CN108900211A - 一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法，包括以下步骤：步骤S1：对干扰信号进行估计，获取干扰信号的频段；步骤S2：根据干扰信号的频段进行相关接收机模板设计；步骤S3：发射超宽带有用信号，在相关接收机侧采用步骤S2设计好的模板对接收信号进行相关；步骤S4：对步骤S3的相关结果进行抽样判决，得到相应的输出信号序列。本发明能够有效抑制干扰。

Description

一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的 方法

技术领域

本发明涉及宽带无线通信领域，特别是一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法。

背景技术

超宽带(Ultra Wideband，简称UWB)无线通信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，短距离通信有很高的***吞吐量。由于UWB基本覆盖了现行各种通信***的频段,需与许多现有的通信***共存，例如，与在5Ghz工作的IEEE 802.11a无线局域网共存。因此美国FCC专门规定了UWB的发射功率谱密度最高限制，来减少UWB对共享的通信***的干扰，但是UWB也受到各种通信***的干扰和威胁，特别是当这些干扰源的辐射功率远大于UWB信号功率时，UWB收到干扰严重，因此干扰抑制对UWB通信***是必不可少的。

考虑到超宽带脉冲无线电信号的超带宽对数模转换的压力，高速传输时可使用模拟传输及相关接收机相关检测。因此，如果能够相关接收机模板设计直接抑制外来干扰的影响对超宽带通信***将十分有益。

现有文献技术中的超宽带消除或抑制干扰算法一般需要数模转换及复杂的数字信号处理，数模转换难度大且处理需一定的时延，相比之下，采用模拟相关接收机模板设计来抑制干扰具有较低的处理时延，更有利于低成本超宽带信号的高速传输。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法，能够有效抑制干扰。

本发明采用以下方案实现：一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：对干扰信号进行估计，获取干扰信号的频段；

步骤S2：根据干扰信号的频段进行相关接收机模板设计；

步骤S3：发射超宽带有用信号，在相关接收机侧采用步骤S2设计好的模板对接收信号进行相关；

步骤S4：对步骤S3的相关结果进行抽样判决，得到相应的输出信号序列。

进一步地，步骤S1中，采用扫频仪或者信号功率谱对干扰信号进行估计。

进一步地，步骤S2中采用窗函数或者滤波器来设计相关接收机模板。

进一步地，步骤S2采用窗函数，针对干扰信号的频段调整窗函数的衰减频段。

进一步地，所述窗函数为矩形窗函数，具体包括以下步骤：

步骤S21：将相关窗函数的模板波形设计为：

g(t)＝p(t)*h(t)；

式中，*代表卷积，p(t)表示超宽带脉冲，h(t)是设计的窗函数，主要功能是让g(t)的频谱在干扰存在的部分衰减，相应的功率谱密度为：

S_g(f)＝S_p(f)|H(f)|²；

式中，S_g(f)为g(t)的频谱密度，S_p(f)为p(t)的频谱密度，H(f)为h(t)的频谱密度；

步骤S22：将矩形窗安排在干扰信号所在频段进行衰减,设

式中，令α为衰减，并且0≤α≤1，f₁与f_M分别为干扰频段区间的两个端点；

步骤S23：得到相应的干扰方差E(I²)以及相应的信号噪声干扰比SNIRγ'；

其中，根据中值定理，相应的干扰方差为：

式中，f^*∈[f₁,f_M]，f^*表示由中值定理得到的频率区间[f₁,f_M中的某一频率点，S_p(f^*)表示超宽带脉冲在f^*的频谱密度，S_i(f)表示干扰信号的频谱密度，R_i(0)表示干扰信号在时间差为0时的自相关函数，α为衰减因子；

相应的信号噪声干扰比SNIRγ'为：

式中，E(N²)为AWGN噪声的均方差，s²为信号能量，τ'为自相关函数的时间差，N₀为高斯白噪声功率谱密度的两倍，R_g(0)为相关接收机设计模板波形g(t)在时间差为0时的自相关函数，R_p(τ')为实偶函数，表示超宽带脉冲无线电信号在时间差为τ'时的自相关函数；

步骤S24：令衰减因子满足以下条件：

进一步地，所述窗函数为汉宁窗函数。

进一步地，步骤S3中，所述超宽带有用信号由信号源输出的比特流调制后在AWGN信道上传输。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明适用于干扰环境下超宽带脉冲无线电告诉传输，能够有效抑制干扰。

