[学位论文]自适应随机变速跳频的设计与应用(北交).pdf

北京交通大学 硕士学位论文 直接序列扩频超宽带抗干扰技术研究 姓名 王九九 申请学位级别 硕士 专业 通信与信息系统 指导教师 朱刚 20090601 中文摘要 摘要 超宽带技术最早是应用在军事领域的一项高速宽带无线通信技术 早期称 之为冲击无线电 随着美国联邦通信委员会 F C C 开放其民用 超宽带信号及具体 应用便成为短距离无线通信研究热点 当前超宽带信号可以分为多带O F D M 超宽 带 M B O F D MU W B 及直接序列扩频超宽带 D S U W B 两种形式 前者本质上与 O F D M 相同 由于技术相当成熟在两者竞争中占得先机 D S U W B 具有无载波 功耗小 设备简单 成本低廉等前者不具备的商用优势 发展潜力巨大 目前两种U W B 都面临着与现有窄带无线通信系统之间的共存问题 并且相比 较M B O F D MU W B 而言 D S U W B 干扰问题更为严重 主要表现在干扰成因复 杂 解决方案有限两方面 本文以D S U W B 为背景 详细分析了D S U W B 的干扰 成因及频域抗干扰解决方案 重点研究了时域上抗干扰技术 即基于认知无线电 的超宽带干扰检测避免 D e t e c tA n dA v o i d D A A 技术 在干扰检测技术的研究中 本文系统地阐述了基于能量检测和基于循环谱相 关 S C F 的频谱感知方案并仿真 提出了基于自相关函数的改进方案 此方案主要 优势是在时域上处理 复杂度比S C F 要低 准确性比基于能量检测要高 在D A A 研究中 本文重点分析基于功率自适应模式下的D A A 并在原方案 的基础上提出了改进的D A A 方案 改进D A A 方案以避免干扰为首要考虑因素 设置专门的流程避免误检测 改进D A A 方案以牺牲传输效率为代价实现了避免干 扰效果最优化 最后通过仿真对比研究了原有D A A 方案及本文提出的D A A 改进 方案 得出了定量分析结果 关键词 D S In 阳 D A A 干扰 认知超宽带 分类号 T N 9 2 A BS T R A C T A B S T R A C T T h eu l t r a w i d eb a n dt e c h n o l o g y w h i c hw a sc a l l e dI m p u l s eR a d i o W a S o r i g i n a l l ya p p l i e di nm i l i t a r yf i e l d A tp m s e n t m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ot h i s s h o r td i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya l o n gw i t ht h eF C C sa g r e e m e n to fi t sc i v i l u s e T h ec u r r e n tu l t r a w i d eb a n di n c l u d e st w ot y p e s m u l t i b a n dO F D M M B O F D M u w s a n dd i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m D S U W B B e c a u s eM B O F D MU W B w h i c hi sq u i t em a t u r e i sn o te s s e n t i a l l yd i f f e r e n tf r o mO F D Mt e c h n o l o g y i ti si n d o m i n a n tp o s i t i o ni nt h ec o m p e t i t i o n H o w e v e r D S U W Bh a sc o m m e r c i a lp o t e n t i a l b e c a u s eo fi t sl o wp o w e ra n ds i m p l ee q u i p m e n ta n dS Oo n A tp r e s e n t b o t ho ft h e s et w ok i n d so fU W Ba r ef a c i n gt h es a m ep r o b l e mo nh o wt o c o e x i s t e n tw i t ht h ee x i s t i n gn a l T o wb a n dw i r e l e s sc o m m t m i c a t i o ns y S t e m C o m p a r e d w i t hM B O F D MU W B t h ei n t e r f e r e n c ep r o b l e mo fD S U W Bi sm o r es e r i o u s w h i c hi S m a i n l yb e c a u s et h a tt h ei n t e r