CN101895306B - 一种认知超宽带正交脉冲的设计方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种认知超宽带正交脉冲的设计方法和装置，其中的方法具体包括：将当前频谱模板划分为若干子频段，并生成各子频段的各阶扁长椭球波函数脉冲；针对某一扁长椭球波函数脉冲阶数，对各子频段的相应扁长椭球波函数脉冲进行叠加，得到宽频脉冲信号；依据各阶宽频脉冲信号，正交化得到认知超宽带正交脉冲。本发明用以设计频谱利用率高，干扰抑制灵活，且能够满足脉冲正交性的认知超宽带正交脉冲。

Description

一种认知超宽带正交脉冲的设计方法和装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种认知超宽带正交脉冲的设计方法和装置。 

背景技术

认知超宽带无线电(CUWBR，Cognitive Ultra WideBand Radio)将基于检测与辐射遮蔽(Mask)的认知无线电(CR，Cognitive Radio)机制与超宽带(UWB，Ultra WideBand)技术相结合，能够有效解决超宽带通信系统与现有无线通信系统之间的相互干扰问题，对UWB的实用化和CR的实现有着积极的推动意义。 

认知超宽带首先要面对的技术问题是如何产生一个频谱灵活的UWB波形，使该UWB波形能够动态地针对频谱分配策略与干扰要求作出反应，在满足FCC(美国联邦通信委员会，Federal Communications Commission)频谱发射功率谱模板要求的同时，能够避免对别的系统造成干扰。因而，认知超宽带成形脉冲设计应遵循的原则通常包括：1、频谱利用率高；2、干扰抑制灵活；3、多个正交脉冲；4、脉冲产生容易。 

一种现有技术，基于高斯脉冲及其导函数产生组合式脉冲，设计得到的组合式脉冲频谱利用率较低，而且具有迭代过程较为复杂，不能保证波形之间的正交性等缺点。 

另外一种现有技术，基于压缩Chirp或PSWF脉冲产生组合式脉冲，虽然具有频谱利用率较高，干扰抑制灵活，生成相对简单的优点，但依然无法得到正交脉冲以解决多址问题。 

还有一种现有技术，将基于压缩Chirp脉冲的组合式脉冲进行离散抽样，构造赫米特(Hermitian)矩阵后进行特征向量分解，该方法可以生成一组相互正交的脉冲，解决了多址问题，但所得脉冲的频谱利用率会大幅下降，且在认知超宽带系统中，此方法在根据频谱检测结果生成的频谱模板进行实时 波形调整时，脉冲参数调整算法的步骤较多，验证降低了干扰抑制的效果。 

总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提供一种频谱利用率高，干扰抑制灵活，且能够满足脉冲正交性的认知超宽带正交脉冲的设计方法。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种认知超宽带正交脉冲的设计方法和装置，用以设计频谱利用率高，干扰抑制灵活，且能够满足脉冲正交性的认知超宽带正交脉冲。 

为了解决上述问题，本发明公开了一种认知超宽带正交脉冲的设计方法，包括： 

将当前频谱模板划分为若干子频段，并生成各子频段的各阶扁长椭球波函数脉冲； 

所述生成各子频段的各阶扁长椭球波函数脉冲的步骤包括：针对各子频段的频谱模板，进行离散抽样后构造赫米特矩阵；依据所述赫米特矩阵的特征向量，得到各阶扁长椭球波函数脉冲； 

针对某一扁长椭球波函数脉冲阶数，对各子频段的相应扁长椭球波函数脉冲进行叠加，得到宽频脉冲信号；具体步骤包括：

$j=\mathrm{0,1,2}...$

其中，M为频谱模板的分段数目，i表示子频段的编号，j代表扁长椭球波函数脉冲的阶数，p_j(t)代表j阶宽频脉冲信号； 

依据各阶宽频脉冲信号，正交化得到认知超宽带正交脉冲。 

优选的，所述正交化步骤为，对各阶宽频脉冲信号进行克莱姆-施密特 正交化，得到认知超宽带正交脉冲。 

优选的，所述子频段的频谱模板为， 

$H_i\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& f_{i,l}<f_i<f_{i,u}\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.,i\&Element;(1,M)$

h_i(t)＝2f_i，usin c2f_i，ut-2f_i，lsin c2f_i，lt 

其中，H_i(f)、h_i(t)分别为子频段的频谱模板和时域冲击响应，M为频谱模板的分段数目，i表示子频段的编号，f_i，u和f_i，l分别表示子频段的上限截止频率和下限截止频率。 

