CN101286752B - 一种超宽带正交成形脉冲实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带正交成形脉冲设计方法，属于通信领域。利用压缩Chirp脉冲产生UWB脉冲波形，构造Hermitian矩阵，根据特征向量得到UWB正交成形脉冲。利用该方法产生的UWB正交成形脉冲，具有：较大的设计灵活性，更好地满足UWB标准中频谱模板要求，优良的频谱利用率和较好的相关特性，能有效抑制与无线局域网(WLAN IEEE802.11a)的同频干扰。

Description

一种超宽带正交成形脉冲实现方法

技术领域

本发明涉及一种超宽带正交成形脉冲实现方法，更具体地说，是涉及一种基于压缩Chirp脉冲生成超宽带正交脉冲，并能有效抑制与WLAN干扰的方法，属于通信技术领域。

背景技术

超宽带无线电(Ultra WideBand，UWB)通信技术是一种与常规无线通信技术(包括窄带通信、常规扩频通信)相比具有显著差异的新兴无线通信技术，近年来受到了学术界和产业界的广泛研究和关注。传统UWB技术不使用载波电路而通过发送纳秒级脉冲来传输数据。FCC新规定-10dB相对带宽超过20％，或-10dB绝对带宽超过500MHz就称为超宽带。

超宽带无线电技术要与其他系统共享频带资源(UWB频带范围在3.1-10.6GHz)，采用UWB通信技术不可避免地对现有窄带通信系统产生干扰。这也成为限制UWB通信系统进一步广泛应用的主要原因之一。其中WLAN IEEE802.11a工作在5.15-5.825GHz频段，所以近年来UWB与WLAN之间的干扰抑制受到了学术界和产业界的广泛研究和关注。

成形脉冲设计应遵循的原则为：1、频谱利用率高；2、抑制干扰灵活；3、多种正交脉冲；4、脉冲产生容易。传统的高斯脉冲、升余弦脉冲、Hermitian多项式脉冲等波形具有频谱利用率低、不能保证波形之间的正交性等缺点；利用小波函数产生脉冲波形，然后构造Hermitian矩阵，根据其特征向量和Gram-Schmit过程得到UWB正交成形脉冲，该方法解决了多址问题，但无法灵活抑制同频干扰；叠加压缩Chirp脉冲方法具有很高的频谱利用率，而且可以灵活抑制同频干扰，但无法保证脉冲之间的正交性，因此无法支持多用户同时工作。能够抑制与其他窄带系统同频干扰的方法，一般要求子带的划分必须是均匀的，难以抑制UWB与WLAN的相互干扰，更无法满足认知无线电自适应改变频带的要求。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，采用叠加压缩线性调频信号(Chirp)脉冲与脉冲正交化相结合的方式，提供一种抑制与WLAN干扰的UWB正交脉冲实现方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

抑制与WLAN干扰的UWB正交脉冲实现方法，含有如下步骤：

(1)利用压缩Chirp脉冲产生UWB脉冲波形；

(2)根据工作频段调整脉冲进行叠加；

(3)构造Hermitian矩阵，根据其特征向量得到UWB正交成形脉冲。

具体表述为：利用声表面波(SAW)器件产生线性调频(Chirp)脉冲，经过匹配滤波器后得到压缩Chirp脉冲(子带短时脉冲)。根据工作频段要求，多个子带短时脉冲进行叠加得到UWB脉冲。对UWB脉冲进行抽样量化构造Hermitian矩阵，根据其特征向量得到UWB正交成形脉冲。

