CN102710290A - 一种欠采样率脉冲uwb通信系统中的窄带干扰消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除方法和装置，该方法包括以下步骤：S1、对接收的第一个未包含UWB信号的信息包滤除带外噪声后的信号进行采样，得到采样向量y₁，计算窄带干扰信号的正交投影矩阵；S2、对后续接收的包含UWB信号的信息包滤除带外噪声后的信号进行采样，得到采样向量y_i，基于NBI信号的正交投影矩阵得到消除窄带干扰信号后的UWB信号。本发明可以有效地消除NBI信号，提高信干比，其系统采样率远低于奈奎斯特采样率，且本发明中NBI估计与消除完全放在数字域进行，无需并行系统结构，也无需产生模拟投影信号，大大降低了系统复杂度和实现难度。

Description

一种欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，更具体地说，涉及一种欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除方法和装置。

背景技术

脉冲超宽带（UWB）技术作为一种无线通信技术方案，以其低复杂度、低成本、高定位精度等优点，在无线传感器网络和高精度定位与导航系统中有着广泛的应用前景。为了与现有窄带系统共享频谱，UWB系统的发射功率谱密极低，远低于窄带系统。然而，对UWB通信来说，窄带信号是一种干扰，并且功率很高，窄带干扰（NBI）会严重影响UWB系统的性能。因此，NBI的估计与消除是UWB通信中非常重要的问题。

对于传统数字接收机，NBI信号检测方案中通常以奈奎斯特率对接收信号r(t)进行采样，然后基于快速傅里叶变换（FFT）对采样信号进行分析，估计出NBI信号在频域的精确位置及谱特征，最后通过设计滤波器完成对NBI信号的消除。然而，由于UWB通信带宽很大，可达数吉赫兹，根据奈奎斯特采样定理，这种方案需要极高的采样频率，很难由单一模数转换器（ADC）实现，即使实现，高速ADC也会导致很高的系统功耗。

近几年来出现的压缩感知（CS）理论为NBI信号检测与消除提供了新的思路。基于CS方案的接收机结构如图1所示。接收机无需以奈奎斯特率进行采样，而是采用一组并行的乘积累积器和低速ADC对接收信号进行投影，得到采样向量y，然后在数字域完成对UWB信号的检测。其中，投影函数{ψ_i(t)}的选取主要有如下两种方法：

（1）利用NBI信号在UWB信号频谱范围内稀疏的特点，基于压缩感知理论估计出NBI信号子空间，然后基于该子空间设计一个投影矩阵P，使得NBI信号属于的P零空间，此时，P可将NBI信号映射为零向量。为了系统实现，该方法基于P设计一组投影函数{ψ_i(t)}将NBI信号映射为零，以此消除窄带干扰。然而，该方法中NBI信号子空间估计复杂度高，且投影函数波形产生困难。

（2）第二种方法是将{ψ_i(t)}选取为一组单频正弦或者余弦信号，其频率均匀分布在UWB信号频谱范围内。通常窄带干扰的功率远大于UWB信号，如果在某一个支路所对应的频点处存在窄带干扰，采样值会出现异常，并可以被检测出来。那么，直接将该支路的采样值删除便可抑制NBI。然而，由于UWB信号能量在整个频谱中分散的特点，采用单频点投影函数不能有效的获取UWB信号能量，不利于UWB信号的检测。

另外，虽然基于压缩感知的方案降低了对采样率的要求，但并行的系统结构使得接收机复杂度非常高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有UWB通信系统中NBI的估计与消除方法复杂度高的缺陷，提供一种欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除方法，接收机端直接对滤除带外噪声后信号进行低速采样，NBI信号估计与消除完全在数字域进行，其系统复杂度低，易于实现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除方法，包括以下步骤：

S1、对接收的第一个未包含UWB信号的信息包滤除带外噪声后的信号进行采样，得到M×1维采样向量y₁，基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

S2、对后续接收的包含UWB信号的信息包滤除带外噪声后的信号进行采样，得到M×1维采样向量y_i=[y_i(0),y_i(1)，...,y_i(M-1)]，其中i表示信息包的序号，基于NBI信号的正交投影矩阵