另一方面，本发明还公开了一种认知超宽带正交脉冲的设计装置，包括： 

划分模块，用于将当前频谱模板划分为若干子频段； 

生成模块，用于生成各子频段的各阶扁长椭球波函数脉冲； 

所述生成模块包括：构造单元，用于针对各子频段的频谱模板，进行离散抽样后构造赫米特矩阵；脉冲生成单元，用于依据所述赫米特矩阵的特征向量，得到各阶扁长椭球波函数脉冲； 

叠加模块，用于针对某一扁长椭球波函数脉冲阶数，对各子频段的相应扁长椭球波函数脉冲进行叠加，得到宽频脉冲信号；所述叠加模块，具体用于依据如下公式进行工作： 

$p_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&phi;}}_{i,j}\left(t\right),j=\mathrm{0,1,2}...$

其中，M为频谱模板的分段数目，i表示子频段的编号，j代表扁长椭球波函数脉冲的阶数，p_j(t)代表j阶宽频脉冲信号； 

正交化模块，用于依据各阶宽频脉冲信号，正交化得到认知超宽带正交 脉冲。 

优选的，所述正交化模块，具体用于对各阶宽频脉冲信号进行克莱姆-施密特正交化，得到认知超宽带正交脉冲。 

优选的，所述子频段的频谱模板为， 

$H_i\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& f_{i,l}<f_i<f_{i,u}\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.,i\&Element;(1,M)$

h_i(t)＝2f_i，usin c2f_i，ut-2f_i，lsin c2f_i，lt 

其中，H_i(f)、h_i(t)分别为子频段的频谱模板和时域冲击响应，M为频谱模板的分段数目，i表示子频段的编号，f_i，u和f_i，l分别表示子频段的上限截止频率和下限截止频率。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

首先，本发明将当前频谱模板划分为若干子频段，再针对各子频段的频谱模板设计得到认知超宽带正交脉冲；由于各子频段的频谱模板带宽明显小于原有的频谱模板，在脉冲设计时，能够在同样的抽样频率下获得较多的抽样点数，这样，最终得到的认知超宽带正交脉冲相比频谱模板有较小的失真度，因而最终得到的认知超宽带正交脉冲能够具有较高的频谱利用率； 

其次，相对于现有技术，在根据频谱检测结果生成的频谱模板进行实时波形调整时，脉冲参数调整算法的步骤较多的情形，由于本发明生成的各子频段的各阶扁长椭球波函数脉冲，以及，叠加得到的宽频脉冲信号本身由频谱模板得到的，无需再进行脉冲幅度参数的循环式调整；例如，在需要躲避无线局域网等其它系统的干扰时，本发明能够在无需脉冲幅度参数的循环式调整的情况下，设计得到与不断更新的频谱模板相应的认知超宽带正交脉冲，步骤简单；因此，可以灵活抑制认知超宽带无线电与其它系统的干扰； 

再次，由于最终得到的认知超宽带正交脉冲，依据各阶宽频脉冲信号正交化得到，因而能够保证波形之间的正交性； 

综上，本发明的认知超宽带正交脉冲(CUWBR)设计简单，具有较大的灵活性，可以符合不同频谱模板，能够灵活抑制CUWBR与其他系统的干扰；且最终得到的CUWBR脉冲具有较高的频谱利用率和相关特性。 

附图说明

图1是本发明一种认知超宽带正交脉冲的设计方法实施例的流程图； 

图2是本发明一种各子频段0阶PSWF脉冲频谱的示例； 

图3是本发明一种0阶、1阶认知超宽带正交脉冲的时域波形示例； 

图4是图3中两时域波形的功率谱密度示意； 

图5是图3中0阶认知超宽带正交脉冲的自相关函数和互相关函数示意； 

图6是本发明另一种0阶、1阶认知超宽带正交脉冲的时域波形示例； 

图7是图6中两时域波形的功率谱密度示意； 

图8是图6中0阶认知超宽带正交脉冲的自相关函数和互相关函数示意； 

图9是本发明一种认知超宽带正交脉冲的设计装置实施例的结构图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

本发明的核心构思之一在于，首先将当前频谱模板划分为若干子频段，再针对各子频段的频谱模板设计得到认知超宽带正交脉冲；由于各子频段的频谱模板带宽明显小于原有的频谱模板，在脉冲设计时，能够在同样的抽样频率下获得较多的抽样点数，这样，最终得到的认知超宽带正交脉冲相对频谱模板有较小的失真度，因而具有较高的频谱利用率。 

