CN108551352A

CN108551352A - 一种可用于干扰消除的超宽带脉冲无线电预处理器系统

Info

Publication number: CN108551352A
Application number: CN201810341138.6A
Authority: CN
Inventors: 王徐芳; 林峰; 吴怡
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2018-09-18

Abstract

本发明涉及一种可用于干扰消除的超宽带脉冲无线电预处理器系统。包括子带信号划分单元和子带信号重组单元，所述子带信号划分单元用于将输入的超宽带脉冲无线电信号划分为M个子带信号，所述子带信号重组单元用于重组所述子带信号划分单元输出的M个子带信号，其中，M为大于等于1的整数。本发明系统无需使用转换速率超高的数模转换器，克服了超宽带脉冲无线电信号数字处理或干扰处理因带宽超高数模转换困难的障碍，且本发明系统中仅收到干扰的子带信号需要数模转换，且频移到低频区域，故采样速率可大幅降低；另外本发明系统本身可以实现输入信号的完美重构，对各分支若出现缺陷或失配有很好的鲁棒性。

Description

一种可用于干扰消除的超宽带脉冲无线电预处理器系统

技术领域

本发明属于超宽带无线通信领域，尤其涉及一种可用于干扰消除的超宽带脉冲无线电预处理器系统，可应用于消除超宽带脉冲无线电信号受到的其他射频信号的干扰，还可应用于其它超宽带脉冲无线电信号处理。

背景技术

超宽带（Ultra Wideband，简称UWB）通信的其中一种实现技术是脉冲无线电。脉冲无线电采用超短时间脉冲，从而产生具有超宽（GHz）带宽的信号。该系统需与许多现有的通信系统共存，例如，与在5Ghz工作的IEEE 802.11a无线局域网共存。因此，如果有能够滤除来自现有系统的强干扰并将UWB脉冲信号传递给相关器/检测器的干扰消除器对超宽带通信系统将十分有益。该消除器的要求之一是具有超宽的瞬时带宽，这意味着数模转换的采样率要求是非常高的。要降低采样速率的要求，则需使用信道化结构的接收机。

现有文献技术中的时域信道化接收机无法降低采样率，而频域信道化接收机又无法实现脉冲无线电波形的完美重构。而波形的完美重构对于后续的相关检测具有极大的影响。

现有的超宽带脉冲无线电干扰处理技术都是假定超宽带脉冲无线电信号已被数字化，直接对信号数模转换采样率要求超高，强干扰消除还需要长度很长的数字滤波器，且这些合成滤波器的优化困难。而使用本预处理器可以有效消除超宽带信号受到的窄带及宽带干扰，且采样率要求低。为此本发明提供一种可用于干扰消除的超宽带脉冲无线电预处理系统，不但不局限于干扰消除，还可应用于其他超宽带脉冲无线电的信号处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于干扰消除的超宽带脉冲无线电预处理器系统，

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种可用于干扰消除的超宽带脉冲无线电预处理器系统，包括子带信号划分单元和子带信号重组单元，所述子带信号划分单元用于将输入的超宽带脉冲无线电信号划分为M个子带信号，所述子带信号重组单元用于重组所述子带信号划分单元输出的M个子带信号，其中，M为大于等于1的整数。

在本发明一实施例中，所述子带信号划分单元按照以下方式将超宽带脉冲无线电信号划分为子带信号：

第一分支：

输入的超宽带脉冲无线电信号先通过第一子带低通滤波器，生成第一子带信号；第一子带信号经第一延迟模块后从原输入信号中被减去，即从输入信号中消去第一子带信号，生成信号记为信号1；

第二分支：

通过频移将信号1第二子带部分移到基频，再通过第二子带低通滤波器滤波获得第二子带信号；将第二子带信号频谱部分移回原位，然后通过第二子带带通滤波器滤波，生成的信号被反馈回预处理器系统的主干；在主干上，信号1经过第二延迟模块后减去第二子带信号，目的是去除第二子带信号，生成的信号记为信号2；

第k分支，k=3，4，……，M-1：

通过频移将信号k-1第k子带部分移到基频，再通过第k子带低通滤波器滤波获得第k子带信号；将第k子带信号频谱部分移回原位，然后通过第k子带带通滤波器滤波，生成的信号被反馈回预处理器系统的主干；在主干上，信号k-1经过第k延迟模块后减去第k子带信号，目的是去除第k子带信号，生成的信号记为信号k；