f e r e n c eo r i g i ni sc o m p l e xa n dt h es o l u t i o n sa r el i m i t e d B a s e do nD S U W B t h i sa r t i c l ed i s c u s s e sD S U W Bi n t e r f e r e n c eo r i g i na n dt l l e f r e q u e n c yd o m a i ns o l u t i o n B e s i d e i th a ss t u d i e dt h ea n t i j a m m i n gt e c h n o l o g yi nt i m e d o m a i nw i t he m p h a s i s I nt h es t u d yo fi n t e r f e r e n c ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l es y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b e s a n ds t i m u l a t e se n e r g yd e t e c t i o na n dS p e c t r a lC o r r e l a t i o nF u n c t i o n S C F b a s e dp l a n T h i sp a p e rp r o p o s e sa ni m p r o v e dp r o g r a mb a s e do na u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n w h o s e m a i ns u p e r i o r i t yi st h a ti nt i m ed o m a i n t h ec o m p u t a t i o nl o a di ss m a l l e rt h a nS C Fa n d t h ed e t e c t i o ni sm o r ea c c u r a t e T h i sa r t i c l es e l e c t i v e l ya n a l y z e sa n di m p r o v e saD A A p l a nw h i c hi sb a s e do np o w e r a u t o a d a p t e dp a t t e r n T h eD A Ap l a nm a k e si m p r o v e m e n ti no r d e rt oa v o i di n t e r f e r e n c e w i t ht h ep r i m a r yc o n s i d e r a t i o na n de s t a b l i s ht h es p e c i a lf l o wt oa v o i dm i s t a k e n l y d e t e c t i n g T h ei m p r o v e dD A Ap l a nr e a l i z e st h eo p t i m a li n t e r f e r e n c ea v o i d i n ge f f e c ta t t h ep r i c eo ft r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y T h i sa r t i c l eh a sf i n a l l ys i m u l a t e dt w ok i n d so fD A A p l a n s K E Y W O R D S D S U W B D A A I n t e r f e r e n c e C o g n i t i v eR a d i o C I A S S N o T N 9 2 图目录 图1 1U W B 室内外辐射功率掩模 5 图2 1D S U W B 双频段示意图 9 图2 2 高斯脉冲和它的前l5 阶导函数波形 1 2 图2 3 前1 5 阶高斯脉冲的的E S D 1 3 图2 4D S U W B 发射机结构 1 4 图2 5D S U W B 系统发射信号 l5 图2 6D S U W B 信号功率谱密度 1 7 图2 7 最大特征值和次大特征值对应的特征向量时域波形 2 2 图2 8 最大特征值对应的特征向量的功率谱 2 3 图2 9 次大特征值对应的特征向量的功率谱 2 3 图2 1 0 最大特征值和次大特征值对应的特征向量时域波形 2 4 图2 1 l 最大特征值对应的特征向量的功率谱 2 5 图2 1 2 次大特征值对应的特征向量的功率谱 2 5 图2 13 口 1 时D S U W B 功率谱密度 2 6 图2 1 4 a 1 0 时D S U W B 功率谱密度 2 7 图2 15P N 7 时D S U W B 信号功率谱 2 7 图2 1 6P N 1 0 时D S U W B 功率谱密度 2 8 图3 1 认知无线电分层结构 3 0 