基于非線性Chirp脈沖的超寬帶通信系統(tǒng)多窄帶干擾抑制方法
【專利摘要】基于非線性Chirp脈沖的超寬帶通信系統(tǒng)多窄帶干擾抑制方法，屬于無線通信【技術領域】。該系統(tǒng)包括信源節(jié)點和目的節(jié)點。本發(fā)明方法旨在通過頻譜感知技術得到窄帶干擾的頻域參數，并利用Chirp脈沖良好的時頻映射關系對波形進行時域處理，從而改變相應的頻域特性，設計出一類自適應的非線性Chirp超寬帶脈沖來抑制超寬帶系統(tǒng)中存在的多窄帶干擾。這類脈沖波形設計方案適用于基于窄脈沖的超寬帶通信系統(tǒng)，所設計的超寬帶脈沖其能量分布在整個波形的持續(xù)時間內，從而避免了高峰值功率的問題。本發(fā)明有效抑制了超寬帶系統(tǒng)中的多窄帶干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和通信性能。
【專利說明】基于非線性Ch i rp脈沖的超寬帶通信系統(tǒng)多窄帶干擾抑制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于非線性Chirp脈沖的超寬帶(UWB)通信系統(tǒng)多窄帶干擾抑制方法，屬于無線通信【技術領域】。

【背景技術】
[0002]超寬帶(UWB)是一種低功率的短距離高速無線通信技術，其為解決無線頻譜資源匱乏的問題提供了新的思路，自FCC于2002年批準超寬帶技術可以民用以來，超寬帶技術引起了學術界和工業(yè)界越來越多的關注。超寬帶技術具有頻帶寬、傳輸速率高，低功耗、保密性好以及抗多徑衰落等特點，這些特點使得超寬帶技術在無線通信、雷達、精確定位等領域中具有廣闊的應用前景，尤其是在室內短距離高速無線通信中具有無可比擬的優(yōu)勢。
[0003]窄帶干擾問題存在于各種寬帶無線通信系統(tǒng)中，超寬帶系統(tǒng)的顯著特點就是以共享方式使用極寬的頻譜，且其信號發(fā)射功率極低，對于窄帶系統(tǒng)而言，UWB信號的存在僅相當于提高了背景噪聲，而對于UWB系統(tǒng)而言，具有較強功率的窄帶信號的存在必然會對超寬帶系統(tǒng)產生嚴重的干擾，因此必須采用窄帶干擾抑制技術來解決超寬帶系統(tǒng)的頻譜兼容問題。C.Wang 等(參見 C.Wang, M.D.Ma, R.D.Ying and Y.H.Yang, “NarrowbandInterference Mitigat1n in DS-UWB systems，，，IEEE Signal Processing Letters,vol.17, n0.5，pp.429-432，2010.)首次將編碼輔助的干擾抑制技術引入到直接序列擴頻超寬帶系統(tǒng)中，提出了一種抑制窄帶干擾的新型擴頻序列，但獲得該序列的運算過程復雜。X.L Shi (參見 X. L Shij “Adaptive UWB Pulse design method for MultipleNarrowband Interference Suppress1n, ，’IEEE Internat1nal Conference onIntelligent Computing and Intelligent Systems, pp.545-548，2010.)把認知無線電技術與Parks-McClellan算法結合，設計出一種既符合FCC福射掩蔽又能抑制多窄帶干擾的自適應脈沖，但難以得到脈沖的時域表達式，從而限制了其實際應用。S.Y.Xu等(S.Y.Xuj Z.Q.Baij Q.H.Yang and K.S.Kwakj “Singular value decomposit1n-basedalgorithm for suppress1n of IEEE802.1la interference in multiple accessTH-UWB systems, ^Proceedings of 2nd Internat1nal Conference on Cognitive Rad1Oriented Wireless Networks and Communicat1ns (CrownCom2007), pp.105-111, 2007.)提出了利用奇異值分解(SVD)的方法來抑制超寬帶系統(tǒng)中的窄帶干擾，該方法對于有用信號幾乎沒有損失，且不需要獲取窄帶干擾的詳細特征，但這種方法的復雜度偏高。
