认知无线电系统动态频谱感知与OFDM波形设计仿真项目

资 源 简 介

本项目旨在研究并实现认知无线电系统中的关键波形生成技术与动态频谱接入机制，重点解决次用户在不干扰授权主用户的前提下高效利用频谱空洞的问题。

详 情 说 明

认知无线电动态频谱感知与波形设计仿真项目

本仿真项目基于 MATLAB 环境，系统地模拟了认知无线电（Cognitive Radio）中的核心技术流程。项目侧重于次用户（Secondary User, SU）如何通过频谱感知发现并利用主用户（Primary User, PU）留下的频谱空洞，同时采用先进的波形设计技术降低干扰并提升传输可靠性。

1. 项目核心功能特性

本仿真涵盖了认知无线电物理层的主要研究方向：

1. 频谱感知与统计分析：实现基于能量检测算法的频谱空洞识别，并生成受试者工作特征曲线（ROC）。
2. 动态频谱分配：根据主用户的实时占用分布，自动计算次用户可用的子载波索引。
3. 高级波形生成：采用正交频分复用（OFDM）技术，并结合升余弦加窗（Raised Cosine Windowing）进行旁瓣抑制。
4. 复杂信道建模：模拟多径衰落信道、高斯白噪声（AWGN）以及采样频率偏置（SFO）的影响。
5. 稳健接收机设计：包含采样偏置补偿、迫零（ZF）均衡以及自动解调逻辑。

2. 系统实现逻辑与流程说明

项目代码严格按照以下六个阶段执行：

阶段一：系统参数初始化 定义仿真环境的基础物理参数，包括 10MHz 的采样率、128 个总子载波和 32 长度的循环前缀（CP）。同时预设主用户的频谱占用掩码，模拟三个特定频段被占用的情况。

阶段二：频谱感知模拟 采用能量检测器（Energy Detector）对当前电磁环境进行感知。通过 1000 次蒙特卡洛实验，在特定的背景噪声和信号强度下，计算不同阈值对应的虚警概率（Pfa）与检测概率（Pd），从而评估感知的准确性。

阶段三：次用户载波映射与功率控制 系统识别出未被主用户占用的“空洞”子载波，并将次用户数据映射至这些空闲位置。为了减少对相邻频段的干扰，系统通过自适应掩码和窗口技术对子载波功率分配进行管理。

阶段四：信号调制与传输链路 在发射端执行 IFFT 变换，并添加循环前缀。引入了升余弦窗函数进行谱成形，以抑制 OFDM 信号的带外辐射。信号通过一个三径衰落信道，并故意引入采样频率偏置（SFO）来模拟实际硬件的不完美性。

阶段五：信号接收与处理 接收端首先针对采样频率偏置进行线性相位补偿。随后进行时间同步与 FFT 变换。利用已知的信道状态信息进行频域迫零均衡，消除多径效应对子载波星座图的影响。

阶段六：性能指标可视化 生成六个维度的结果图，包括频谱空洞填充示意图、信号功率谱密度（PSD）、能量检测 ROC 曲线、符号误码率（BER）性能曲线、均衡后的星座图映射以及子载波功率分布图。

3. 关键算法与技术细节分析

能量检测算法 该算法不依赖于主用户信号的先验知识。代码通过计算观测时间内信号样本的能量总和，并将其与基于高斯假设和预设虚警概率计算出的理论阈值进行比较。利用逆 Q 函数实现阈值的精确设定。

旁瓣抑制技术 (Symmetric RC Windowing) 为了解决传统 OFDM 矩形窗导致的带外泄露问题，代码实现了一个自定义的升余弦窗函数。通过在 OFDM 符号的边界处进行平滑过渡（由 alpha 参数控制），显著降低了次用户信号对主用户相邻频段的干扰。

采样频率偏置 (SFO) 建模与补偿 SFO 在时域表现为随时间线性增加的相位偏差。仿真中通过复指数函数模拟此效应，并在接收端使用反向相位的复指数进行对冲补偿，从而保证了子载波星座图在解调时的稳定性。

迫零 (ZF) 均衡 针对三径信道产生的频率选择性衰落，项目在频域对所有活跃子载波进行信道逆响应处理。这一逻辑修复了因多径干扰导致的相位旋转和幅度衰减，是实现低 BER 传输的关键。

4. 系统要求

软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。 所需工具箱：Signal Processing Toolbox（用于 pwelch 等谱分析函数）。

5. 使用方法

直接在 MATLAB 命令行窗口执行主脚本文件。仿真将自动开始运行蒙特卡洛实验，计算不同 SNR 下的误码率。执行完毕后会弹出多子图的可视化窗口，展示从感知到传输的完整闭环结果。可以通过修改初始化参数中的主用户占用分布或 SNR 范围来观察系统在不同环境下的鲁棒性。