一種認知超寬帶正交脈衝的設計方法和裝置的製作方法
2023-10-08 22:01:49 1
專利名稱：一種認知超寬帶正交脈衝的設計方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及通信技術領域，特別是涉及一種認知超寬帶正交脈衝的設計方法和裝置。
背景技術：
認知超寬帶無線電(CUWBR，Cognitive Ultra WideBand Radio)將基於檢測與輻 射遮蔽(Mask)的認知無線電(CR，Cognitive Radio)機制與超寬帶(UWB，Ultra WideBand) 技術相結合，能夠有效解決超寬帶通信系統與現有無線通信系統之間的相互幹擾問題，對 UffB的實用化和CR的實現有著積極的推動意義。認知超寬帶首先要面對的技術問題是如何產生一個頻譜靈活的UWB波形，使該 UffB波形能夠動態地針對頻譜分配策略與幹擾要求作出反應，在滿足FCC(美國聯邦通信委 員會，Federal Communications Commission)頻譜發射功率譜模板要求的同時，能夠避免 對別的系統造成幹擾。因而，認知超寬帶成形脈衝設計應遵循的原則通常包括1、頻譜利用 率高；2、幹擾抑制靈活；3、多個正交脈衝；4、脈衝產生容易。一種現有技術，基於高斯脈衝及其導函數產生組合式脈衝，設計得到的組合式脈 衝頻譜利用率較低，而且具有迭代過程較為複雜，不能保證波形之間的正交性等缺點。另外一種現有技術，基於壓縮Chirp或PSWF脈衝產生組合式脈衝，雖然具有頻譜 利用率較高，幹擾抑制靈活，生成相對簡單的優點，但依然無法得到正交脈衝以解決多址問題。還有一種現有技術，將基於壓縮Chirp脈衝的組合式脈衝進行離散抽樣，構造赫 米特(Hermitian)矩陣後進行特徵向量分解，該方法可以生成一組相互正交的脈衝，解決 了多址問題，但所得脈衝的頻譜利用率會大幅下降，且在認知超寬帶系統中，此方法在根據 頻譜檢測結果生成的頻譜模板進行實時波形調整時，脈衝參數調整算法的步驟較多，驗證 降低了幹擾抑制的效果。總之，需要本領域技術人員迫切解決的一個技術問題就是如何能夠提供一種頻 譜利用率高，幹擾抑制靈活，且能夠滿足脈衝正交性的認知超寬帶正交脈衝的設計方法。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種認知超寬帶正交脈衝的設計方法和裝置， 用以設計頻譜利用率高，幹擾抑制靈活，且能夠滿足脈衝正交性的認知超寬帶正交脈衝。為了解決上述問題，本發明公開了一種認知超寬帶正交脈衝的設計方法，包括將當前頻譜模板劃分為若干子頻段，並生成各子頻段的各階扁長橢球波函數脈 衝；針對某一扁長橢球波函數脈衝階數，對各子頻段的相應扁長橢球波函數脈衝進行 疊加，得到寬頻脈衝信號；依據各階寬頻脈衝信號，正交化得到認知超寬帶正交脈衝。
優選的，所述生成各子頻段的扁長橢球波函數脈衝的步驟，包括針對各子頻段的頻譜模板，進行離散抽樣後構造赫米特矩陣；依據所述赫米特矩陣的特徵向量，得到各階扁長橢球波函數脈衝。優選的，所述正交化步驟為，對各階寬頻脈衝信號進行克萊姆-施密特正交化，得 到認知超寬帶正交脈衝。優選的，所述子頻段的頻譜模板為， hi(t) = ZfVuSincZfi, utjfusincZfi, J其中，H^D.h, (t)分別為子頻段的頻譜模板和時域衝擊響應，M為頻譜模板的分 段數目，i表示子頻段的編號，fi,U和fu分別表示子頻段的上限截止頻率和下限截止頻率。優選的，所述疊加得到寬頻脈衝信號的步驟為， 其中，M為頻譜模板的分段數目，i表示子頻段的編號，j代表扁長橢球波函數脈衝 的階數，Pj (t)代表j階寬頻脈衝信號。另一方面，本發明還公開了一種認知超寬帶正交脈衝的設計裝置，包括劃分模塊，用於將當前頻譜模板劃分為若干子頻段；生成模塊，用於生成各子頻段的各階扁長橢球波函數脈衝；疊加模塊，用於針對某一扁長橢球波函數脈衝階數，對各子頻段的相應扁長橢球 波函數脈衝進行疊加，得到寬頻脈衝信號；正交化模塊，用於依據各階寬頻脈衝信號，正交化得到認知超寬帶正交脈衝。