2、本发明的实现过程方便、快捷并且成本低。

3、本发明无数模转换，具有较短的处理时延。

4、本发明对抑制宽带与窄带干扰均有效。

5、本发明可以在无需获知干扰的幅值及相位的情况下实现。

附图说明

图1为本发明实施例所采用的超宽带脉冲无线电通信***模型示意图。

图2为本发明实施例采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的***架构示意图。

图3为本发明实施例相关接收机输出受干扰信号影响的曲线。其中，图3(a)为相关接收机输出与不同干扰信号频率f₁的关系曲线；图3(b)为相关接收机输出与不同干扰信号幅值a1的关系曲线。

图4为本发明实施例中超宽带脉冲以及对应的相关接收机的输出波形。其中，图4(a)为未受到干扰的超宽带脉冲；图4(b)为图4(a)相应的相关接收机(模板为p(t))输出波形；图4(c)为受到干扰破坏的超宽带脉冲；图4(d)为与图4(c)对应的相关接收机(模板为p(t))输出波形；图4(e)为分别采用汉宁窗及矩形窗设计的相关接收机模板波形，图4(f)为受到干扰破坏的超宽带脉冲与分别采用汉宁窗及矩形窗设计模板的相关接收机输出波形。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例提供了一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：对干扰信号进行估计，获取干扰信号的频段；

步骤S2：根据干扰信号的频段进行相关接收机模板设计；

步骤S3：发射超宽带有用信号，在相关接收机侧采用步骤S2设计好的模板对接收信号进行相关；

步骤S4：对步骤S3的相关结果进行抽样判决，得到相应的输出信号序列。

在本实施例中，步骤S1中，采用扫频仪或者信号功率谱对干扰信号进行估计。

在本实施例中，步骤S2中采用窗函数或者滤波器来设计相关接收机模板。

在本实施例中，步骤S2采用窗函数，针对干扰信号的频段调整窗函数的衰减频段。

在本实施例中，所述窗函数为矩形窗函数，具体包括以下步骤：

步骤S21：将相关窗函数的模板波形设计为：

g(t)＝p(t)*h(t)；

式中，*代表卷积，p(t)表示超宽带脉冲，h(t)是设计的窗函数，主要功能是让g(t)的频谱在干扰存在的部分衰减，相应的功率谱密度为：

S_g(f)＝S_p(f)|H(f)|²；

式中，S_g(f)为g(t)的频谱密度，S_p(f)为p(t)的频谱密度，H(f)为h(t)的频谱密度；

步骤S22：将矩形窗安排在干扰信号所在频段进行衰减,设

式中，令α为衰减，并且0≤α≤1，f₁与f_M分别为干扰频段区间的两个端点；

步骤S23：得到相应的干扰方差E(I²)以及相应的信号噪声干扰比SNIRγ'；

其中，根据中值定理，相应的干扰方差为：

式中，f^*∈[f₁,f_M]，f^*表示由中值定理得到的频率区间[f₁,f_M中的某一频率点，S_p(f^*)表示超宽带脉冲在f*的频谱密度，S_i(f)表示干扰信号的频谱密度，R_i(0)表示干扰信号在时间差为0时的自相关函数，α为衰减因子；

相应的信号噪声干扰比SNIRγ'为：

式中，E(N²)为AWGN噪声的均方差，s²为信号能量，τ'为自相关函数的时间差，N₀为高斯白噪声功率谱密度的两倍，R_g(0)为相关接收机设计模板波形g(t)在时间差为0时的自相关函数，R_p(τ')为实偶函数，表示超宽带脉冲无线电信号在时间差为τ'时的自相关函数。

步骤S24：令衰减因子满足以下条件：

在本实施例中，所述窗函数还可以为汉宁窗函数。

在本实施例中，步骤S3中，所述超宽带有用信号由信号源输出的比特流调制后在AWGN信道上传输。

特别的，为了更好地对本发明进行说明，本实施例所采用的超宽带脉冲无线电通信***模型如图1所示。超宽带脉冲由信号源输出的比特流调制后在AWGN信道上传输。在传输过程中，脉冲被干扰破坏。在接收机端，超宽带脉冲经解调后抽样判决输出数据。