图3 2C U W B 原理 3 2 图3 3C U W B 系统分层框图 3 3 图3 4C I 八 B 底层跨层设计结构框图 3 4 图3 5 认知直扩超宽带通用模型框图 3 6 图3 6C U B 能量检测框图 3 9 图3 7 认知D S U W B 能量检测 3 9 图3 8S C F 原理框图 4 0 图3 9 基于S C F 频谱感知 4 0 图3 1 0 自相关频谱检测原理框图 4 1 图3 1 l 自相关频谱检测 4 2 图3 1 2 认知U W B 与F D D 通信系统干扰避免 D A A 流程 4 6 图3 13 认知U W B 与T D D 通信系统干扰避免 D A A 流程 4 8 图3 1 4 基于脉冲自适应D A A 流程图 5 0 图4 1T D D 干扰模式下D A A 时序图 5 3 图4 2D A A 干扰分析时序图 f 5 4 图4 3D A A 干扰分析时序图 f 5 4 图4 4 改进D A A 方案 5 6 图4 5 改进D A A 方案时序图 5 8 图4 6 干扰存在时间占传输时间百分比随 f 变化曲线 5 9 图4 7 t 与认知超宽带传输效率关系曲线 6 0 图4 8 原有和改进D A A 方案对比仿真 6l 图4 9 认知U W B 传输效率随 变化曲线 6 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 王九忆 签字日期 叫年 月b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 三忆扎 签字日期 仍绎石月动日 导师签名 签字日期 唧年汨切日 致谢 本论文的工作是在我的导师朱刚教授的悉心指导下完成的 朱刚教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 在此衷心感谢两年多来朱 刚老师对我的关心和指导 钟章队教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作 在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助 在此向朱刚老师表示衷心的谢意 李旭教授 吴吴副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见 在此表示衷心的感谢 在实验室工作及撰写论文期间 张敏 烟翔等同学对我论文中的仿真分析工 作给予了热情帮助 在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢我的家人 他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 序 本论文是在校基金重点项目 U W B 超宽带 无线通信系统干扰问题研究 的 背景下 结合当前认知超宽带的热点研究方向 将干扰检测避免技术引入超宽带 抗干扰研究领域 目的是通过对干扰检测避免技术的研究找到一种更适合直接序 列扩频超宽带抗干扰解决方案或新思路 这种尝试在国内外相关研究中属于较为 先进的领域 存在着很多具有挑战性的科研难题 是理论上的融合和创新 u w B 超宽带 无线通信系统干扰问题研究 项目于2 0 0 7 年启动 作者有幸参与 了项目的全过程 在近1 年的研究中 作者项目团队取得了软件著作权2 项 专 利申请l 项 论文2 篇 教材编写1 本等相关科研成果 积累了大量经验 为论 文的开展奠定了良好的基础 1 1 超宽带简介 1 引言 超宽带 U l t r aW i d e B a n d u w B 技术的起源可以追溯到1 9 世纪末 当时 M a r c o n i 和波波夫所演示的第一个无线通信系统就符合超宽带无线电的定义 当然 他们当时并没有U W B 的概念 在此之后 2 0 世纪4 0 至7 0 年代 U W B 技术有了 长足的发展 此阶段出现了介绍U W B 发射机和接收机的专著以及U W B 的应用专 利 随着技术的成熟 在2 0 世纪很长时间内 U W B 一直被用于军事雷达及地质 测绘通信 但很少用于无线近距离民用通信 l t 2 1 直到2 0 0 2 年2 月美国F C C 规定 了民用U W B 辐射功率掩模将其解禁 超宽带在短距离无线通信应用领域所具有的 显著优势吸引了越来越多的关注 关于U W B 的研究成果如雨后春笋般出现 实际 上F C C 对U W B 信号实现方式并没有规定 以致在U W B 标准化进程中出现了各 种各样的信号 例如跳时脉冲位置调制超宽带 T H P P Mu w a 直接序列扩频超宽 带 D S U W B 以及多带正交频分复用超宽带 M B O F D MU W B 等 直到现在也没有 形成统一的标准 但D S U W B 和M B O F D MU W B 已经成为公认的主流 前者是 一种无载波U W B 技术 也是本论文讨论的重点 后者本质上是符合超宽带定义的 O F D M 传输技术 F C C 给出的U W B 定义 相对带宽 2 0 或者绝对带宽 o 5 G H z 的系统被称为 为U W B 系统 其中 U W B 相对带宽 绝对带宽 中心频率 绝对带宽是指衰减到 1 0 d B 的频带宽度 本文研究的D S U W