優選的，所述生成模塊包括構造單元，用於針對各子頻段的頻譜模板，進行離散抽樣後構造赫米特矩陣；脈衝生成單元，用於依據所述赫米特矩陣的特徵向量，得到各階扁長橢球波函數 脈衝。優選的，所述正交化模塊，具體用於對各階寬頻脈衝信號進行克萊姆_施密特正 交化，得到認知超寬帶正交脈衝。優選的，所述子頻段的頻譜模板為， hi(t) = ZfVuSincZfi, utjfusincZfi, J其中，H^D.h, (t)分別為子頻段的頻譜模板和時域衝擊響應，M為頻譜模板的分 段數目，i表示子頻段的編號，fi,U和fu分別表示子頻段的上限截止頻率和下限截止頻率。優選的，所述疊加模塊，具體用於依據如下公式進行工作 其中，M為頻譜模板的分段數目，i表示子頻段的編號，j代表扁長橢球波函數脈衝的階數，Pj (t)代表j階寬頻脈衝信號。與現有技術相比，本發明具有以下優點首先，本發明將當前頻譜模板劃分為若干子頻段，再針對各子頻段的頻譜模板設 計得到認知超寬帶正交脈衝；由於各子頻段的頻譜模板帶寬明顯小於原有的頻譜模板，在 脈衝設計時，能夠在同樣的抽樣頻率下獲得較多的抽樣點數，這樣，最終得到的認知超寬帶 正交脈衝相比頻譜模板有較小的失真度，因而最終得到的認知超寬帶正交脈衝能夠具有較 高的頻譜利用率；其次，相對於現有技術，在根據頻譜檢測結果生成的頻譜模板進行實時波形調整 時，脈衝參數調整算法的步驟較多的情形，由於本發明生成的各子頻段的各階扁長橢球波 函數脈衝，以及，疊加得到的寬頻脈衝信號本身由頻譜模板得到的，無需再進行脈衝幅度參 數的循環式調整；例如，在需要躲避無線區域網等其它系統的幹擾時，本發明能夠在無需脈 衝幅度參數的循環式調整的情況下，設計得到與不斷更新的頻譜模板相應的認知超寬帶正 交脈衝，步驟簡單；因此，可以靈活抑制認知超寬帶無線電與其它系統的幹擾；再次，由於最終得到的認知超寬帶正交脈衝，依據各階寬頻脈衝信號正交化得到， 因而能夠保證波形之間的正交性；綜上，本發明的認知超寬帶正交脈衝(CUWBR)設計簡單，具有較大的靈活性，可以 符合不同頻譜模板，能夠靈活抑制CUWBR與其他系統的幹擾；且最終得到的CUWBR脈衝具有 較高的頻譜利用率和相關特性。
圖1是本發明一種認知超寬帶正交脈衝的設計方法實施例的流程圖；圖2是本發明一種各子頻段0階PSWF脈衝頻譜的示例；圖3是本發明一種0階、1階認知超寬帶正交脈衝的時域波形示例；圖4是圖3中兩時域波形的功率譜密度示意；圖5是圖3中0階認知超寬帶正交脈衝的自相關函數和互相關函數示意；圖6是本發明另一種0階、1階認知超寬帶正交脈衝的時域波形示例；圖7是圖6中兩時域波形的功率譜密度示意；圖8是圖6中0階認知超寬帶正交脈衝的自相關函數和互相關函數示意；圖9是本發明一種認知超寬帶正交脈衝的設計裝置實施例的結構圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。本發明的核心構思之一在於，首先將當前頻譜模板劃分為若干子頻段，再針對各 子頻段的頻譜模板設計得到認知超寬帶正交脈衝；由於各子頻段的頻譜模板帶寬明顯小 於原有的頻譜模板，在脈衝設計時，能夠在同樣的抽樣頻率下獲得較多的抽樣點數，這樣， 最終得到的認知超寬帶正交脈衝相對頻譜模板有較小的失真度，因而具有較高的頻譜利用率。參照圖1，示出了本發明一種認知超寬帶正交脈衝的設計方法實施例的流程圖，具體可以包括步驟101、將當前頻譜模板劃分為若干子頻段，並生成各子頻段的各階扁長橢球波 函數脈衝；在實際中，所述頻譜模板可根據認知超寬帶的檢測結果生成，具體到本發明，則可 將其劃分為M段 其中，H^D.h, (t)分別為子頻段的頻譜模板和時域衝擊響應，M為頻譜模板的分 段數目，i表示子頻段的編號，fi,U和fu分別表示子頻段的上限截止頻率和下限截止頻率。具體地，所述生成各子頻段的各階扁長橢球波函數脈衝的步驟，可以通過以下子 步驟來實現子步驟Al、針對各子頻段的頻譜模板，進行離散抽樣後構造赫米特矩陣；根據扁長橢球波函數(PSWF，ProlateSpheroidal Wave Function)脈衝的性質， 欲生成的PSWF脈衝釣⑴應滿足如下公式