[0004]由于UWB系統(tǒng)釆用窄脈沖來攜帶信息，窄脈沖的類型直接影響到發(fā)射信號的功率譜密度，對脈沖功率譜的優(yōu)化設計也可以起到抑制窄帶干擾的作用。由于Chirp脈沖具有峰均功率比低，時頻域對應關系簡單，抗干擾設計靈活等優(yōu)點，Z.Q.Bai等(參見Z.Q.Baij X.T.Li, D.F.Yuan, and K.S.Kwakj uNon-linear chirp based UWB waveformdesign for suppress1n of NBIj ,?Wirel.Commun.Mob.Comput., issue6, vol.12, pp.545-5
52,Apr.2012.)釆用Chirp脈沖來代替?zhèn)鹘y(tǒng)UWB系統(tǒng)中的窄脈沖，釆用在窄帶干擾中心頻率處使Chirp脈沖的瞬時頻率變化率最大的思想,設計非線性Chirp脈沖來實現窄帶干擾的抑制 ο H.B.Shen 等(參見 H.B.Shen, W.H.Zhang, and K.S.Kwak, “Modified chirp waveformsin cognitive UffB system, ^in Proc.1CC Workshops，08，pp.504-507，May.2008.)米用頻譜規(guī)避的思想設計非線性Chirp脈沖來抑制窄帶干擾。上述方法都只需經過時域處理即可改變相應的頻域特性，從而達到抑制窄帶干擾的目的，但它們僅考慮了單窄帶干擾的抑制。


【發(fā)明內容】

[0005]根據現有技術和解決方案的缺點和不足，本發(fā)明提供了一種基于非線性Chirp脈沖的超寬帶(UWB)通信系統(tǒng)多窄帶干擾抑制方法，通過設計一類自適應非線性Chirp超寬帶脈沖來抑制多窄帶干擾，以顯著提高通信系統(tǒng)的性能。
[0006]本發(fā)明的技術方案如下:
[0007]一種基于非線性Chirp脈沖的超寬帶(UWB)通信系統(tǒng)多窄帶干擾抑制方法，由以下系統(tǒng)實現，該系統(tǒng)包括單天線的信源節(jié)點和目的節(jié)點，信源節(jié)點通過加性高斯白噪聲信道向目的節(jié)點廣播信號；目的節(jié)點接收到的信號包括信源節(jié)點發(fā)射的信號、信道環(huán)境中存在的多窄帶干擾信號和加性高斯白噪聲信號，該方法的具體步驟如下:
[0008]A、超寬帶通信系統(tǒng)準備開始工作；
[0009]B 、超寬帶通信系統(tǒng)通過頻譜感知技術得到信道環(huán)境中多窄帶干擾信號所在的對應頻帶(fil(j)，fih(J))和中心頻率fi(j)，j e (I, 2，…，N)，fil(J)和fih(j)分別為第j個窄帶干擾信號的下限頻率和上限頻率，N為通信環(huán)境中窄帶干擾信號的個數；
[0010]C、依據提供的設計方案，設計能夠自適應地抑制多窄帶干擾的兩種非線性Chirp脈沖，分別為 Atan Chirp 和 Asinh Chirp ；
[0011]D、采用偽隨機序列C= (c(l)，c(2)，…，c(l)，…，c(N。))作為系統(tǒng)的直接序列擴頻碼，其中C(I)是擴頻碼的第I個碼片，C(I) e {±1}, I e (1，2，…，N。)，N。為擴頻碼的長度，碼片間隔為T。；





Nc
[0012]E、每比特由擴頻碼調制后的Chirp脈沖表征為紅0[卜0’其中







/-1
bn e {±1}為第η個發(fā)送數據比特，比特持續(xù)時間為NJ。，t代表時間，p(t)為發(fā)送的單個超寬帶脈沖波形，采用步驟C設計得到，p(t-lTc)表示p(t)沿著時間軸向右平移1T。個單位，I e (1,2, - ,Nc)；
[0013]F、信源節(jié)點發(fā)送數據比特，并通過擴頻調制后以超寬帶信號來表征數據比特，超寬帶信號由其配置天線發(fā)送出去，信號經過加性高斯白噪聲信道到達接收端，接收端天線接收到的信號包括受到衰減的信源節(jié)點發(fā)送的信號，信道中與UWB系統(tǒng)共存的多窄帶系統(tǒng)弓丨入的窄帶干擾信號以及信道中的加性高斯白噪聲信號；