通过得到消除窄带干扰信号后的UWB信号。

在根据本发明所述的欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除方法中，所述步骤S1中通过以下步骤基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

S11、对向量y₁进行M点的快速傅里叶变换得到其FFT变换向量λ；

S12、设定判决门限T_h，通过以下公式得到标识NBI分量位置的向量h，

(j=0,1,...,M-1)；

S13、计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

正交投影矩阵为以向量f作为第一列、p_r作为第一行的托普利茨矩阵；其中向量f为向量h求反傅里叶变换获得，p_r=[f(0),f(M-1),f(M-2),…,f(1)]。

本发明还提供了一种欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除装置，包括：前端滤波器、低速ADC和数字信号处理器；

所述前端滤波器用于对接收的信息包滤除带外噪声；其中，接收的第一个信息包未包含UWB信号，后续接收的信息包包含UWB信号；

所述低速ADC用于对滤除带外噪声后的信号进行采样，得到M×1维采样向量y_i＝[y_i(0),y_i(1)，...,y_i(M-1)]，其中i表示信息包的序号；

所述数字信号处理器用于基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

并基于NBI信号的正交投影矩阵

通过

得到消除窄带干扰信号后的UWB信号。

在根据本发明所述的欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消装置中，所述数字信号处理器进一步包括窄带干扰信号估计模块和窄带干扰信号消除模块；

所述窄带干扰信号估计模块用于基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

所述窄带干扰信号消除模块用于基于NBI信号的正交投影矩阵

通过

得到消除窄带干扰信号后的UWB信号。

在根据本发明所述的欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消装置中，所述数字信号处理器还包括信号检测模块，用于将UWB信号转换为信息符号输出。

在根据本发明所述的欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消装置中，所述窄带干扰信号估计模块通过以下步骤基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

对向量y₁进行M点的快速傅里叶变换得到其FFT变换向量λ；设定判决门限T_h，通过以下公式得到标识NBI分量位置的向量h，

(j=0,1,...,M-1)；

计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

正交投影矩阵

为以向量f作为第一列、p_r作为第一行的托普利茨矩阵；其中向量f为向量h求反傅里叶变换获得，p_r=[f(0),f(M-1),f(M-2),…,f(1)]。

本发明还提供了一种欠采样率脉冲UWB通信系统，包括如上所述的欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除装置。

实施本发明的欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除方法和装置，具有以下有益效果：本发明可以有效地消除NBI信号，提高信干比，其与基于奈奎斯特采样的方法相比较，系统采样率可以得到大大降低，降低了ADC的实现难度和功耗；与基于CS的方案相比较，本发明直接对滤波后的接收信号进行低速采样，NBI估计与消除完全放在数字域进行，无需并行系统结构，也无需产生模拟投影信号，大大降低了系统复杂度和实现难度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为现有技术中基于CS方案的接收机结构图；

图2为根据本发明的欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除方法的流程图；

图3为根据本发明的方法中计算窄带干扰信号的正交投影矩阵的流程图；

图4为根据本发明的欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除装置的模块框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明中，首先假定K个比特组成一个信息包，以包为单位进行信息发送和接收，当前包与下一个包之间的时间间隔足够大以使得接收信号中无包间干扰。本发明构思了一种欠采样率脉冲UWB通信系统的窄带干扰信号消除方法和系统，主要原理在于使第一个信号包不携带UWB信号，利用该第一个信号包进行NBI信号估计，利用估计的NBI信号参数值对后续信号包中的NBI信号进行滤除。

下面对本发明的NBI信号估计和消除的原理及具体推算过程进行说明。

在本发明中，欠采样率脉冲UWB通信系统的接收机首先对接收到的信息包的信号进行前端滤波，滤除系统工作频带以外的噪声，即滤除带外噪声，然后由低速ADC采样得到当前包的M×1维采样向量y_i，最后将y_i送入到数字信号处理器进行窄带干扰的估计或消除。UWB信道估计和信号检测算法已有相关文献介绍，本发明中不再论述。