由于本发明采用了以上技术方案，故具有以下优点：

1、本发明在UWB脉冲设计上具有较大的灵活性；

2、脉冲功率谱密度更好地满足UWB标准中的要求；

3、有效地提高频谱利用率；

4、脉冲具备较好的相关特性，实现正交化，有效提高系统容量；

5、可以灵活地抑制与无线局域网(WLAN IEEE802.11a)等窄带系统的同频干扰。

附图说明

图1为生成UWB正交成形脉冲的流程框图；

图2为UWB短时成形脉冲时域波形图；

图3为两个正交UWB脉冲时域波形图；

图4为考虑FCC规定下两个正交UWB脉冲功率谱密度图；

图5为两个正交UWB脉冲的自相关和互相关时域波形图；

图6为考虑避免与WLAN干扰的UWB短时成形脉冲时域波形图；

图7为考虑避免与WLAN干扰的两个正交UWB脉冲时域波形图；

图8为考虑避免与WLAN干扰的两个正交UWB脉冲功率谱密度图；

图9为考虑避免与WLAN干扰的两个正交UWB脉冲的自相关和互相关时域波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种抑制与WLAN干扰的UWB正交脉冲实现方法，含有如下步骤：

(1)产生子带短时脉冲步骤：利用声表面波(SAW)器件产生Chirp脉冲，经过匹配滤波器对脉冲压缩到ns数量级；

(2)多个脉冲进行叠加得到UWB脉冲步骤：选择(1)中的短时脉冲进行叠加，以满足UWB标准规定的功率谱模版，并避开IEEE 802.11a工作频段；

(3)脉冲正交化步骤：对(2)中得到的脉冲抽样，构造赫米特(Hermitian)矩阵，根据其特征向量得到UWB正交成形脉冲。

如图1所示，利用SAW器件首先产生线形Chirp脉冲信号，可以表示为：

           s(t)＝a(t)cos(2πf₀t+πμt²)

其中： $\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)=\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{cc}1& \left|t\right|<T/2\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array},\right.\end{array}$ T为脉冲宽度，f₀为中心频率，线性调频斜率μ为一常数。线性Chirp信号带宽为：B＝|μ|T。

线形Chirp信号通过一个匹配滤波器，并且此滤波器的冲击响为与原信号反向的Chirp信号，则其输出的波形会具有尖锐的时域特性，以实现脉冲压缩。输出信号为：

通过调整中心频率f₀可以得到若干个Chirp压缩信号，由傅里叶变换的线性特性，将其叠加即可得到宽频的短时脉冲信号：

根据系统频谱特性的要求，调整选择参与叠加的压缩信号的中心频率f_i、子带个数N_band以及幅度因子α(t)，得到短时脉冲波形及其频谱，并将频谱与FCC模板比较，调整f_i、N_band、α(t)，直到满足FCC的规定并且频谱利用率最大，具体参数为：取脉冲采样点数M＝133，压缩Chirp脉冲持续时间T＝2.5ns，B＝515MHz，划分子带数目N＝20，当|t|＜T/2时α(t)＝0.167，最后得UWB成形脉冲波形如图2。

设FCC给定的PSD模板对应频率模板为H(f)，对应时域冲激响应为h(t)。假设持续时间为T_m的UWB脉冲波形为

则经过冲激响应为h(t)的滤波器后，

的频域波形失真很小。即

其中λ为衰减因子，且λ越大，

的失真越小。

对应时域表达式为：

因为

为有限时间长度信号，所以

进行N点抽样后

表示成矩阵形式为

前面用压缩chirp脉冲方法产生符合FCC要求的模板，该模板抽样后可以直接替换H矩阵。无论是否考虑与WLAN的干扰，

为偶函数。抽样形成的实数矩阵H满足：H^T＝H，即H为Hermitian矩阵。因此H的所有特征值λ均为实数，各特征向量

为实向量，其完全正交。计算出的

可作为UWB的脉冲波形，其中大的特征值对应特征向量失真小，所以特征值大的特征向量构成可供选择发射脉冲波形。

下面介绍应用此方法实现UWB脉冲的具体实施例。

根据图1所示的流程图，取脉冲采样点数M＝133，压缩Chirp脉冲持续时间T_s＝2.5ns，B＝515MHz，划分子带数目N_band＝20，当|t|＜T/2时α(t)＝0.167，经过选频、线形叠加后产生的UWB短时脉冲时域波形如图2所示。该脉冲构造67×67的Hermitian矩阵H，取两个最大特征值对应的特征向量u1，u2作为正交UWB脉冲，脉冲持续时间为1.3ns，时域波形如图3。

