115338_张钊_超宽带陷波天线设计与仿真_中期报告_1430210967224汇编

1、河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告河北工业大学城市学院 2015 届本科毕业设计（论文）中期报告毕业设计（论文）题目：超宽带陷波天线设计与仿真专业（方向）：通信工程学生信息：学号：115338115338姓名： 张 钊班级：通信 C113C113指导教师信息：姓名：夏克文职称：教授报告提交日期：20142014 年 4 4 月 2525 日内容要求：本课题中期任务主要研究了超宽带（UWB，Ultra Wideband）脉冲设计与窄带干扰抑制等问题。（1） UWB 的干扰来源和对象：由于UWB 脉冲持续时间非常短，其频谱可能宽达数GHz,理论上它对现存所有电子系统都会产生干扰，同时

2、 UWB 系统也将受到来自其它无线通信系统的干扰。总体来说，与UWB 相互干扰的无线系统主要是：地面通信系统（固定点对点系统， 蜂窝通信和广播）；GPS;卫星通信；无线电导航或是探测系统；工作在美国供应管理协会（the Institutefor Supply Management , ISM ）波段系统，比如 802.11a,802.11b，Bluetooth 等；其它业余无线电。这些无线系统相对于UWB 而言，都可以看成是窄带系统。（2）UWB 系统对窄带系统的干扰抑制：超宽带陷波天线常用方案有两个，第一，在天线前端添加具有带阻特性的滤波器；第二，在天线辐射结构中引入辐射单元。本文依据陷波的

3、原理， 设计了 FIR 和 IIR 陷波器，现有的抑制干扰的脉冲成形算法主要是依据特定的脉冲成形算法来产生在某频点或频段上功率值为零的点。在现有脉冲成形算法的基础上，使脉冲通过陷波器来达到在特定频段上陷波的目的，从而使脉冲具有一定的抑制干扰能力。1.1.脉冲波形设计传统采用高斯脉冲、Rayleigh 脉冲、PSWFs 脉冲、小波函数等以及它们的高次阶脉冲，其能量主要集中在某段频谱上，不能充分挖掘UWB 的潜力。新的脉冲波形设计既要符合FCC 的功率限制并尽可能逼进FCC 规定的功率最大限，同时也要考虑到与其它系统的共存问题。文献1提出了采用 Doublet 脉冲的方式来避免对 GPS 等的干扰

4、， 但其脉冲频谱上 的零点不是随意可调的，脉冲频谱零点的宽度也难于控制，因此学者们提出了另外的一些河北工业大学城市学院本科毕业设计(论文)中期报告解决方案， 其中很多思想都与软频谱自适应（SSA）设计方案接近， 即在时域上设计一组脉冲波形，每个脉冲波形能高效率地匹配上目标功率谱形状的一部分，再通过组合脉冲合成河北工业大学城市学院本科毕业设计(论文)中期报告即使将来美国联邦通讯委员会(Federal Communications Commission.也很容易修改设计，同时也提供了动态回避窄带干扰的可能。表示为矩阵形式即为:气1L“0L煜不同的功率谱形状,FCC)更改了谱形,1.11.1 基于特

5、征值分解的UWBUWB 脉冲设计方法假定频率响应为H(f)，所求的脉冲信号呃)持续时间为Tm，它通过频率响应为H(f)的滤波器时要求有最小的失真,即信号 呃)通过滤波器，输出为入们，其中入为衰减系数。叽 t)是时间有限信号2，具有如下形式:“pt七/2t0其他(1-1)其中 p (t)为满足条件的 UWB 信号。滤波器的输出为:QQ- t二-( Th(t - TdoO(1-2)在一定 t = .T；2- (Th(t一Td一Tm/2(1-3)上式的精确解即为熟知的长球面波函数，但得到函数的精确解是很困难的。因此可以使上式Tm抽样 N 次，上式就化为如下形式:N/2n=、m二N/2Im lh In

6、 - mn=-N/2 ,，N/2(1-4)-N一2h0h1Mh-1h-Nh0h-N 1MhjhW一2j- 12M 0M(1-5)ylhNhN -1h0河北工业大学城市学院本科毕业设计(论文)中期报告式(1-5 )可以写为入2=H则可以通过对矩阵 H 的特征值分解求出入和叽根据长球面波函数的特性，特征值对应于特征向量的能量在频谱模板H(f)中所占的比例，换言之，特征值越大，对应的特征向量的能量就越接近H(f)。因此，只有对应于较大特征值的特征向量可用于脉冲设计。此外，H 是一个 Hermitian 阵，它的特征值是实数，特征向量正交，因此可以在UWB 系统中应用多路正交 UWB 脉冲而相互之间不