[0014]G、在接收端采用相關接收機對信號進行接收，接收機已與發(fā)射機建立良好的同
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少；
[0015]H、計算相關器輸出的判決變量，將接收到的信號與每比特對應的模板信號v(t)進行相關，其輸出判決變量為z，Z包含有用信號項S，窄帶干擾項I和高斯白噪聲項Ne ；
[0016]1、采用最大似然準則進行判決，得出該系統(tǒng)的平均錯誤概率Pe的表達式為:
[0017]Pe = P (ζω < 0) +P (Ζ(0) > 0)
[0018]=p((s⑴+i+ng) < 0)+P((S(ci)+I+Ng) >0)
[0019]其中Ζω代表發(fā)送數據比特I時判決器輸出的判決變量，Ρ(Ζω<0)表示發(fā)送數據比特I錯判為O的概率，Ζ(°)代表發(fā)送數據比特O時判決器輸出的判決變量，Ρ(Ζ(°)>0)表示發(fā)送數據比特O錯判為I的概率，S(1)代表發(fā)送數據比特I時判決變量包含的有用信號項，Sw代表發(fā)送數據比特O時判決變量包含的有用信號項；
[0020]J、當信息發(fā)送完畢時，通信結束；
[0021]上述步驟C中的設計能夠自適應地抑制多窄帶干擾的兩種非線性Chirp脈沖:Atan Chirp和Asinh Chirp,具體設計方法步驟如下:
[0022](1)基于Atan函數和Asinh函數，按照下述方法對非線性Chirp脈沖進行處理，分別得到非線性Atan Chirp脈沖和Asinh Chirp脈沖；
[0023](2)首先通過頻譜感知技術得到信道環(huán)境中多窄帶干擾所在的對應頻帶(fi1), fih(j))和中心頻率fi(j)，j e (I, 2，…，N)，fil(J)和fih(j)分別為第j個窄帶干擾信號的下限頻率和上限頻率；
[0024](3)假設FCC規(guī)定的超寬帶頻譜范圍為(f\，fh)，其中= 3.1GHz, fh=10.6GHz,在Chirp脈沖可用頻帶內去掉N個窄帶干擾所在的頻帶，則Chirp
脈沖的頻帶變?yōu)?br>
【權利要求】
1.一種基于非線性Chirp脈沖的超寬帶通信系統(tǒng)多窄帶干擾抑制方法，由以下系統(tǒng)實現，該系統(tǒng)包括單天線的信源節(jié)點和目的節(jié)點，信源節(jié)點通過加性高斯白噪聲信道向目的節(jié)點廣播信號；目的節(jié)點接收到的信號包括信源節(jié)點發(fā)射的信號、信道環(huán)境中存在的多窄帶干擾信號和加性高斯白噪聲信號，該方法的具體步驟如下: A、超寬帶通信系統(tǒng)準備開始工作； B、超寬帶通信系統(tǒng)通過頻譜感知技術得到信道環(huán)境中多窄帶干擾信號所在的對應頻帶(fm」)，fmo))和中心頻率fi(j)，j e (I, 2，…，N)，fil(J)和fih(j)分別為第j個窄帶干擾信號的下限頻率和上限頻率，N為通信環(huán)境中窄帶干擾信號的個數； C、依據提供的設計方案，設計能夠自適應地抑制多窄帶干擾的兩種非線性Chirp脈沖，分別為 Atan Chirp 和 Asinh Chirp ； D、采用偽隨機序列c= (c (I)，c (2)，…，c (I)，…，c (Nc))作為系統(tǒng)的直接序列擴頻碼，其中c(l)是擴頻碼的第I個碼片，C(l) e {±1}, I e (1，2，…，N。)，N。為擴頻碼的長度，碼片間隔為T。； E、每比特由擴頻碼調制后的Chirp脈沖表征為