第M分支：

重复上述过程，直至第M个分支，信号M-1，即第M子带信号。

在本发明一实施例中，所述子带信号重组单元按照以下方式重组各子带信号：

第一分支：

第一子带信号经第二延迟模块，形成的信号记为信号①，继续合成余下的分支信号；

第二分支：

第二子带信号通过频移使子带频谱部分由基频移回原位，再通过第二子带带通滤波器滤波得到相应的信号，与信号①相加，并经过第三延迟模块，生成的信号记为信号②，继续合成余下的分支信号；

第k分支，k=3，4，……，M-2：

第k子带信号通过频移使子带频谱部分由基频移回原位，再通过第k子带带通滤波器滤波得到相应的信号，与信号相加，并经过第k+1延迟模块，生成的信号记为信号，继续合成余下的分支信号；

第M-1分支：

第M-1子带信号通过频移使子带频谱部分由基频移回原位,再通过第M-1子带带通滤波器滤波得到相应的信号；与信号相加，生成的信号记为信号，继续合成余下的分支信号；

第M分支：

第M子带信号与信号相加最终合成输出信号。

在本发明一实施例中，所述子带信号划分单元和子带信号重组单元之间还包括一信号处理单元。

在本发明一实施例中，所述信号处理单元为干扰消除处理单元。

在本发明一实施例中，第一至第M-1延迟模块是用于补偿低通滤波器和带通滤波器引入的延迟，以保证信号相加或相减时同相。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明预处理器系统无需使用转换速率超高的数模转换器，克服了超宽带脉冲无线电信号数字处理或干扰处理因带宽超高数模转换困难的障碍；

（2）本发明预处理器系统中仅收到干扰的子带信号需要数模转换，且频移到低频区域，故采样速率可大幅降低；

（3）本发明预处理器系统本身可以实现输入信号的完美重构；

（4）本发明预处理器系统对各分支若出现缺陷或失配有很好的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明超宽带脉冲无线电信号预处理器系统架构图.

图2：图2(a)为超宽带脉冲无线电信号预处理器，其中LPFk为第k个子带低通滤波器，BPFk为第k个子带带通滤波器，；图2(b) 为图2（a)中预处理器第k 个分支等效的滤波系统，。

图3为超宽带脉冲无线电预处理器各部分信号的频谱展示：其中，图2(a)中A、B、C、D、E、F各点的信号频谱分别展示在图3 (a)-(f)：图3 (a) 为接收到的UWB信号频谱及低通滤波器LPF1；图3 (b) 为低通滤波器LPF1滤波后剩下的信号频谱；图3(c)为图3(b)中的信号频谱频移 () 及低通滤波器LPF2；图3(d)为低通滤波器LPF2滤出的信号频谱；图3(e) 为图3(d)中的信号频谱频移及带通滤波器BPF2；图3 (f) 为图3(b)中的信号频谱减去图3(e)被带通滤波器BPF2滤出的频谱部分后剩下的频谱。

图4为超宽带脉冲无线电预处理器完美重构特性仿真验证：是Matlab仿真的接收到的一个超宽带脉冲,输入预处理器后，是预处理器相应输出的脉冲，其中是时间延迟且；两个脉冲之间的互相关系数为。

图5为超宽带脉冲无线电预处理器应用于干扰消除：图5 (a) 预处理器的第k个分支加入了一个陷波滤波器；图5(b)为图5（a）系统功能上可等价于一个陷波滤波器级联超宽带脉冲无线电预处理器。

图6为超宽带脉冲无线电预处理器干扰消除应用案例：图6(a) 无干扰的超宽带脉冲；图6(b) 受到干扰的超宽带脉冲；图6(c) 采用在分支中使用陷波滤波器和丢弃干扰所在预处理器分支两种消除干扰方法后预处理器相应的超宽带脉冲输出波形。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本发明的一种可用于干扰消除的超宽带脉冲无线电预处理器系统，包括子带信号划分单元和子带信号重组单元，所述子带信号划分单元用于将输入的超宽带脉冲无线电信号划分为M个子带信号，所述子带信号重组单元用于重组所述子带信号划分单元输出的M个子带信号，其中，M为大于等于1的整数。