7、产生干扰。FCC 频谱限制被看成是一个滤波器的频谱特性H ( f)=fd其他fu10其他其中，fd= 3.1GHz;fu= 10.6GHz。令h(t)为H f的傅里叶反变换，入为衰减系数，要产生的 UWB 脉冲波形 s(t)应当满足：冷(t) . (f)h(t - f)df(1-8)为了限制 UWB 脉冲的持续时间，S(t)必须满足：|t|Tm/2 时，S(t)= 0。这里，Tm 为脉冲持续时间。将 Tm 平均分为 N 等分，则式(2)可被离散化为N/2 sn = skh(n -k)(1-9)k=_N/2其中，sn=s(nTm/ N), hn=h(nTm/ N), n=-N/2 , -N/2+

8、 1 ,，N/2。将式(1-9)转换为矩阵形式，得到2Hs(1-10)其中，向量 s s 表示离散化的 UWB 脉冲，其第 k 个元素为 sk-N/2;H 为(N+ 1) (N+ 1)维的矩 阵，其第i 行第 j 列的元素为 hi-j;k , i, j= 0 ,1，N。用 H 的最大特征值对应的特征向量就能生成满足 FCC 限制的 UWB 脉冲。h0h1JhNh1h Nh0 . hN 1MNNhq-1.hMhN-1.h0(1-6)(1-7)河北工业大学城市学院本科毕业设计(论文)中期报告1.21.2 抑制单窄带干扰的 UWBUWB 脉冲下文将基于特征值分解法构造能够抑制单个窄带干扰的UWB 脉

9、冲。假设在 UWB 频带范围内有通信系统，其中心频率为f0，带宽远远小于 UWB 信号带宽。为了使所设计的 UWB 脉冲在满足 FCC 限制的条件下，与这个窄带系统之间的干扰能 够得到有效抑制，一个最佳的方案就是让UWB 脉冲的功率谱在f0处形成零点。在讨论具体方法之前，先给出矩阵H 的几个重要性质。定义 1 如果向量X满足，则称 x 为奇向量；如果向量X满足，则称X为偶向量。这里，X表 示将向量X的元素倒序排列生成的向量。定理 1：H 的所有非零特征值对应的特征向量要么是奇向量要么是偶向量。定理 2： 由 H 的偶特征向量构造的 UWB 脉冲的频谱只有实部；由奇特征向量构造的 UWB 脉冲的

10、频谱只有虚部。另外，采用特征值分解法构造的UWB 脉冲功率谱有快速下降的上下边带2。利用上述性质，就可以构造出满足条件的UWB 脉冲。具体方法如下：1在(fd,fu)的频段范围内划分一个低频段(fd,S2(t)和一个高频段(fd2,0(2 个频段可以有交叠)。以这 2 个频段为基础，根据式(1)(4)构造 2 个矩阵H和。2从H和耳中各选择一个特征向量，使它们具有相同的奇偶性，且对应的特征值尽可能大。再用它们分别构造一个满足 FCC 限制的子脉冲S (t)和S(t)。通过调节参数fd1、fd2和脉冲幅度，使得 2 个子脉冲的频谱0(f)和S2(f)满足S1(f0S2(f0)。图中给出了由 2

11、个偶向量构造的子脉冲频谱。3将这 2 个子脉冲叠加就得到了在f0处功率谱为 0 的 UWB 脉冲。可以通过改变参数fu1、fd2和Tm，调整所得到的 UWB 脉冲在f0附近的干扰抑制能力。做以下几点说明：1由定理 2 可知，具有相同奇偶性向量构造的脉冲频谱要么是实数，要么是虚数，因此，通过适当调整参数能够使S( fo ) = -S2(fo)，保证子脉冲叠加后的频谱在fo处形成零点。2通过大量仿真可知，H2(或H2)的最大 2 个特征值对应的特征向量总是具有不同的河北工业大学城市学院本科毕业设计(论文)中期报告奇偶性。因此，分别从 H,和耳的最大 2 个特征值所对应的特征向量中选出一个向量组成一

12、河北工业大学城市学院本科毕业设计(论文)中期报告对具有相同奇偶性的向量。3因为 S(f)=S2(fo)+S2(f)=0,且在较窄的频带范围内，S和S2(f)的值变化很小，产生 UWB 脉冲的功率谱密度在f0附近几乎等于零。4高频脉冲在低频段的频谱接近于零， 则低频段 UWB 脉冲的频谱S(f)：、S2(f)；同理，在高频段，S(f):S2(f)。因此，只需要让低频脉冲满足FCC 对低频的限制，高频脉冲满足 FCC 对高频的限制就可以使所设计的UWB 脉冲满足 FCC 频谱限制。利用上述方法，设计了一个能够有效抑制f0=6.88GHz 的窄带系统与 UWB 系统之间相互干扰的 UWB 脉冲波 形