参照图1，示出了本发明一种认知超宽带正交脉冲的设计方法实施例的流程图，具体可以包括： 

步骤101、将当前频谱模板划分为若干子频段，并生成各子频段的各阶扁长椭球波函数脉冲； 

在实际中，所述频谱模板可根据认知超宽带的检测结果生成，具体到本发明，则可将其划分为M段： 

$H_i\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& f_{i,l}<f_i<f_{i,u}\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.,i\&Element;(1,M)---\left(1\right)$

h_i(t)＝2f_i，usinc2f_i，ut-2f_i，lsinc2f_i，lt    (2) 

其中，H_i(f)、h_i(t)分别为子频段的频谱模板和时域冲击响应，M为频谱模板的分段数目，i表示子频段的编号，f_i，u和f_i，l分别表示子频段的上限截止频率和下限截止频率。 

具体地，所述生成各子频段的各阶扁长椭球波函数脉冲的步骤，可以通过以下子步骤来实现： 

子步骤A1、针对各子频段的频谱模板，进行离散抽样后构造赫米特矩阵； 

根据扁长椭球波函数(PSWF，Prolate Spheroidal Wave Function)脉冲的性质，欲生成的PSWF脉冲 

应满足如下公式： 

将上式进行(N+1)点离散抽样，可以得到 

将式(4)写为矩阵形式： 

也即： 

这样，抽样形成的实数矩阵H_i满足：H_i ^T＝H_i，其中，H_i ^T为H_i的共轭转置矩阵，也即H_i为赫米特矩阵(Hermitian)矩阵。 

可以理解，本领域技术人员可以根据实际需要设置一定的抽样频率；而由于各子频段的频谱模板带宽明显小于原有的频谱模板，能够在同样的抽样频率下获得较多的抽样点数， 

子步骤A2、依据所述赫米特矩阵的特征向量，得到各阶扁长椭球波函数脉冲。 

根据式(6)，欲生成的PSWF脉冲 也即赫米特矩阵H_i的特征向量，λ_i为 

对应的特征值；并且，λ_i越大，其对应PSWF脉冲 

的阶数越低，PSWF脉冲 

的频谱越接近频谱模板，也即频谱利用率越高。所以在实际中优先选择特征值大、阶数低的PSWF脉冲。 

在实际中，可对λ_i进行从小到大的排序，这样，排在最前面的λ_i则对应的0阶PSWF脉冲，然后，依次对应1阶PSWF脉冲、2阶PSWF脉冲等。 

步骤102、针对某一扁长椭球波函数脉冲阶数，对各子频段的相应扁长椭球波函数脉冲进行叠加，得到宽频脉冲信号； 

依据傅里叶变换的线性特性，将各个子频段对应阶数相同的PSWF脉冲相叠加，即可得到宽频脉冲信号： 

$p_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&phi;}}_{i,j}\left(t\right),j=\mathrm{0,1,2}...---\left(7\right)$

其中，M为频谱模板的分段数目，i表示子频段的编号，j代表扁长椭球波函数脉冲的阶数，p_j(t)代表j阶宽频脉冲信号。 

步骤103、依据各阶宽频脉冲信号，正交化得到认知超宽带正交脉冲。 

由于不同的特征值对应的特征向量是正交的，所以不同阶数的PSWF脉冲之间相互正交，即 

其中，j、k代表PSWF脉冲的阶数。 

根据线性代数原理，向量p_j，(j＝0，1，2...)之间是线性无关的。 

公知地，一个线性无关的向量组，总可化为一个等价的正交化的向量组，在实际中可以采用施密特(Schmidt)、克莱姆-施密特(Gram-Schmidt)等正交化方法，以得到认知超宽带正交脉冲。 

以下以Gram-Schmidt为例，将向量p_j，(j＝0，1，2...)进行正交化，得到所需的一组正交的脉冲，具体的正交化过程如下： 

${\tilde{p}}_1{=p}_1$

${\tilde{p}}_2=p_2-\frac{(p_2,{\tilde{p}}_1)}{({\tilde{p}}_1,{\tilde{p}}_1)}{\tilde{p}}_1$

${\tilde{p}}_3=p_3-\frac{(p_3,{\tilde{p}}_1)}{({\tilde{p}}_1,{\tilde{p}}_1)}{\tilde{p}}_1-\frac{(p_3,{\tilde{p}}_2)}{({\tilde{p}}_2,{\tilde{p}}_2)}{\tilde{p}}_2$