本发明中欠采样率脉冲UWB通信系统的结构非常简单，只包含前端滤波器、低速ADC和数字信号处理器三个模块。而窄带干扰的估计或消除主要在数字信号处理器，因此在此对数字信号处理器的原理进行详细描述。

令△t表示低速ADC的采样时间间隔，T_y表示经过UWB信道后每个包的持续时间，那么当前接收的信息包的低速采样值可以表示为：

$y_i\left(m\right)=y_i\left(m{\mathrm{\Δ}}_t\right)=u_{\mathrm{UWB}}\left(t\right)+n_I\left(t\right)+n\left(t\right){|}_{t=m{\mathrm{\Δ}}_t},---\left(1\right)$

其中，y_i＝[y_i(0),y_i(1),…,y_i(M-1)]，i表示信息包的序号；u_UWB(t)为接收到的UWB信号，其带宽为B，中心频率为f_c；n(t)为带限高斯噪声；n_I(t)是带宽为B_I，中心频率为f_I的NBI信号。NBI信号带宽远小于UWB信号带宽，即B_I＜＜B。另外，f_c-B/2-B_I/2≤f_I≤f_c＋B/2＋B_I/2，即NBI信号位于UWB通信频段内。为了衡量系统采样率降低的程度，定义降采样系数：

$U_s=\frac{1}{2B{\mathrm{\Δ}}_t},---\left(2\right)$

其中，用2B近似表示UWB信号的奈奎斯特采样频率。

先前的NBI消除方案，通常都需要估计出NBI信号在频域的精确位置，然后通过时域或者频域滤波的方法去除NBI。然而，本发明指出，在UWB通信中，去除窄带干扰是最终目的，在这个目标前提下，NBI信号的精确估计不是必须的。

本发明的基本思想如下：在欠采样系统中，虽然通常有U_s<<1，但为了获取足够多用于信号检测的UWB信号能量，系统采样率和2倍NBI信号带宽相比较仍然足够大，即满足1/Δ_t>>2B_I。因此，除不能反映NBI信号在频域的精确频点位置外，采样向量y_i的FFT可以近似完整的反映NBI信号的频域特征，并且NBI分量在FFT域稀疏。另外，由于NBI信号的能量会远大于UWB信号和噪声的能量，那么，在FFT域，NBI分量幅度值也会远大于其它分量，即容易从FFT域辨别NBI分量所在的位置。NBI信号在频域的稀疏性和显著性使得低速采样下近似实现对NBI信号的检测和消除成为可能。

令y₁表示第一个包的采样向量，为了在时域和数字域消除后续包中的NBI信号，通过y₁设计NBI信号的正交投影矩阵

那么，后续包中的NBI信号就可以通过如下方法去除：

$y_i^{\&prime;}=P_{n_I}^{\&perp;}(u_{\mathrm{UMB}}+n_I+n)=P_{n_I}^{\&perp;}(u_{\mathrm{UMB}}+n),---\left(3\right)$

其中，i≥2，u_UWB和n分别表示UWB信号和噪声在当前包中的采样向量。下边给出矩阵的推导过程。

由FFT，y₁可以重新表示为：

y₁＝Wξ+Wκ=Wλ,                         (4)

其中，W∈^□M×M  为FFT变换矩阵。ξ∈□^M×1和κ∈□^M×1分别为n_I和n的FFT域表示。

由于NBI信号能量远大于噪声能量，且1/Δ_t>>2B_I，那么，n_I可以由向量λ中的少数几个绝对值很大的分量近似表示。基于该特点，可以通过对|λ|设定一个门限来检测出NBI分量在λ中的位置，即,

(j=0,1,...,M-1),                           (5)

其中，h∈

M×1，向量h中元素为零的点表明此处存在NBI分量，否则不存在NBI。在此，选择修正的小波（Donoho）阈值作为判决门限，即

$T_h=\mathrm{\&alpha;\&sigma;}\sqrt{2\log M},---\left(6\right)$

其中，α>0，σ=median(|λ|)/0.6745，median表示求中位数。

那么，NBI信号就可以采用如下方法得到去除：

$y_1^{\&prime;}=W\left(\mathrm{diag}\left(h\right)\mathrm{\&lambda;}\right)f\&CircleTimes;y_1,---\left(7\right)$

其中，

表示循环卷积，f=IFFT(h).

