法使用，但是还有大量空闲信道，CR用户无法使用，因为一次只能检测到一个信道。而我们项目提出的宽带频谱检测可以一次检测多个通道，从而解决了以前窄带频谱检测的局限性，解决了问题。能量检测简单易行，可以实现盲感知，因此应用广泛。能量检测的判决门限取决于环境噪声的功率。理想的能量检测往往认为噪声功率是已知的，但在实际环境中，噪声功率是时变的，即噪声是不确定的，导致能量检测性能下降。在这个项目中，我们将设计算法模块来克服噪声的不确定性，并用FPGA来实现。
项目内容：
本项目主要研究认知无线电宽带频谱感知技术的FPGA实现，采用认知无线电中最常用的检测方法——能量检测。首先对输入信号进行抗混叠滤波，然后进行A/D采样，得到一组数字信号，然后进行64点高速并行流水线FFT运算，对运算输出的幅频信号进一步进行模平方运算，得到信号在各个频段的功率，然后对16个历史功率数据进行平均，最后通过克服噪声不确定性的算法对噪声方差变化进行补偿，从而判断频段的利用情况，选择频谱孔进行通信。
项目：本项目旨在设计并实现一个实用的宽带频谱感知平台，能够实现宽带频谱感知，克服噪声的不确定性。
项目难点：如何设计高度优化的并行流水线64点FFT算法和高速低延迟排序算法是设计的关键。
项目的发展意义：认知无线电宽带频谱检测技术的FPGA实现克服了噪声不确定性对能量检测的影响，解决了以往窄带检测效率低、宽带检测性能差的问题，使宽带频谱检测技术真正走向实用。
开发平台：斯巴达-6
项目系统方案
根据项目内容，我们设计的项目方案主要包括：
项目的总体框架
能量检测模块
能量检测算法
能量检测FFT设计模块
1)高度优化的复数乘法器设计
2)基本四蝶单元的设计
3)16点FFT的流水线实现
用于克服噪声不确定性的算法模块
FCME算法
排序算法模块的实现
比较模块实现
下面介绍项目各模块的详细设计。
(一)项目总体框架
图1总体框架框图
该方案有两个核心模块：能量检测模块和噪声不确定性克服模块。系统主负责每个模块的定时控制。
(2)能量检测模块
能量检测算法
能量检测原理：能量检测的起点是信号加噪声的能量大于噪声的能量。先设定一个阈值，然后在某个频段内进行能量积累。如果累积能量高于阈值，则有信号；如果低于阈值，就只有噪声。能量检测统计量Y可以通过直接采样时域信号，然后累加并求和平方来获得(也可以通过将FFT转换到频域，然后对频域信号求平方来获得)。下图显示了电能检测框图：
图2电能检测实施框图