將上式進行(Ν+1)點離散抽樣，可以得到
將式(4)寫為矩陣形式 這樣，抽樣形成的實數矩陣Hi滿足HiT = Hi,其中，H/為Hi的共軛轉置矩陣，也即 Hi為赫米特矩陣(Hermitian)矩陣。可以理解，本領域技術人員可以根據實際需要設置一定的抽樣頻率；而由於各子
頻段的頻譜模板帶寬明顯小於原有的頻譜模板，能夠在同樣的抽樣頻率下獲得較多的抽樣 點數，子步驟A2、依據所述赫米特矩陣的特徵向量，得到各階扁長橢球波函數脈衝。根據式(6)，欲生成的PSWF脈衝仍也即赫米特矩陣氏的特徵向量，Ai*仍對應的 特徵值；並且，λ i越大，其對應PSWF脈衝約的階數越低，PSffF脈衝仍的頻譜越接近頻譜模 板，也即頻譜利用率越高。所以在實際中優先選擇特徵值大、階數低的PSWF脈衝。在實際中，可對λ 1進行從小到大的排序，這樣，排在最前面的入1則對應的0階 PSffF脈衝，然後，依次對應1階PSWF脈衝、2階PSWF脈衝等。步驟102、針對某一扁長橢球波函數脈衝階數，對各子頻段的相應扁長橢球波函數 脈衝進行疊加，得到寬頻脈衝信號；依據傅立葉變換的線性特性，將各個子頻段對應階數相同的PSWF脈衝相疊加，即
可得到寬頻脈衝信號 其中，M為頻譜模板的分段數目，i表示子頻段的編號，j代表扁長橢球波函數脈衝 的階數，Pj(t)代表j階寬頻脈衝信號。步驟103、依據各階寬頻脈衝信號，正交化得到認知超寬帶正交脈衝。由於不同的特徵值對應的特徵向量是正交的，所以不同階數的PSWF脈衝之間相 互正交，即 其中，j、k代表PSWF脈衝的階數。根據線性代數原理，向量Pj，(j =0,1,2...)之間是線性無關的。公知地，一個線性無關的向量組，總可化為一個等價的正交化的向量組，在實際中 可以採用施密特(Schmidt)、克萊姆-施密特(Gram-Schmidt)等正交化方法，以得到認知超 寬帶正交脈衝。以下以Gram-Schmidt為例，將向量p」，(j = 0,1,2...)進行正交化，得到所需的 一組正交的脈衝，具體的正交化過程如下 則向量組· 1，為…歲7·即為所求的認知超寬帶正交脈衝。為使本領域技術人員更好地理解本發明，以下通過具體的示例說明本發明認知超 寬帶正交脈衝的設計過程。示例1，具體可以包括步驟Rl、將總頻譜模板劃分為M=IO個子頻段後，進行129點採樣，排成129 X 129 的 Hermitian 矩陣；步驟R2、對所述Hermitian矩陣進行特徵向量分解，得到持續時間T = 6ns的各階 PSffF脈衝；參照圖2，示出了各子頻段的0階PSWF脈衝頻譜，其中，橫坐標Frequency代表頻 率,縱坐標PSD (power spectral density)表示功率譜密度。步驟R3、分別取0階和1階的各子頻段PSWF脈衝進行線性疊加，以及， Gram-Schmidt正交化，得到認知超寬帶正交脈衝。參照圖3，示出了 0階認知超寬帶正交脈衝(ul)、l階認知超寬帶正交脈衝(u2)的 時域波形，其脈衝持續時間為6ns ；其中，橫坐標T代表時間，縱坐標Amplitude代表幅值。本示例設計得到認知超寬帶正交脈衝的效果1、頻譜利用率；ul、u2對應的功率譜密度(PSD)如圖4所示，其符合FCC Mask(美國聯邦通信委 員會輻射遮蔽)的要求，而且具有較高的頻譜利用率。2、脈衝之間的正交性；圖5為本示例得到的成形脈衝Ul的自相關函數和Ul與u2的互相關函數，其中，最 大特徵值對應的脈衝也即0階認知超寬帶正交脈衝ul ；可以看出，在自相關函數取最大值， 即檢測位置處，ul與u2的互相關函數為0，兩脈衝完全正交，利於多用戶檢測。在理想條件 下，應用正交脈衝可以完全消除多用戶之間造成的幹擾，可使系統誤碼率得到有效降低。