B 是传统的冲击无线电超宽带 I m p u l s eR a d i oU W B 熙I n 阳 与现代直接序列扩频技术融合的一种超宽带实现方式 传统的I R U W B 与常规载波通信技术不同 它通过直接通过发送持续时间为纳秒量级脉冲来传输 数据 从本质上讲 I R U W B 是以占空比很小 0 1 1 超短电磁能量冲激脉冲作 为信息载体的无线扩谱技术 这些短脉冲可以单独发射或者成组发射 并可以利 用脉冲幅度 相位和脉冲位置对信息进行编码 I R U W B 技术依赖脉冲串传递信息 因此 脉冲波形的特性是很重要的 一般而言 I R U W B 信号应该选择没有直流分 量 产生容易 符合F C C 辐射功率掩模要求的信号波形 在传输过程中 既可以 用单个脉冲传递不同的信息 也可以使用多个脉冲传递相同信息来提高可靠性 典型的I R U W B 发射机直接发射脉冲 不再具有传统的中频和射频的概念 此时 的发射信号可以看成基带信号 也可以看成射频信号 I R U W B 接收机通常采用相 关接收机 能够直接将收到的输入信号转换成模拟输出信号 输入脉冲通过脉冲 相关器 然后进行脉冲序列积分 最后进行检测判决 无需传统通信设备中的中 频级 极大地降低了通信设备的复杂度及功耗 由以上讨论可知 I R U W B 信号是时域上持续时间为纳秒量级的短脉冲 并且 占空比极低 I R U W B 信号是非恒包络信号 峰均比很大 I R I m 忸信号的这种 特点决定其两种主要的调制多址方式 跳时脉冲位置调制U W B 信号 T H P P M t r w B 和直接序列扩频脉冲相位调制U W B 信号 D S B P S Ku w B T H P P MU W B 信号采用瞬时开关技术来产生跳时超短脉冲 由专用的宽带天线以几百M H z 的高 速率发射 T H P P MU W B 信号以时间轴上由伪随机序列确定的不同位置携带信息 通过跳时序列对脉冲进行时间编码形成多个信道 实现多址通信 T H P P ML r W B 的优点是原理简单 实现方便 在U W B 发展之初得到了广泛应用 D S B P S KU W B 信号采用以G H z 速率发射的极低占空比宽带脉冲伪随机序列对速率为数百M H z 的数据直接进行相位调制 实际应用中为了抵抗多径多采用多个编码脉冲表示一 个比特方式 能提供极高的数据速率 D S B P S KU W B 利用不同的伪随机序列区 分信道 实现多址通信 D S B P S KU W B 具有高速率及抗干扰等优势 使得它在 近些年来已经取代了T H P P MU W B 成为的研究和应用的重点 一般现在提到的脉 冲形式的超宽带指的就是D S B P S KU W B D S B P S KU W B 经常被简写为 D S U W B 或直扩超宽带 本文以下均为简写 超宽带有以下一些显著优点 4 5 6 U W B 通信可在非常宽的带宽上传输信号 因为带宽很宽 U W B 的最大数 据传输速率可达几十M b p s 到几G b p s 极低的截获率 短脉冲产生很宽的频谱 造成功率谱密度很低 U W B 信 号不易被截获 非常适于保密通信 U W B 系统的耗电可以做到很低 在高速通信时系统的耗电量仅为几百uw 到几十mW 而现有电台的耗电量通常为几百mw N 几W 可见 U W B 系统的耗 电量仅为现有电台的1 1 0 1 1 0 0 有利于系统长时间工作 U W B 不使用载波电路 对于I R U W B 而言 因此 U W B 系统不需要复 杂的调N 解调电路和滤波器等 与现有无线通信相比 忉发电路的成本将会更低 空问容量 大 空问容量 是评价高速短距离无线通信系统的一个重要指 标 定义为单位面积上通信系统所能支持的传输速率 U W B 的空间容量可以达到 约1 Mb p s m 2 平方米 B l u e t o o t h 的空间容量约为3 0 kb p s m 2 I E E E8 0 2 1 l a 的 空间容量约为8 3 kb p s m 2 优势十分明显 穿透能力强 实验系统证明 超宽带无线电具有很强的穿透树叶和障碍物 的能力 适用于窄带系统的丛林通信模型同样可适用于超宽带系统 超宽带技术 2 还能实现隔墙成像等 系统可以几乎全数字化 非常适于芯片集成化 正是由于U W B 具有以上优点 在美国 一些风险企业相继加快了U W B 相关 芯片组件与系统的开发速度 在欧洲有关U W B 的最大研究项目之一是正在开发一 个完整的U W B 系统 从天线开始到高阶层协议为止 由于U W B 是一种关键的通 信技术 特别是为多媒体系统所需 日本的消费电子公司及数字视频芯片公司也 对它抱有很大的兴趣 我国对U W B 通信系统的研究还处在理论研究阶段 比较有 代表性的研究机构及成果有北京邮电大学 北京理工大学 东南大学等研究U W B 系统的信号产生 R A K E 接收等技术 清华大学正在开发集成的U W B 系统 国家 也在2 0 0 3 年开始 对U W B 项目给予支持 其中包括8 6 3 项目及自然基金项目等 但总体而言 我国U W B 相关研究及产业化落后于北美及欧洲 对于本文研究对象D S U W B 来说 最早是以美国M o t o r o l a 为主导的双子带直 扩码分多址 D S C D M A D i