其中bne{±1}為第η個發(fā)送數據比特，比特持續(xù)時間為NJ。，t代表時間，p(t)為發(fā)送的單個超寬帶脈沖波形，采用步驟C設計得到，p(t-lT。)表示p(t)沿著時間軸向右平移IT。個單位，I e (1，2^..,Nc)； F、信源節(jié)點發(fā)送數據比特，并通過擴頻調制后以超寬帶信號來表征數據比特，超寬帶信號由其配置天線發(fā)送出去，信號經過加性高斯白噪聲信道到達接收端，接收端天線接收到的信號包括受到衰減的信源節(jié)點發(fā)送的信號，信道中與UWB系統(tǒng)共存的多窄帶系統(tǒng)引入的窄帶干擾信號以及信道中的加性高斯白噪聲信號； G、在接收端采用相關接收機對信號進行接收，接收機已與發(fā)射機建立良好的同步； H、計算相關器輸出的判決變量，將接收到的信號與每比特對應的模板信號v(t)進行相關，其輸出判決變量為Z，Z包含有用信號項S，窄帶干擾項I和高斯白噪聲項Ne ； 1、采用最大似然準則進行判決，得出該系統(tǒng)的平均錯誤概率匕的表達式為:
Pe = Ρ(Ζω < O)+P (Ζ(0) > O)
=P((S(1)+I+Ng) < 0)+P((S(ci)+I+Ng) >0) 其中Ζω代表發(fā)送數據比特I時判決器輸出的判決變量，Ρ(ζω<0)表示發(fā)送數據比特I錯判為O的概率，Ζ(°)代表發(fā)送數據比特O時判決器輸出的判決變量，Ρ(Ζ(°)>0)表示發(fā)送數據比特O錯判為I的概率，S(1)代表發(fā)送數據比特I時判決變量包含的有用信號項，Sw代表發(fā)送數據比特O時判決變量包含的有用信號項； J、當信息發(fā)送完畢時，通信結束； 上述步驟C中的設計能夠自適應地抑制多窄帶干擾的兩種非線性Chirp脈沖:AtanChirp和Asinh Chirp,具體設計方法步驟如下: (1)基于Atan函數和Asinh函數，按照下述方法對非線性Chirp脈沖進行處理，分別得到非線性Atan Chirp脈沖和Asinh Chirp脈沖； (2)首先通過頻譜感知技術得到信道環(huán)境中多窄帶干擾所在的對應頻帶(filW，fih(j))和中心頻率fi(j)，j ∈ (I, 2，…，N)，fil(j)和fih(j)分別為第j個窄帶干擾信號的下限頻率和上限頻率； (3)假設FCC規(guī)定的超寬帶頻譜范圍為(f1，fh)，其中f1=3.1GHz, fh =.10.6GHz,在Chirp脈沖可用頻帶內去掉N個窄帶干擾所在的頻帶，則Chirp脈
沖的頻帶變?yōu)?br> ，Chirp脈沖的帶寬為
，其中符號u是并集的意思，表示從超寬帶頻譜范圍內移除窄帶干擾所在頻帶后，剩余頻帶的并集； (4)根據Chirp脈沖的時頻映射關系，將窄帶信號的頻域映射到時域，第j個窄帶干擾的下限頻率 fil(j)對應時間點 Tfra(J) = T(fil(J) — U/B’，j e (1,2,…，N)，T 為 Chirp脈沖周期，在時間點Τ?Μ?)處將N個窄帶干擾移除，令Chirp脈沖的時頻對應關系如下:(O，Tfra(I)) (f1，filil (I) ，(Tfra(j)，^fra (j+l) ^ (fih(j)，-^il (j+l))，j e (1,2,...，N — I)和(Tfra(N)，T) (fih(N)， fh)，即得到非線性Chirp脈沖的瞬時頻率； Atan Chirp脈沖的瞬時頻率為:
其中門函數
，j ∈ (1，V..，N—1)，門函數
,a為設置Chirp波形頻率范 圍時，滿足窄帶信號時頻映射關系的參數，β = a (t/Tfra(1) -1), Yj= a (t- Tfra(J))/(Tfra(J+i) — Tfra(J))，j e (1，2，…，N — I), YΝ = a (t — Tfra(N))/(T — Tfra(N))，符號 β > Y j>YN是為了簡化瞬時頻率的表達式而取的中間符號，無具體實際意義，僅代表它們各自等號后面的式子，otherwise是“其它”的意思,表示Gj(t)、Gn(t)及G(t)式中右端上面的時間限制條件之外的時間； Asinh Chirp脈沖的瞬時頻率為:
(5)對瞬時頻率積分即可得到非線性Chirp脈沖的時域表達式； Atan Chirp脈沖的時域表達式為:
其中函數
, X是函數cwl (X)的自變量；Asinh Chirp脈沖的時域表達式為:
其中函數
【文檔編號】H04B1/719GK104079318SQ201410323108
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權日:2014年7月8日
【發(fā)明者】白智全, 高深, 董培浩 申請人:山東大學