u1、u2对应的功率谱密度(PSD)如图4所示，完全符合FCC Mask的要求，而且具有很小的旁瓣。图5为本方法得到的成形脉冲u1的自相关函数和u1与u2的互相关函数。从图5可见，在自相关函数取最大值，即检测位置处，u1与u2的互相关函数为0，两脉冲完全正交，利于多用户检测。在理想条件下，应用正交脉冲可以完全消除多用户之间造成的干扰，使系统误码率(BER)得到有效降低。

WLAN工作在5.15-5.825GHz，与UWB系统存在频谱的交叠。为了避免同频干扰，实现UWB与WLAN系统共存，可以使UWB灵活地避开这一频段。

取脉冲采样点数M＝215，压缩Chirp脉冲持续时间T_s＝4.2ns，当|t|＜T/2时α(t)＝0.167，在3.1-5.15GHz频段内，取B＝515MHz，划分子带数目N_band＝10；在5.825-10.6GHz频段内，取B＝850MHz，划分子带数目N_band＝22经过选频、线形叠加后产生的UWB短时脉冲时域波形如图6所示。该脉冲构造109×109的Hermitian矩阵H，取两个最大特征值对应的特征向量u1、u2作为正交UWB脉冲，持续时间为2.1ns，时域波形如图7。

u1、u2对应的功率谱密度(PSD)如图8所示，完全符合FCC Mask的要求，而且具有很小的旁瓣。同时曲线在IEEE 802.11a工作频段处进行有效衰减，能够有效抑制与WLAN的干扰。图9为本方法得到的成形脉冲u1的自相关函数和u1与u2的互相关函数。从图9可见，在自相关函数取最大值，互相关函数为0，两脉冲完全正交。在理想条件下，应用正交脉冲可以完全消除多用户之间造成的干扰，使系统误码率(BER)得到有效降低。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实施例，但本发明的其它变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明所公开内容的实质和基本原则范围内的人和修改或效仿变换，都属于本发明的权利保护范围。

Claims (2)

1.一种超宽带正交成形脉冲实现方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)利用压缩Chirp脉冲产生UWB脉冲波形；

(2)根据工作频段调整脉冲进行叠加；

(3)构造Hermitian矩阵，根据其特征向量得到UWB正交成形脉冲；其中，

所述步骤(1)进一步为：利用声表面波(SAW)器件产生Chirp脉冲，经过匹配滤波器对脉冲压缩到纳秒级，得到子带短时脉冲，

所述步骤(2)进一步为：将所述多个子带短时脉冲进行叠加得到UWB脉冲，以满足UWB标准规定的功率谱模版，并避开IEEE 802.11a工作频段；

所述步骤(3)进一步为：对步骤(2)中得到的UWB脉冲，构造赫米特(Hermitian)矩阵，根据其特征向量得到UWB正交成形脉冲；

所述Chirp脉冲信号表示为：

s(t)＝a(t)cos(2πf₀t+πμt²)；

其中：

，T为脉冲宽度，f₀为中心频率，线性调频斜率μ为一常数，线性Chirp信号带宽为：B＝|μ|T；并且，

取脉冲采样点数M＝133，压缩Chirp脉冲持续时间2.5ns，B＝515MHz，划分子带数目N_band＝20，当|t|＜T/2时α(t)＝0.167；或

脉冲采样点数M＝215，压缩Chirp脉冲持续时间T_s＝4.2ns，当|t|＜T/2时α(t)＝0.167，在3.1-5.15GHz频段内，取B＝515MHz，划分子带数目N_band＝10；在5.825-10.6GHz频段内，取B＝850MHz，划分子带数目N_band＝22。

2.根据权利要求1所述的超宽带正交成形脉冲实现方法，其特征在于：

由傅里叶变换的线性特性，将若干个Chirp脉冲压缩信号叠加即可得到宽频的UWB脉冲信号为：

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