所述子带信号划分单元按照以下方式将超宽带脉冲无线电信号划分为子带信号：

第一分支：

第二分支：

第k分支，k=3，4，……，M-1：

第M分支：

重复上述过程，直至第M个分支，信号M-1，即第M子带信号。

所述子带信号重组单元按照以下方式重组各子带信号：

第一分支：

第二分支：

第k分支，k=3，4，……，M-2：

第M-1分支：

第M分支：

第M子带信号与信号相加最终合成输出信号。

所述子带信号划分单元和子带信号重组单元之间还包括一信号处理单元，如干扰消除处理单元或其他信号处理单元。

第一至第M-1延迟模块是用于补偿低通滤波器和带通滤波器引入的延迟，以保证信号相加或相减时同相。

以下为本发明的具体实施例。

超宽带脉冲无线电信号预处理器的实施例参照图2（a），所接收的超宽带脉冲无线电信号的整个频谱被划分为个子带，预处理器包括个分支，每个分支抽取一个子带信号。设为子带的分频点。也就是说，将频谱分为个子带信号，它们的带宽为，其中和分别为超宽带信号频谱的最低和最高频率。每个子带的带宽没有限制，子带的划分可以依据不同的应用场景。设为混合频率，用于提取第2个、第3个及第M-1个子带信号。第M个子带不被提取，因为它是一个不需要处理的剩余频带。注意，一般来说，，。正如后面将要阐述的，在和之间存在差异是预留频带，以便使用非理想的无尖锐截止特性的滤波器，这种滤波器才是实际上可以实现的。图2（a)中预处理器第k个分支还可等效图2（b)中的滤波系统, 。预处理器构成方法如下：

划分子带信号：

预处理器将输入信号按以下方法划分成子带信号：

第一分支：

超宽带信号先通过第一子带低通滤波器LPF1，其通带为，从而得到的第一子带信号。信号被延迟秒后减去，其中，从而生成。此相减的目的是去除信号在的频率部分。延迟是用来弥补滤波器LPF1引入的延迟，以使和相减同相。

第二分支：

信号通过与相乘而进行频移，其中，从而使频谱的部分被移到基带，再通过一个通带为的第二子带低通滤波器LPF2滤波获得第二个子带的信号。信号乘以以使其频谱部分被移回到，然后通过一个通带为的第二子带带通滤波器BPF2滤波，生成。信号被反馈回预处理器的主干。在主干上，被延迟秒后减去得到。相减的目的是去除在的频率成分。延迟是用来弥补低通滤波器LPF2与带通滤波器BPF2引入的延迟之和。

其他分支：

以上操作过程一直重复到第个分支并获得信号，这也是第M个子带信号。

子带信号重组

预处理器重组各子带信号的方法如下：

第一子带信号被表示为。对于，第k个子带信号乘以以使频谱部分被移回到。由此产生的信号通过一个通带为的第k个子带带通滤波器BPFk滤波得到。信号先延迟秒，然后加到，所产生的信号被延迟秒，然后加到……这个过程一直持续到加到。然后，将以上所生成的信号加上，得到最终的输出信号。

预处理器延迟的设置

预处理器中的延迟（）具体设置如下：

如果，要实现同相相减，信号必须经历与滤波器LPF1的群时延相等的延迟；

对于，为了的同相相减要求信号必须经历一个延迟，与低通滤波器LPFk、带通滤波器BPFk群时延之和相等。

滤波器需要具有线性相位特性以便信号的同相相减。滤波器可以采用固有线性相位特性的声表面波（SAW）滤波器，其振幅和相位响应可以独立控制。因此，

预处理器所用滤波器的设计要求

预处理器的完美信号重构特性并没有对所使用的滤波器加以限制，尽管会优选具有较尖锐截止特性的滤波器以满足某些规范，更好地隔离子带信号且避免残余信号成分干扰下一个子带信号的产生。在应用于干扰消除时，划分子带时可以将干扰放置在过滤器的通带或阻带而不是过渡带。图2（a）的A, B, C, D，E和F各点的信号频谱分别展示于图3（a）-（f）中。令和分别表示低通滤波器LPFk和带通滤波器BPFk（）过渡带的大小。为了避免由于信号落在BPF2过渡带而产生残余信号成分，应小于频谱分量之间的最小距离，如图3(e)所示，即

这样，和混合频率需要满足

从而得到条件

及

预处理器对超宽带脉冲无线电信号的完美重构实施例

作为演示，采用了传统的模拟滤波器代替SAW滤波器。预处理器的分支数是。对于并且，分频点、延迟、混合频率、所使用的低通滤波器LPF和带通滤波器BPF的通带等参数均列在表I。低通滤波器和带通滤波器均为阻带衰减为60分贝的11阶Chebyshev II型滤波器。这样，上述延迟条件是满足的。每个延迟均设置为相应滤波器通带中心频率（例如，在低通滤波器的0.5 GHz，带通滤波器BPF1的1.5 GHz等）的群延迟或群延迟之和，因为切比雪夫II型过滤器的相位并非完全线性。采样率的要求大幅度降低，从原先接收到的超宽带信号的14 GHz（根据美国联邦通讯委员会FCC 规定的带宽为3.1-10.6 GHz），降低到每个子带信号约2 GHz。通过划分成更小的子带，采样率要求可以进一步降低。