r e c ts e q u e n c eS p r e a d i n g C o d eD i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s 方案为基础 后来演变成为D S U W B 方案 方案最初由X t r e m eS p e c t r u m 公司 X S l l 所创建 该公司后被M o t o r o l a 收购 组成了飞思卡尔 F r e e S c a l e 半导体公司 该方 案先后融合了日本通信实验室 C R L C o m m u n i e a t i o nR e s e a r c hL a b o r a t o r y C R L C R L U w B 联盟 包括O K I C A S I O N E C F u j i s m H i t a c h i 等 P a t h u s C e v a 公司等多家提案的技术 并得到M o t o r o l a 公司的大力支持 由于C D M A 技术目前 在其他领域的大量应用 因此实现起来更为容易 成本更低 上市时间短 经多 次修改 该方案成为W P A N 物理层的两大主要解决方案之一 按照F C C 的规定 U W B 通信在近期内将只能用于极短距离的无线通信 这 就意味着在一定时期内I n 糯将会与现有短距离无线通信技术共同生存 共同发 展 在目前U W B 发射功率受限的情况下 U W B 只能用于1 0 m 以内的高速数据通 信 而1 0 m 到1 0 0 m 的无线局域网通信 还需要由8 0 2 1 1 来完成 有人因此将U W B 技术比作宽带蓝牙 但U W B 与蓝牙技术是有区别的 首先从应用领域来看 B l u e t o o t h 工作在无须申请2 4 G H zI S M 频段上 主要用来连接打印机 笔记本电脑 等办公设备 U W B 通信速率通常在几百M b p s 通信距离仅有几米 主要应用在 高速短距离无线领域 如W P A N 等 因此二者的应用领域不尽相同 其次 从技 术上看 经过多年的发展 B l u e t o o t h 已经具有较完善的通信协议 而U W B 的工 业实用协议还在制定中 还有 B l u e t o o t h 是一种短距离无线连接技术标准的代称 蓝牙的实质内容就是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准 从 这方面讲 U W B 可以看作是采用一种特殊无线电波来完成的通信协议或标准 因此可以用超宽带技术来实现蓝牙p 6 3 1 2 超宽带干扰问题概述及研究现状 上一节简要介绍了超宽带定义 信号 应用现状 实际上 当今各种无线通 信技术在给人们带来方便的通信服务的同时也正在面临着资源枯竭的窘境 对于 无线通信而言 最为重要的资源是频谱 超宽带的出现很好地解决了频谱资源紧 张的问题 U W B 并没有单独占用频谱资源 而是通过频谱共享的方式实现共存 根据山农公式 C B l 0 9 2 1 s 以 1 1 在高斯噪声条件下 通信带宽可以与信噪比互换 也就是说 可以利用超宽 带宽在极低的功率谱密度的条件下通信 对于U W B 来说 这意味着只要解决好 U W B 与现有无线通信系统之间的频谱共享所带来的干扰问题 U W B 技术的应用 前景不受频谱资源限制 正是基于以上考虑 国内外U W B 与现有窄带无线通信系 统之间干扰问题的研究一直备受关注 也是本文的出发点和落脚点 当然 由于 噪声与信号带宽有关 不可能通过无限增加带宽换取信噪比 事实上 在2 0 0 2 年 F C C 批准U W B 民用的同时已经对超宽带所使用的带宽 及功率进行了限制 F C C 规定 U W B 带宽应在3 1 1 0 6 G H z 范围内 对其辐射功 率的限制如图1 1 所示 6 J 4 F r e q u e n c y G H z 图1 1U W B 室内外辐射功率掩模 F i 9 1 1F C Ci n d o o ra n d o u t d o o re m i s s i o nm a s kf o rU W B d e v i c e s 由图可以看出 F C C 对U W B 辐射功率的限制十分严格 其功率谱密度最大 值 E I R P 4 1 2 5d B m M H z E I R P 等效各项同性发射功率 其它国家和地区 如欧洲 新加坡等 考虑自身情况 制定的规范与F C C 的规 范会稍有不同 我国尚未制定相关的规范 即使F C C 对U W B 信号辐射功率限制 近乎苛刻 t Y W B 与现有无线通信系统之问的干扰问题仍然需要关注 这是因为 U W B 通信属于突发脉冲通信 瞬时功率较大 另外当现有无线通信系统与U W B 设备距离较近时 设备之间的互干扰是不可避免的 当前关于U W B 与现有无线通信系统之间的干扰问题研究总体上可以分为两 方向 发射端干扰解决方案和接收端干扰解决方案 在接收端 目前主流的抗干扰方法是U W B 接收机的设计 利用U W B 信号与 噪声不相关特性及脉冲极低占空比进行多径分量收集并相关接收 这方面我国东 南大学已经做了较为深入的相关研究 本文不再赘述 在发射端主流的干扰解决方案包括基于频域的I f W B 信号和基于时域的干扰 