令p_r=[f(0),f(M-1)，f(M-2),…,f(1)]，正交投影矩阵

可以设计为：

$P_{n_I}^{\&perp;}=\mathrm{Toeplitz}(f,p_r).$ (8)

是一个以向量f作为第一列，p_r作为第一行的托普利茨（Toeplitz）矩阵。在UWB信号检测中，

可以直接作为UWB信息获取的组成部分。

请参阅图2，为根据本发明的欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除方法的流程图。下述步骤中选用的参数与前述对NBI信号的估计和消除的原理描述中涉及的参数一致，且原理也一致。如图2所示，该实施例的方法包括以下步骤：

首先，在步骤S1中，对接收的第一个未包含UWB信号的信息包滤除带外噪声后的信号进行采样，得到M×1维采样向量y₁，基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

本实施例中可以选取如下参数：B=3GHz，f_c=4GHz，B_I=10MHz，f_I=3.7GHz，T_y=900ns，α=0.5。降采样系数U_s=1/7，即在本例中对应的采样率f_s约为870MHz。第一个接收到的包中不含UWB信号，只有NBI信号和噪声。在第一个信号包的持续时间内，以采样率f_s对滤除带外噪声后的信号进行采样，得到M×1维采样向量y₁，M的值由T_y和f_s共同决定。

随后，在步骤S2中，对后续接收的包含UWB信号的信息包滤除带外噪声后的信号进行采样，得到M×1维采样向量y_i=[y_i(0),y_i(1)，...,y_i(M-1)]，其中i表示信息包的序号，基于NBI信号的正交投影矩阵

通过

得到消除窄带干扰信号后的UWB信号。本步骤在时域完成对NBI信号的消除。用投影矩阵乘后续包的采样向量y_i，即通过

完成对NBI信号的消除。消除NBI信号后，即可根据现有的信号检测算法完成UWB信号的检测。

请参阅图3为根据本发明的方法中计算窄带干扰信号的正交投影矩阵的流程图。上述步骤S1中通过以下步骤基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

首先，在步骤S11中，对向量y₁进行M点的快速傅里叶变换得到其FFT变换向量λ。

随后，在步骤S 12中，设定判决门限T_h，通过以下公式得到标识NBI分量位置的向量h，

(j=0,1,...,M-1)。

其中，判决门限Th利用前述原理中提到的方法如公式（6）进行计算。

最后，在步骤S13中，对向量h求反傅里叶变换得到向量f。计算窄带干扰信号的正交投影矩阵正交投影矩阵为以向量f作为第一列、p_r作为第一行的托普利茨矩阵；其中p_r=[f(0),f(M-1),f(M-2),…,f(1)]。

请参阅图4，为根据本发明的欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除装置的模块框图，该窄带干扰消除装置包括：前端滤波器10、低速ADC20和数字信号处理器30；

其中，前端滤波器10用于对接收的信息包滤除带外噪声；该欠采样率脉冲UWB通信系统接收的第一个信息包未包含UWB信号，后续接收的信息包包含UWB信号。

低速ADC20用于对滤除带外噪声后的信号进行采样，得到M×1维采样向量y_i=[y_i(0),y_i(1)，...,y_i(M-1)]，其中i表示信息包的序号。

数字信号处理器30用于基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

并基于NBI信号的正交投影矩阵通过得到消除窄带干扰信号后的UWB信号。

上述数字信号处理器30进一步包括窄带干扰信号估计模块31和窄带干扰信号消除模块32，其中窄带干扰信号估计模块31用于基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