13、，如图所示。其中，fu1=7GHz，fd2= 6.88GHz，N= 128，Tm= 1 ns。该脉冲是由H1和H2中具有最大特征值的 2 个奇特征向量构造而成的。由图可知，其功率谱不仅满足 FCC 限制，而且在f0附近的功率谱也被有效抑制了。经计算，在以 6. 88GHz 为中心的 100MHz 带宽内，其功率谱密度的最大值小于 -75 dBm /MHz;在 10 MHz 带宽内，其功率谱密度的最大值小于-96dBm/MHz。文献3给出了在给定频率点实现陷波的算法，以PSWFs 脉冲为例，简述如下：(1 )将整个频带划分为两个子带(a，fH1)和(fL2,b)，且fH1(t)，两个脉冲 的奇偶

14、性必须相同，所选的脉冲对应的特征值尽可能大。(3) 将Sjt)、S2(t)相加得到S(t) = s(t) S2(t)，S(t)的频谱S(f)二S1(f) S2(f)即 能实现在指定频率点f。的陷波。若将整个频带划分为多个子带，按照同样的步骤即可实现多点陷波。抑制单点窄带干扰算法仿真：将(3.1-10.6GHZ )的频段划分成(3.1-6.88GHZ )、( 6.88-10.6GHz )两个频段，分别求 每一频段内的脉冲响应，然后将两个脉冲叠加。仿真条件为n=1ns， N=128，如图:河北工业大学城市学院本科毕业设计(论文)中期报告(c)叠加后的脉冲波形(d)该频段的功率谱密度1.31.3 抑

15、制多窄带干扰的 UWBUWB 脉冲假设在 UWB 带宽内有 N 个窄带系统，把 UWB 带宽分成了 N+ 1 个子带(频率间隔较近 的窄带系统可看作是同一个窄带系统)。首先，利用特征值分解构造出满足 FCC 限制的 N+ 1 个子脉冲，然后调整各子带的频率范围和脉冲幅度等参数，使其在频域上相邻子脉冲的频谱在各窄带系统的中心频率处大小相等，符号相反。图中给出了一个能够抑制中心频率为5.6 GHz 和 8.1GHz 的窄带系统与 UWB系统之间相互干扰的 UWB 脉冲波形和功率谱密度，其中， N= 128，Tm=1 ns。它是由 3 个 奇特征向量构造而成的。3 个子带的频率范围依次为：(3. 1

16、 GHz， 5. 9 GHz)，(5. 3GHz，8.4GHz)和(7.8GHz，10.6GHz)。由图可知，该脉冲的功率谱在5.6 GHz 和 8. 1GHz 附近被有效地抑制了。将(3.1-10.6GHZ )的频段划分成(3.1-5.9GHZ )、( 5.3-8.4GHZ )、( 7.8-10.6GHz )三个频段，分别求每一频段内的脉冲响应，然后将三个脉冲叠加。仿真条件为=1ns, N=128，如oo1X(a)10-o1X1111st/n图 1.(a)3.16.88GHz 的脉冲响应(b)6.8810.6GHz 的脉冲响应艺apn七豆Esmpw_dEsmpa(ZH乏rlumPMl一cnu

17、ap -E芯ads河北工业大学城市学院本科毕业设计(论文)中期报告图:河北工业大学城市学院本科毕业设计(论文)中期报告0.23vpw_dEwap=一一dEJI oo 143-sa一一dE5t/s (cj-10 x 10图 2. (a)3.15.9GHz 的脉冲响应5 .2- o.一1o.o-Jt/s0 6t/s (d)15 0 50-O. wcupnl一一duu11ii-I*1 J.di14IIi-F !A A 4 411i11j511015f/GHz图 3该频段的功率谱密度河北工业大学城市学院本科毕业设计(论文)中期报告总结：利用以上的方法设计的UWB 脉冲不仅具有很短的持续时间，而且能够在

18、满足FCC 频谱限制的基础上，有效地抑制 UWB 系统与多个窄带系统之间的干扰。特别是由于此方法主要抑制窄带系统频段附近的UWB 脉冲功率谱，而不需要在整个频段范围内降低其功率谱，这意味着可使所产生的UWB 脉冲的功率谱在各个窄带系统的工作频段范围内满足FCC 限制(甚至更低)，而在其他频段高于 FCC 划定的上界，从而提高 UWB 系统的发射功率，突破 UWB 系统的短距离限制。参考文献：1 Foerster,J.R .In terfere nee modeli ng of pulse-based UWB waveforms on n arrow band systemsJ,VTC Spri ng.14(10),1931-1935,.2 Parr B,Cho B,Wallace K,et al.A novel ultra-wideba nd pulse design algorithm. CommunicationsLetters IEEE, 2003, 7(5):219 - 221.3 LUO Zhe ndong, GAO Ho ng , LIU Yua nan. A new UWB pulse desig n method for n arrowba