$....$

${\tilde{p}}_j=p_j-\underset{k=1}{\overset{k=j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{(p_j,{\tilde{p}}_k)}{({\tilde{p}}_k,{\tilde{p}}_k)}{\tilde{p}}_k$

则向量组 

即为所求的认知超宽带正交脉冲。 

为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下通过具体的示例说明本发明认知超宽带正交脉冲的设计过程。 

示例1，具体可以包括： 

步骤R1、将总频谱模板划分为M＝10个子频段后，进行129点采样，排成129×129的Hermitian矩阵； 

步骤R2、对所述Hermitian矩阵进行特征向量分解，得到持续时间T＝6ns的各阶PSWF脉冲； 

参照图2，示出了各子频段的0阶PSWF脉冲频谱，其中，横坐标Frequency代表频率，纵坐标PSD(power spectral density)表示功率谱密度。 

步骤R3、分别取0阶和1阶的各子频段PSWF脉冲进行线性叠加，以及，Gram-Schmidt正交化，得到认知超宽带正交脉冲。 

参照图3，示出了0阶认知超宽带正交脉冲(u1)、1阶认知超宽带正交脉冲(u2)的时域波形，其脉冲持续时间为6ns；其中，横坐标T代表时间，纵坐标Amplitude代表幅值。 

本示例设计得到认知超宽带正交脉冲的效果： 

1、频谱利用率； 

u1、u2对应的功率谱密度(PSD)如图4所示，其符合FCC Mask(美国联邦通信委员会辐射遮蔽)的要求，而且具有较高的频谱利用率。 

2、脉冲之间的正交性； 

图5为本示例得到的成形脉冲u1的自相关函数和u1与u2的互相关函数，其中，最大特征值对应的脉冲也即0阶认知超宽带正交脉冲u1；可以看出，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，可使系统误码率得到有效降低。 

示例2、 

本示例与示例1的区别在于，可以根据频谱模板的变化，灵活抑制认知CUWBR与其它系统的干扰。 

例如，CUWBR检测到在5.5GHz频带附近处有其他系统(如无线局域网)正在工作，为避免同频干扰，频谱模板可以在FCC Mask的基础上要求在5.35-6.1GHz频段处有20dB以上的陷波，以实现CUWBR与其他系统的共存。 

此时，本示例具体可以包括： 

步骤S1、将处有陷波的总频谱模板划分为M＝10个子频段后，进行129点采样，排成129×129的Hermitian矩阵； 

步骤S2、对所述Hermitian矩阵进行特征向量分解，得到持续时间T＝6ns的各阶PSWF脉冲； 

步骤S3、分别取0阶和1阶的各子频段PSWF脉冲进行线性叠加，以及，Gram-Schmidt正交化，得到认知超宽带正交脉冲。 

参照图6，示出了0阶认知超宽带正交脉冲(u1’)、1阶认知超宽带正交脉冲(u2’)的时域波形，其脉冲持续时间为6ns；其中，横坐标T代表时间，纵坐标Amplitude代表幅值。 

参考图7，示出了u1’、u2’对应的功率谱密度；可以看出，在符合FCCMask的要求的同时，图中的功率谱密度曲线在5.35-6.1GHz频段有20dB以上的衰减，因而能够有效抑制与其他系统的干扰。 

图8为本示例得到的成形脉冲u1’的自相关函数，以及，u1’与u2’的互 相关函数，其中，最大特征值对应的脉冲也即0阶认知超宽带正交脉冲u1’；可以看出，在自相关函数取最大值处，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，能够使系统误码率得到有效降低。 

与上述方法实施例相应，本发明还公开了一种认知超宽带正交脉冲的设计装置，参照图9，具体可以包括： 

划分模块901，用于将当前频谱模板划分为若干子频段； 

生成模块902，用于生成各子频段的各阶扁长椭球波函数脉冲； 

叠加模块903，用于针对某一扁长椭球波函数脉冲阶数，对各子频段的相应扁长椭球波函数脉冲进行叠加，得到宽频脉冲信号； 

正交化模块904，用于依据各阶宽频脉冲信号，正交化得到认知超宽带正交脉冲。 

在具体实现中，所述生成模块902具体可以包括： 

构造单元A1，用于针对各子频段的频谱模板，进行离散抽样后构造赫米特矩阵； 

脉冲生成单元A2，用于依据所述赫米特矩阵的特征向量，得到各阶扁长椭球波函数脉冲。 

优选的，所述正交化模块904，可具体用于对各阶宽频脉冲信号进行克莱姆-施密特正交化，得到认知超宽带正交脉冲。 

优选的，划分模块901得到的所述子频段的频谱模板为， 

$H_i\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& f_{i,l}<f_i<f_{i,u}\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.,i\&Element;(1,M)$

h_i(t)＝2f_i，usin c2f_i，ut-2f_i，lsin c2f_i，lt 

其中，H_i(f)、h_i(t)分别为子频段的频谱模板和时域冲击响应，M为频 谱模板的分段数目，i表示子频段的编号，f_i，u和f_i，l分别表示子频段的上限截止频率和下限截止频率。 