示鑼Ij 2、本示例與示例1的區別在於，可以根據頻譜模板的變化，靈活抑制認知CUWBR與其 它系統的幹擾。例如，CUWBR檢測到在5. 5GHz頻帶附近處有其他系統(如無線區域網)正在工作， 為避免同頻幹擾，頻譜模板可以在FCC Mask的基礎上要求在5. 35-6. IGHz頻段處有20dB 以上的陷波，以實現CUWBR與其他系統的共存。此時，本示例具體可以包括步驟Si、將處有陷波的總頻譜模板劃分為M = 10個子頻段後，進行129點採樣，排 成 129 X 129 的 Hermitian 矩陣；步驟S2、對所述Hermitian矩陣進行特徵向量分解，得到持續時間T = 6ns的各階 PSffF脈衝；步驟S3、分別取0階和1階的各子頻段PSWF脈衝進行線性疊加，以及， Gram-Schmidt正交化，得到認知超寬帶正交脈衝。
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參照圖6，示出了 0階認知超寬帶正交脈衝(ul』)、l階認知超寬帶正交脈衝(u2』) 的時域波形，其脈衝持續時間為6ns ；其中，橫坐標T代表時間，縱坐標Amplitude代表幅值。參考圖7，示出了 ul』、u2』對應的功率譜密度；可以看出，在符合FCCMask的要求 的同時，圖中的功率譜密度曲線在5. 35-6. IGHz頻段有20dB以上的衰減，因而能夠有效抑 制與其他系統的幹擾。圖8為本示例得到的成形脈衝ul』的自相關函數，以及，ul』與u2』的互相關函數， 其中，最大特徵值對應的脈衝也即0階認知超寬帶正交脈衝ul』 ；可以看出，在自相關函數 取最大值處，互相關函數為0，兩脈衝完全正交。在理想條件下，應用正交脈衝可以完全消除 多用戶之間造成的幹擾，能夠使系統誤碼率得到有效降低。與上述方法實施例相應，本發明還公開了一種認知超寬帶正交脈衝的設計裝置， 參照圖9，具體可以包括劃分模塊901，用於將當前頻譜模板劃分為若干子頻段；生成模塊902，用於生成各子頻段的各階扁長橢球波函數脈衝；疊加模塊903，用於針對某一扁長橢球波函數脈衝階數，對各子頻段的相應扁長橢 球波函數脈衝進行疊加，得到寬頻脈衝信號；正交化模塊904，用於依據各階寬頻脈衝信號，正交化得到認知超寬帶正交脈衝。在具體實現中，所述生成模塊902具體可以包括構造單元Al，用於針對各子頻段的頻譜模板，進行離散抽樣後構造赫米特矩陣；脈衝生成單元A2，用於依據所述赫米特矩陣的特徵向量，得到各階扁長橢球波函 數脈衝。優選的，所述正交化模塊904，可具體用於對各階寬頻脈衝信號進行克萊姆-施密 特正交化，得到認知超寬帶正交脈衝。優選的，劃分模塊901得到的所述子頻段的頻譜模板為， hi(t) = 2fijUsin c2fijUt-2fiasin C2U其中，H^D.h, (t)分別為子頻段的頻譜模板和時域衝擊響應，M為頻譜模板的分 段數目，i表示子頻段的編號，fi,U和fu分別表示子頻段的上限截止頻率和下限截止頻率。在本發明的一種優選實施例中，所述疊加模塊903，可具體用於依據如下公式進行 工作
M 其中，M為頻譜模板的分段數目，i表示子頻段的編號，j代表扁長橢球波函數脈衝 的階數，Pj (t)代表j階寬頻脈衝信號。對於裝置實施例而言，由於其與方法實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關 之處參見方法實施例的部分說明即可。本發明可以應用於認知超寬帶無線電系統中，用以設計頻譜利用率高，幹擾抑制 靈活，且能夠滿足脈衝正交性的認知超寬帶正交脈衝
以上對本發明所提供的一種認知超寬帶正交脈衝的設計方法和裝置，進行了詳細 介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明 只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本 發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應 理解為對本發明的限制。