其中，超宽带脉冲采用高斯单脉冲模型：

式中，A为常数集，符合FCC(美国联邦通讯委员会Federal CommunicationsCommission)对超宽带信号的要求，选择中心频率为f_c＝6.85GHz。为分析简洁，UWB脉冲模型的规格化如下：令并定义：

p(t)是高斯脉冲的一阶导数。

其中，干扰模型采用M个覆盖频段[f₁,f_M]，f₁＜f₂＜…＜f_M的正弦波之和，表示如下：

式中，a_m,f_m,分别代表第m个正弦波的幅值、频率和相位。

在本实施中，图1接收到的信号由三部分构成：经数据调整的超宽带脉冲序列，干扰及AWGN噪声，可以表达为：

式中，数据比特流d_k∈{+1,-1}等概率取值，n(t)是AWGN噪声，p(t)代表超宽带脉冲，i(t)代表干扰，T_u是超宽带脉冲的重复周期；

超宽带脉冲的解调器采用相关接收机。传统的相关接收机模板与超宽带信号发射波形相同，即为p(t)。接收端同步完成后，相关接收机输出波形β可以表示为：

将等式右侧三项分别表示为s,I和N。信号能量s²＝d_k ²R_p ²(0)＝R_p ²(0),其中AWGN噪声的均方差为：

干扰的均方差为：

式中，τ′＝t₁-t₂,R_i(τ)＝E[i(t)i(t+τ)],S_i(f)和S_p(f)分别是干扰i(t)和超宽带脉冲p(t)的频谱密度。注意R_p(τ)是实偶函数。干扰i(t)覆盖的频谱范围表示为[f₁,f_M]。因S_p(f)非常宽且平滑，根据中值定理可得：

式中，f^*∈[f₁,f_M]，此时信号噪声干扰比SNIRγ为：

显然超宽带通信***性能因为干扰信号的存在而显著降低。

较佳的，本实施例接下来分析干扰信号对超宽带***相关接收机输出的影响。

考虑干扰模型M＝1的情况，则相关器的输出为：

相应的输出判决准则为：

其中，σ为预先设定的判决阈值。对于AWGN信道及双向调制，σ＝0。

当干扰功率增大到一定的阈值，上述相关器输出中干扰项将抵消其它项甚至改变相关接收器输出y的正负，导致判决出错。不失一般性，考虑传输数据d_k＝0的情况，要正确解调，相关接收机输出应为正。图3(a)展示了相关接收机输出与不同干扰信号频率f₁的关系曲线，每根曲线具有不同的干扰信号幅值a₁。方便起见，假设且忽略高斯白噪声AWGN的影响。由图可见干扰信号频率越接近超宽带脉冲的中心频率，干扰功率令判决出错的阈值就越低，即越容易令判决出错。另外，每个曲线与y＝0线相交于两点对应的干扰频率分别记为f_α和f_β，f_α≤f_c≤f_β，这意味着频率为f_α的干扰信号与频率为f_β的干扰信号具有相同的令判决出错功率阈值，可将两者称为对偶干扰信号。例如,幅值a₁＝0.15的曲线与y＝0直线相交于两点f_α＝4(GHz)及f_β＝10.3(GHz)。图3(b)展示了相关接收机输出与不同干扰信号幅值a₁的关系曲线，每根曲线具有不同的干扰信号频率f₁(GHz)。频率为f_α(≤f_c)的曲线显示在图的左侧，而其对偶频率f_β(≥f_c)的曲线对称展示在右侧。

可以预计，当M＞1，即由多正弦波构成的干扰信号，对超宽带接收机的输出有类似的影响特性。只要干扰信号功率超过可令后续判决出错的阈值功率，错误就会发生。因此，对于受到干扰的超宽带通信***，干扰抑制是必不可少的。