检测避免技术两种方式 基于频域的U W B 信号功率谱自适应技术可以分为脉冲成 形设计 平滑功率谱 陷波滤波器设计等 7 8 1 基于时域的干扰检测避免的是通过 频谱检测得知Ir 帕频段是否被占用 进而通过发射功率自适应或波形自适应实现 5 一N工乏 E p Y西母乏凸 正Iec 6 I 3 干扰避免 相对于前者在频域上对U W B 信号自身进行调整 干扰检测避免技术通 过与周围环境的交互 实时地选择调整发射信号 从时域 空间域 频域多维地 考虑共存问题 因此避免干扰更灵活 效果更明显 因此在最新的研究中 干扰 检测避免技术成为国内外研究的热点 干扰检测避免技术也是本文研究的重点 过去几年国内外相关领域的研究重点都放在U W B 信号的功率谱上 因为 U W B 信号功率谱是研究U W B 与现有无线通信系统之间干扰问题的最直接 最重 要的桥梁 学者们的想法是通过调整影响U W B 信号功率谱的因素 使干扰降到最 低从而实现共存 相关的研究表明影响D S U W B 信号的功率谱因素包括 已调信 号功率谱 脉冲重复频率 P R F 和发射脉冲的能量谱 其中已调信号指经过扩频 调制后的信号 对于D S U W B 系统而言 由于扩频调制使信号随机化 功率谱接近白噪声 因此通过改善已调信号功率谱频域特性 进而减少D S U W B 产生干扰的的研究已 经到了瓶颈 但是 改良伪随机序列的研究仍然是U W B 的研究重点 这是由于在 D S U W B 中 伪随机序列不仅仅起调制作用 多址也是靠它实现哺 9 由通信原理可知 时域上信号的周期性决定了频域频谱离散性 因此在平均 功率不变的情况下 P I 强增大会使某个频点离散谱线幅度变大 如果落在现有无 线通信系统接收范围内可能会产生干扰 9 同样地 由于扩频调制 在D S U W B 系统中 调整P R F 对改善其功率谱平滑程度并无较大影响 对于已调信号功率谱 调整及P R F 的调整都属于平滑功率谱研究 本文对这部分内容会在第2 章2 3 2 节 进行仿真论证 脉冲能量谱决定了I R U W B 信号功率谱的包络 因此 脉冲波型设计已经成 为解决共存问题的重要手段 常用的脉冲包括高斯及其导函数脉冲 S c h o l t z s 脉冲 升余弦脉冲 R a y l e i g h 脉冲 由小波函数生成的脉冲等 脉冲成形设计设计应遵循 的原则为0 0 1 1 频谱利用率高 2 抑制干扰灵活 3 多种正交脉冲 4 脉冲 产生容易 压缩C h i r p 脉冲方法是指C h i r p 脉冲经过匹配滤波器后在频域上带宽得 到压缩 通过选择不同中心频率的C h i r p 脉冲进行叠加 最终形成具有满足F C C 规定的且很高的频谱利用率并可以灵活抑制同频干扰的新型脉冲 有干扰存在时 则去除有相互干扰的某个或某几个C h 卸脉冲 从而实现共存 1 1 1 文献1 2 1 3 给 出了一种基于特征值分解的脉冲设计方法 核心思想是根据F C C 频谱模板及存在 干扰频点构造两个或几个不同的抽样矩阵 分别求出对应矩阵的特征值 构成正 交子脉冲 通过选择参数使得子脉冲的频谱在干扰频点处叠加为O 从而抑制同频 干扰 陷波滤波器设计作为波形成形技术的补充 它的主要实现方式是通过陷波 滤波器将有干扰的频点滤除 般而言 脉冲成形设计的实现难度很高 许多理 论上的脉冲波形是现在实际硬件技术所无法实现的 而陷波滤波器却可以较容易 6 的实现 本文会对脉冲成形技术在第2 章选取了一种有代表性的波形进行深入研 究 U W B 脉冲的研究在国内外方兴未艾 各种符合F C C 规范的 能够灵活抗干 扰的脉冲被开发出来 如压缩C h i r p 脉冲 小波脉冲等等 而随着认知无线电的发 展 将认知无线电的思想引入Ir 从而实现干扰检测避免已经成为2 l 世纪以来 的研究热点 概括说来这两种技术的融合是指 I 粕设备通过实时感知外界频谱 利用状况调整发射信号波形或发射功率 在满足规定的辐射掩模的前提下 使得 发射的信号功率谱在干扰频点处陷波或功率整体降低至不足以产生干扰的水平 实现干扰避免 学者称之为认知超宽带无线电 C U W B 本文将在第3 章对C U W B 原理及模型进行深入探讨 综上所述 l 肥自应用以来 其干扰问题一直是各国研究的热点 从各个阶 段的研究成果看 I n 釉干扰问题解决方案可以分为三类 脉冲成形设计 此方案是解决U W B 与其他无线通信系统之间干扰问题的基 础方案 也是研究成果最多的技术 最具代表性的U w B 波形包括 压缩c h i r p 波 形 正交矩阵分解波形等 平滑功率谱 代表研究成果包括 改善扩频码自相关性能研究 调整P R F 改善信源伪随机性等 基于认知无线电的I 八阳干扰检测避免研究 在最近几年的研究中 将认 知无线电思想引入U W B 系统用于抗干扰已经成为主流研究方向 然而 认知无线 电在仍处于起步阶段 将两种技术融合更是一个全新领域 十分具有挑战 正因 如此 本文选取此领域作为研究内容具有先进性 三种方案的优缺点如下表所示 表1 1D S U W B 抗干扰方案对比 T a bI 1D i f f e r e n ts o l u t i o n sf o rD S U W Bi n t e r f e r e n c em i g i t a t i o n 方案实现方法优点缺点 