權利要求
一種認知超寬帶正交脈衝的設計方法，其特徵在於，包括將當前頻譜模板劃分為若干子頻段，並生成各子頻段的各階扁長橢球波函數脈衝；針對某一扁長橢球波函數脈衝階數，對各子頻段的相應扁長橢球波函數脈衝進行疊加，得到寬頻脈衝信號；依據各階寬頻脈衝信號，正交化得到認知超寬帶正交脈衝。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述生成各子頻段的扁長橢球波函數脈衝 的步驟，包括針對各子頻段的頻譜模板，進行離散抽樣後構造赫米特矩陣； 依據所述赫米特矩陣的特徵向量，得到各階扁長橢球波函數脈衝。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述正交化步驟為，對各階寬頻脈衝信 號進行克萊姆-施密特正交化，得到認知超寬帶正交脈衝。
4.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述子頻段的頻譜模板為，hi (t) = 2fijUsin!sin xt其中，H^D.h.a)分別為子頻段的頻譜模板和時域衝擊響應，M為頻譜模板的分段數 目，i表示子頻段的編號，fi,u和fu分別表示子頻段的上限截止頻率和下限截止頻率。
5.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述疊加得到寬頻脈衝信號的步驟為，= ·7· = 0，1,2..·其中，M為頻譜模板的分段數目，i表示子頻段的編號，j代表扁長橢球波函數脈衝的階 數，Pj (t)代表j階寬頻脈衝信號。
6.一種認知超寬帶正交脈衝的設計裝置，其特徵在於，包括 劃分模塊，用於將當前頻譜模板劃分為若干子頻段；生成模塊，用於生成各子頻段的各階扁長橢球波函數脈衝；疊加模塊，用於針對某一扁長橢球波函數脈衝階數，對各子頻段的相應扁長橢球波函 數脈衝進行疊加，得到寬頻脈衝信號；正交化模塊，用於依據各階寬頻脈衝信號，正交化得到認知超寬帶正交脈衝。
7.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述生成模塊包括構造單元，用於針對各子頻段的頻譜模板，進行離散抽樣後構造赫米特矩陣； 脈衝生成單元，用於依據所述赫米特矩陣的特徵向量，得到各階扁長橢球波函數脈衝。
8.如權利要求6或7所述的裝置，其特徵在於，所述正交化模塊，具體用於對各階寬頻 脈衝信號進行克萊姆_施密特正交化，得到認知超寬帶正交脈衝。
9.如權利要求6或7所述的裝置，其特徵在於，所述子頻段的頻譜模板為，HXf) = \\ fu < fi'" ie(\,M)其中，H^f),h.a)分別為子頻段的頻譜模板和時域衝擊響應，Μ為頻譜模板的分段數 目，i表示子頻段的編號，fi,u和fu分別表示子頻段的上限截止頻率和下限截止頻率。
10.如權利要求6或7所述的裝置，其特徵在於，所述疊加模塊，具體用於依據如下公式 進行工作 其中，M為頻譜模板的分段數目，i表示子頻段的編號，j代表扁長橢球波函數脈衝的階 數，Pj (t)代表j階寬頻脈衝信號。
全文摘要
本發明提供了一種認知超寬帶正交脈衝的設計方法和裝置，其中的方法具體包括將當前頻譜模板劃分為若干子頻段，並生成各子頻段的各階扁長橢球波函數脈衝；針對某一扁長橢球波函數脈衝階數，對各子頻段的相應扁長橢球波函數脈衝進行疊加，得到寬頻脈衝信號；依據各階寬頻脈衝信號，正交化得到認知超寬帶正交脈衝。本發明用以設計頻譜利用率高，幹擾抑制靈活，且能夠滿足脈衝正交性的認知超寬帶正交脈衝。
文檔編號H04B1/69GK101895306SQ201010230620
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月13日 優先權日2010年7月13日
發明者張敏, 朱剛, 王九九, 艾渤, 蔣潺潺, 鍾章隊 申請人:北京交通大學