在本发明的一种优选实施例中，所述叠加模块903，可具体用于依据如下公式进行工作： 

$p_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&phi;}}_{i,j}\left(t\right),j=\mathrm{0,1,2}...$

其中，M为频谱模板的分段数目，i表示子频段的编号，j代表扁长椭球波函数脉冲的阶数，p_j(t)代表j阶宽频脉冲信号。 

对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。 

本发明可以应用于认知超宽带无线电系统中，用以设计频谱利用率高，干扰抑制灵活，且能够满足脉冲正交性的认知超宽带正交脉冲 

以上对本发明所提供的一种认知超宽带正交脉冲的设计方法和装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (6)

1.一种认知超宽带正交脉冲的设计方法，其特征在于，包括：

将当前频谱模板划分为若干子频段，并生成各子频段的各阶扁长椭球波函数脉冲；

所述生成各子频段的各阶扁长椭球波函数脉冲的步骤包括：针对各子频段的频谱模板，进行离散抽样后构造赫米特矩阵；依据所述赫米特矩阵的特征向量，得到各阶扁长椭球波函数脉冲；

针对某一扁长椭球波函数脉冲阶数，对各子频段的相应扁长椭球波函数脉冲进行叠加，得到宽频脉冲信号；具体步骤包括：

$j=\mathrm{0,1,2}...$

其中，M为频谱模板的分段数目，i表示子频段的编号，j代表扁长椭球波函数脉冲的阶数，p_j(t)代表j阶宽频脉冲信号；

依据各阶宽频脉冲信号，正交化得到认知超宽带正交脉冲。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述正交化步骤为，对各阶宽频脉冲信号进行克莱姆-施密特正交化，得到认知超宽带正交脉冲。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子频段的频谱模板为，

$H_i\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& f_{i,l}<f_i<f_{i,u}\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.,i\&Element;(1,M)$

h_i(t)＝2f_i，usin c2f_i，ut-2f_i，lsin c2f_i，lt

其中，H_i(f)、h_i(t)分别为子频段的频谱模板和时域冲击响应，M为频谱模板的分段数目，i表示子频段的编号，f_i，u和f_i，l分别表示子频段的上限截止频率和下限截止频率。

4.一种认知超宽带正交脉冲的设计装置，其特征在于，包括：

划分模块，用于将当前频谱模板划分为若干子频段；

生成模块，用于生成各子频段的各阶扁长椭球波函数脉冲；

所述生成模块包括：构造单元，用于针对各子频段的频谱模板，进行离散抽样后构造赫米特矩阵；脉冲生成单元，用于依据所述赫米特矩阵的特征向量，得到各阶扁长椭球波函数脉冲；

叠加模块，用于针对某一扁长椭球波函数脉冲阶数，对各子频段的相应扁长椭球波函数脉冲进行叠加，得到宽频脉冲信号；所述叠加模块，具体用于依据如下公式进行工作：

$p_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&phi;}}_{i,j}\left(t\right),j=\mathrm{0,1,2}...$

其中，M为频谱模板的分段数目，i表示子频段的编号，j代表扁长椭球波函数脉冲的阶数，p_j(t)代表j阶宽频脉冲信号；

正交化模块，用于依据各阶宽频脉冲信号，正交化得到认知超宽带正交脉冲。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述正交化模块，具体用于对各阶宽频脉冲信号进行克莱姆-施密特正交化，得到认知超宽带正交脉冲。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述子频段的频谱模板为，

$H_i\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& f_{i,l}<f_i<f_{i,u}\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.,i\&Element;(1,M)$

h_i(t)＝2f_i，usin c2f_i，ut-2f_i，lsin c2f_i，lt

其中，H_i(f)、h_i(t)分别为子频段的频谱模板和时域冲击响应，M为频谱模板的分段数目，i表示子频段的编号，f_i，u和f_i，l分别表示子频段的上限截止频率和下限截止频率。

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