窄带干扰信号消除模块32用于基于NBI信号的正交投影矩阵

通过

得到消除窄带干扰信号后的UWB信号。优选地，数字信号处理器还包括信号检测模块33，用于将UWB信号转换为信息符号输出。

其中窄带干扰信号估计模块31通过以下步骤基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

首先，对向量y₁进行M点的快速傅里叶变换得到其FFT变换向量λ；

随后，设定判决门限T_h，通过以下公式得到标识NBI分量位置的向量h，

(j=0,1,...,M-1)；

最后，计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

正交投影矩阵

为以向量f作为第一列、p_r作为第一行的托普利茨矩阵；其中向量f为向量h求反傅里叶变换获得，p_r=[f(0),f(M-1),f(M-2),…,f(1)]。

本发明还提供了一种欠采样率脉冲UWB通信系统，包括前述的欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除装置。

综上所述，本发明中的NBI信号估计与消除方法和基于奈奎斯特采样的方法相比较，系统采样率可以得到大大降低，因此，降低了ADC的实现难度和功耗。另外，与基于CS的方案相比较，本方法直接对滤波后的接收信号进行低速采样，NBI估计与消除完全放在数字域进行，无需并行系统结构，也无需产生模拟投影信号，大大降低了系统复杂度和实现难度。仿真结果表明，本发明方案可以有效地消除NBI信号，提高信干比。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (7)

1.一种欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对接收的第一个未包含UWB信号的信息包滤除带外噪声后的信号进行采样，得到M×1维采样向量y₁，基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

S2、对后续接收的包含UWB信号的信息包滤除带外噪声后的信号进行采样，得到M×1维采样向量y_i=[y_i(0),y_i(1)，...,y_i(M-1)]，其中i表示信息包的序号，基于NBI信号的正交投影矩阵

通过

得到消除窄带干扰信号后的UWB信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中通过以下步骤基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

S11、对向量y₁进行M点的快速傅里叶变换得到其FFT变换向量λ；

S12、设定判决门限T_h，通过以下公式得到标识NBI分量位置的向量h，

(j=0,1,...,M-1)；

S13、计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

正交投影矩阵

为以向量f作为第一列、p_r作为第一行的托普利茨矩阵；其中向量f为向量h求反傅里叶变换获得，p_r=[f(0),f(M-1),f(M-2),…,f(1)]。

3.一种欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除装置，其特征在于，包括：前端滤波器、低速ADC和数字信号处理器；

所述前端滤波器用于对接收的信息包滤除带外噪声；其中，接收的第一个信息包未包含UWB信号，后续接收的信息包包含UWB信号；

所述低速ADC用于对滤除带外噪声后的信号进行采样，得到M×1维采样向量y_i＝[y_i(0),y_i(1)，...,y_i(M-1)]，其中i表示信息包的序号；

所述数字信号处理器用于基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

并基于NBI信号的正交投影矩阵

通过

得到消除窄带干扰信号后的UWB信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述数字信号处理器进一步包括窄带干扰信号估计模块和窄带干扰信号消除模块；

所述窄带干扰信号估计模块用于基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

所述窄带干扰信号消除模块用于基于NBI信号的正交投影矩阵

通过

得到消除窄带干扰信号后的UWB信号。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述数字信号处理器还包括信号检测模块，用于将UWB信号转换为信息符号输出。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述窄带干扰信号估计模块通过以下步骤基于采样向量y₁计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

对向量y₁进行M点的快速傅里叶变换得到其FFT变换向量λ；

设定判决门限T_h，通过以下公式得到标识NBI分量位置的向量h，

(j=0,1,...,M-1)；

计算窄带干扰信号的正交投影矩阵

正交投影矩阵为以向量f作为第一列、p_r作为第一行的托普利茨矩阵；其中向量f为向量h求反傅里叶变换获得，p_r=[f(0),f(M-1),f(M-2),…,f(1)]。

7.一种欠采样率脉冲UWB通信系统，其特征在于，包括权利要求3-6中任意一项所述的欠采样率脉冲UWB通信系统中的窄带干扰消除装置。

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