用MATLAB模拟接收到的一个UWB脉冲用表示，如图4所示。是一个中心频率为6.85 GHz的高斯单脉冲。预处理器输出的相应脉冲也如图4中所示，结果确实为预期的输入脉冲的延迟版本（延迟）。两个脉冲之间的互相关系数（归一化）是。展现了预处理器对超宽带脉冲无线电信号的完美重构。

预处理器应用于超宽带脉冲无线电信号干扰消除的实施例

该预处理器可以应用于信号处理，例如，脉冲无线电信号的干扰消除。子带信号，可通过陷波滤波器或带通滤波器处理以消除干扰。显然并非所有子带信号都包含干扰，因此对无干扰的子带信号就不需要进行滤波。只有那些需要干扰处理的子带需要数模转化，因此采样率的要求可大幅降低。图5（a）展示了在预处理器的第k个分支中加入陷波滤波器的情况，这在功能上可等效于图5（b）中描述的系统，只需假定陷波滤波器在非滤波器过渡带上工作。陷波滤波器位置在预处理器的频带移位操作期间跟随变化且不影响预处理器的操作。根据预处理器的完全重构特性，可以将陷波滤波器的功能移到外界。陷波滤波对超宽带信号波形的影响可以预先确定，并在解调过程中加入相关器的模板波形中。参考前面的例子，假设UWB脉冲受到一BPSK调制的窄带干扰损坏，该干扰可表示为

其中干扰幅值、载波频率及载波相位。窄带干扰数据等概分布。则有效干扰带宽。为了显示预处理器设计的灵活性，上述预处理器改为仅有三个分支（）且参数由表II给出。

具有如下传递函数：

的二阶IIR陷波滤波器被添加到预处理器的第二个分支，其中和分别是控制极点和零点位置的系数，且是控制陷波滤波器在频谱中陷波位置的参数。仿真参数,，陷波的中心放置在。由于陷波滤波器的平均群延迟很小，所以延迟保持不变。

图6（a）和图6（b）分别展示了原UWB脉冲信号和受窄带干扰损坏的UWB信号。由于干扰的幅值比UWB信号脉冲幅值大得多，UWB信号脉冲被淹没，而窄带干扰的正弦波形仅有微小变化。信号干扰比（SIR）为。受干扰损坏的UWB脉冲与相关模板脉冲的相似性很小（互相关系数）。干扰消除后，由于干扰被极大抑制，UWB脉冲重新变得清晰，如图6（c）所示，互相关系数（陷波滤波器本身对超宽带信号的影响已在模板考虑），且信号干扰比SIR增加到。

所提出的预处理器也可以应用于宽带干扰消除。包含宽带干扰的分支可被丢弃，无需使用陷波滤波器。例如，对于无线局域网WLAN信号（覆盖5.15 GHz - 5.825 GHz）的干扰，整个第二分支信号被丢弃。图6（c）中清楚地展示出了宽带干扰被抑制。信号干扰比SIR改善到。虽然与先前采用陷波滤波器的情况相比，由于丢失了更多的信号频谱分量所生成的UWB脉冲旁边有更高的波纹，分支信号丢弃对波形的影响也可以事先合并到相关器的模板信号波形中。这样，干扰消除后的信号脉冲和模板信号之间的互相关系数为。

注意，添加一个陷波滤波器或丢弃一个分支也可以看作是对预处理器引入缺陷和失配。因此，仿真结果表明，预处理器对缺陷或失配也有很好的鲁棒性。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种可用于干扰消除的超宽带脉冲无线电预处理器系统，其特征在于，包括子带信号划分单元和子带信号重组单元，所述子带信号划分单元用于将输入的超宽带脉冲无线电信号划分为M个子带信号，所述子带信号重组单元用于重组所述子带信号划分单元输出的M个子带信号，其中，M为大于等于1的整数。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述子带信号划分单元按照以下方式将超宽带脉冲无线电信号划分为子带信号：

第一分支：

第二分支：

第k分支，k=3，4，……，M-1：

第M分支：

重复上述过程，直至第M个分支，信号M-1，即第M子带信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述子带信号重组单元按照以下方式重组各子带信号：

第一分支：

第二分支：

第k分支，k=3，4，……，M-2：

第M-1分支：

第M分支：

第M子带信号与信号相加最终合成输出信号。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述子带信号划分单元和子带信号重组单元之间还包括一信号处理单元。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述信号处理单元为干扰消除处理单元。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，第一至第M-1延迟模块是用于补偿低通滤波器和带通滤波器引入的延迟，以保证信号相加或相减时同相。