平滑功率谱减少离散谱线原理简单效果较差 脉冲波形设计避免频谱重叠效果明显硬件实现较难 认知超宽带检测干扰 选择波形及功率效果最好系统复杂 7 1 3 论文研究内容及章节安排 本文拟研究的内容包括以下几方面 对D S U W B 技术进行深入研究 重点研究干扰产生的原因和影响干扰大 小的因素 搭建D S U W B 仿真平台 对D S U W B 干扰问题频域解决方案进行仿真研究 包括脉冲成形技术研究和平滑功率谱技术研究 本文重点内容是基于认知无线电的直接序列扩频超宽带干扰检测避免技 术的研究 在分析现有干扰检测避免 D e t e c t A n d A v o i d D A A 方案的基础上 提 出更适合D S U W B 的干扰检测方案和适用于所有超宽带形式的D A A 方案 通过时序分析和对比仿真 研究改进D A A 方案和原有方案抗干扰效果 定量地分析两种D A A 方案的优缺点 为实际应用提出建议 论文章节安排如下 第2 章主要分析D S U W B 干扰成因及频域解决方案 并对脉冲成形技术和平 滑功率谱技术进行仿真研究 第3 章讨论认知超宽带干扰检测避免技术 分析已有干扰检测技术和D A A 技 术 并提出一种适用于D S U W B 的干扰检测技术 第4 章研究一种改进的D A A 技术 通过时序分析和对比仿真研究 分析已有 D A A 方案和改进D A A 方案的优缺点 最后一章总结全文 并对未来研究方向提出建议 1 4 小结 本章主要介绍了U W B 基本概念 对U W B 干扰问题研究进行综述 在分析当 前国内外超宽带干扰问题研究现状的基础上 给出了各种方抗干扰技术的基本原 理及对比分析 此外 本章还明确了本文的研究重点 即D S U W B 干扰问题频域 时域抗干扰方案分析研究 8 2 直扩超宽带干扰分析及频域抗干扰技术 以美国M o t o r o l a 为主导的D S I n 釉是一种双频带方案 工作在3 1 1 0 6 G H z 频段 分为高低两个工作频带 低带的中心频率为4 1 GH z 带宽为1 3 6 8 G H z 恒定的符号速率为5 7 M s p s 能提供的数据传输速率有 2 8 5 5 7 7 5 1 0 0 1 1 4 2 0 0 4 0 0 M b p s 高带的中心频率为8 2 G H z 带宽为2 7 3 6 G H z 恒定的符号速率为 1 1 4 M s p s 能提供的数据传输速率有1 0 0 1 1 4 2 0 0 3 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 M b p s 该系统 采用D S S S 技术的直接序列扩频码分多址 M B O K B P S K 调制 信道编码采用卷 积码 编码速率为1 2 2 3 或3 4 R S R e e d S o l o m o n 码和级联码 为了避免对美国 非特许的国家信息基础设施 U N l l 频段和I E E E 8 0 2 1 l a 系统产生干扰 D S U W B 没有使用高 低两个频段之间的部分 1 2 1 正因如此 D S U W B 的频带没有得到充 分的利用 造成了资源浪费 功率谱密度 4 I 3 d B m M 低铡段 高额段 一 I z I 二r j I I I I lI 一 一 d 一 频率 G H z 图2 1D S U W B 双频段不意图 F i 9 2 1D o u b l ef r e q u e n c yb a n d ss c h e m af o rD S U W B 为适应不同地区的频谱规定 D S U W B 系统的中心频率和带宽可以修改 有 效脉冲波形及频谱分布如图2 1 所示 我国尚未制定相关规范 但作者认为我国没 有必要效仿F C C 规定舍弃干扰频段 随着认知无线电技术的发展 未来中国标准 的D S U W 完全可以通过干扰避免技术实现动态频谱资源管理 从而提高频谱利 用率 2 1 直扩超宽带信号 D S U W B 在本质上与传统的直接序列扩频 D S S S 通信的信号处理方式上是 9 一样的 二者最大的不同在于D S U W B 采用持续时间极短的窄脉冲代替了D S S S 信号的升余弦波形 也就意味着D S U W B 带宽远远大于普通的D S S S 通信系统 并且D S U W B 中的直接序列扩频实际上是一种相位调制技术 即D S B P S KU W B 而不是起扩频调制作用 当然在多用户时 扩频码也用于码分多址 2 1 1 高斯脉冲波形 U W B 信号波形选择在U W BN N e e 是十分重要 U W B1 1 5 冲信号在时域持续 的时间极短 因此作为U W B 脉冲信号必须具有陡峭的上升沿和下降沿 在通信中 要求信号避免产生直流分量并且低频分量尽量少以便于发射和接收 在超宽带技 术发展之初 超宽带脉冲发生器产生的信号类似于高斯脉冲 高斯脉冲不含直流 分量 同时在收发天线微分作用下具有简单的表达式 便于仿真分析 所以高斯 脉冲是当前学术研究的最主要的仿U W B 信号 下面对高斯信号进行讨论 由S i N 函数 饨冲击唧c 一刍 亿 令盯2 口2 4 z 有 f 鱼e x p 一 2 z t 2J o口 2 2 口影响脉冲的宽带和幅度 称为脉冲波形的成形因子 从式 2 2 N 知 减小口 的值将会使脉冲宽度压缩 适当选取成形因子口 可使厂 f 成为一个合适的脉冲 可以定义基本高斯脉冲波形为 p f 5 4e x p 一手 2 3 其能量为 巳 弘吨 e x 卅等 出 以2 弘势一 亿4 可见 川 具有单位能量的条件是 4 2 坛 2 5 1 0 卜回讨论基本同劢脉押的微分特性 对基本局册脉冲p f 求一阶全三阶导数 g r 导数 p 缸M 一 p 簪 2 6 二阶导数 p 砸M 等e X p 一等 4 碉 2 7 g r 导数 p 叫等嘶等 3 4 胡 2 8 下面以一阶高斯导数为例 进一步讨论有关特性 其他阶导数的分析与之类 似 分析式 2 6 可知 p 7 f 峰值位于f c t 2 石 为了使其峰值为 4 可在 p f 的表达式中添加乘积系数口石 2 则p f 修正为 p f M 石尹t 一万t 2 仁9 2 万 2 万 0 令 2 专 则 p 缸 A 石t c x r g 一寿 亿 在t 0 时 P f A p 习惯上 将正 负峰值之间的宽度2 f 定义为一阶 高斯脉冲的脉冲宽度 从上述数学分析中可以得出 由高斯导函数产生的脉冲没有直流分量 在实 际脉冲发生器中 最易产生的脉冲波形是钟形 而高斯脉冲波形恰好类似于钟形 并且它的各次微分具有很简单的形式 因此高斯脉冲比较容易发生 并且满足有 效辐射标准 在中心频率较低的条件下 可用于产生U W B 信号 高斯脉冲通过改变脉冲成形因子口可以改变波形 进而获得丰富的频谱 下面我们再分析一下高斯脉冲的频谱特性 由傅氏变换 可得基本高斯脉冲 的频谱为 M A p 疆口 e x p 一等 2 1 1 则k 阶高斯脉冲的频谱为 砸M 以芳唧 一譬如 2 1 2 高斯脉冲拥有极宽频谱宽度 符合U W B 系统对脉冲频谱宽度的要求 从频谱 的数学表达式 2 1 2 可看出 它也类似于钟形 并且随着导函数增加 频谱向频率 高端移动 所以可用不同阶数高斯脉冲组合产生符合F C C 辐射的标准脉冲 A F 咖I F 气f 刈 A p 隽e X p 一警 貂 咖 时 可求得幅度谱 峰值对应的频率 即峰值频率 国4 k 2 亍 to 幼a 4 x 2 1 3 式 2 1 3 表明 当脉冲成形因子岱一定时 k 阶高斯脉冲的峰值频率随着k 的 增大而提高 于是 通过对脉冲成形因子口和阶数的控制 可以设计出具有不同 频谱特性的高斯脉冲 随着导函数的阶数升高 脉冲能量谱密度将向频率高端移 动 高斯脉冲可以满足U W B 系统对传输信号不同频谱特性的要求 口 0 7 1 4 n s 时 幅度归一化后的高斯脉冲和它的1 5 阶导函数的输出波形如图 2 1 所示 田田田田 田函田匝 田田田田 图2 2 高斯脉冲和它的前1 5 阶导函数波形 F i 9 2 2W a v e f o r mo f t h eG a u s s i a np u l s ea n di t sf a s t1 5d e r i v a t i v e s 图2 3 给出了前1 5 阶高斯脉冲的能量谱密度曲线 1 2 1 O 一 1 O 一 O 一 口了 ld E 臼 野一雳 固一 雳罔圈 O1 5 x1 0 图2 3 前1 5 阶高斯脉冲的的E S D F i 9 2 3P S Do f t h ef a s t1 5d e r i v a t i v e so f t h eG a u s s i a np u l s e 图2 3 所示的仿真结果说明了随着着导函数阶数的升高 高斯脉冲能量谱密度 将向高频移动 综上所述 通过改变成形因子口可控制高斯脉冲的带宽 可以满足U W B 系统 对传输信号带宽的不同要求 增加高斯脉冲导函数阶数可提高脉冲峰值频率 其 能量谱密度也随着向频率高端移动 F C C 对U W B 室内辐射极限部分频率段功率 谱密度限制较低 由于高斯脉冲具有上述特性 可使用不同导函数和不同脉冲宽 度的组合来逼近这个标准 由此可提高传送信号的频谱利用率 例如 在1 G H z 2 G H z 频率段用低阶导函数和较窄脉冲组合 在高频率段 使用高阶导函数的不同 组合来逼近F C C 的规定 2 1 2D S U 船原理 在分析D S U W B 原理之前 我们先给出D S U W B 发射机结构 川 如图2 4 所示 o 莉 删 心 舢 删 搴 锄 棚 棚 至 E鬯一 譬毒nbekt鐾5t 图2 4 D S U W B 发射机结构 F i 9 2 4D S U W Bt r a n s m i t t e ra r c h i t e c t u r e s f 设所需传送的二进制信息比特序列为 4 d o d 畋 e e 0 9 喀 4 1 速 率为局 1 乃 在D S U W B 系统中为了提高通信可靠性 首先通过重复编码器 每个比特喀重复N 次 得到序列 彤 发送编码器的任务是完成直接序列相位编 码 即B P S K 调制 用伪随机码发生器产生的伪随机P N 序列 掣 对 彰 进行模2 加 产生己调扩频符号序列 五 彰 爿 即脉冲相位调制 其中伪随机码序列 掣 2 P Y 牟 p y l 掣 爿 牟 1 速率为邱 局 乃 周期为N 在完成了直接序列相位调制的过程之后 脉冲形成器根据序列 五 产 生具有正负极性的脉冲序列 最终形成D S U W B 信号 D S U W B 时域表达式如下 O O s f p t i T d