在本实施例中，相关接收机模板的波形可专门设计以抑制其他进入超宽带频带的无线电干扰。鉴于相关接收机模板设计可以在线下进行，可采用数字信号处理(如窗函数或滤波器)。

由此，相关接收机的模板波形可设计为：

g(t)＝p(t)*h(t)；

式中，*代表卷积，h(t)是设计的窗函数，主要功能是让g(t)的频谱在干扰存在的部分衰减，相应的功率谱密度为：

S_g(f)＝S_p(f)|H(f)|²；

本实施例先采用矩形窗函数h(t)，即：

式中，α为衰减且0≤α≤1，即矩形窗安排在干扰信号所在频段进行衰减。

相应的干扰i(t)方差为：

式中，f^*∈[f₁,f_M]。

相应的信号噪声干扰比SNIRγ'为：

式中，

虽然因为模板设计会损失一些信号能量s²,但只要衰减因子α足够大,可以令_γ′比γ大得多。要得到***性能改善，即γ′＞γ,α必须满足：

令α＝0，则信号噪声干扰比SNIR_γ′为：

通过这种方式，干扰信号可以被相关接收机模板设计有效抑制，***性能可以得到很大提升，而无需获知干扰的相位或幅值。

以上为说明方便采用矩形窗函数。要使频谱更光滑并降低旁瓣，可采用其他窗函数如汉宁(Hanning)窗函数。***性能的改善在仿真中也得到验证。

本实施例采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的***架构图详见图2所示。在超宽带UWB解调模块使用相关接收机对接收信号进行相关，然后抽样判决输出相应的信号序列。相关接收机模板可以根据干扰信号估计的情况进行设计，采用矩形窗函数或汉宁窗函数等。干扰信号估计可以使用扫频仪等设备，或者采用信号功率谱估计如AR模型功率谱估计法结合Levinson-Durbin等算法，只需获知干扰信号的频段即可。模板设计将针对这些干扰频段进行。在接收端的具体步骤如上文所述。

特别的，在本实施例中，若干扰信号频率发生随机变化，则相关接收机模板设计还可进一步根据干扰信号频段动态调整而成为自适应模板设计。干扰信号的随机频段由自适应功率谱估计给出,相关接收机根据干扰情况实时进行模板设计与调整,最终实现UWB接收机对随机干扰的有效抑制。

具体的，在本实施例中，假设超宽带脉冲(脉冲速率每秒2×10⁷个脉冲)被一个BPSK调制的干扰信号破坏，该干扰信号表示为：

式中，干扰信号幅值A＝0.3,载波频率f_i＝5.5GHz,且载波相位干扰信号数据s(t)∈{+1,-1}取等概且数据速率为1×10⁷bits/s。

忽略AWGN噪声的影响。未受干扰影响的超宽带脉冲信号及相关接收机输出波形p(t)分别详见图4(a)和(b)。被干扰破坏的超宽带信号详见图4(c)。因为干扰信号的幅值比超宽带脉冲无线电信号大得多，超宽带脉冲信号被淹没，而BPSK调制的干扰信号只受到微小影响。受干扰破坏的接收到的超宽带信号与相关接收机模板信号p(t)相似度很低，相关性很差，相应的相关接收机输出信号详见图4(d)。这时候接收信号与相关接收机模板信号的互相关系数(归一化)为ρ_si＝-0.18。针对干扰在[5GHz 6GHz]频段采用窗函数方法(矩形窗及汉宁窗)设计的相关接收机模板波形详见图4(e)。采用专门设计的相关接收机模板后，可以看到相关接收机输出中干扰被极大抑制，详见图4(f)。干扰情况下使用矩形窗和汉宁窗设计模板的相关接收机输出(如图4(f)所示)与无干扰情况下相关接收机输出波形(如图4(b)所示)的互相关系数分别为ρ_rec＝0.93和ρ_han＝0.97。正如所预料的采用汉宁窗的结果比采用矩形窗更好。这样，超宽带通信***的性能可以得到极大的提升。

另一个实施例是超宽带脉冲被来自5.15GHz—5.825GHz的WLAN信号干扰，作为宽带干扰的例子，采用图4(e)所示的相关接收机模板，相关接收机输出结果与图4(f)所示几乎相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：对干扰信号进行估计，获取干扰信号的频段；

步骤S2：根据干扰信号的频段进行相关接收机模板设计；

步骤S3：发射超宽带有用信号，在相关接收机侧采用步骤S2设计好的模板对接收信号进行相关；

步骤S4：对步骤S3的相关结果进行抽样判决，得到相应的输出信号序列。

2.根据权利要求1所述的一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法，其特征在于：步骤S1中，采用扫频仪或者信号功率谱对干扰信号进行估计。

3.根据权利要求1所述的一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法，其特征在于：步骤S2中采用窗函数或者滤波器来设计相关接收机模板。

4.根据权利要求3所述的一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法，其特征在于：步骤S2采用窗函数，针对干扰信号的频段调整窗函数的衰减频段。

5.根据权利要求4所述的一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法，其特征在于：所述窗函数为矩形窗函数，具体包括以下步骤：

步骤S21：将相关窗函数的模板波形设计为：

g(t)＝p(t)*h(t)；

式中，*代表卷积，p(t)表示超宽带脉冲，h(t)是设计的窗函数，主要功能是让g(t)的频谱在干扰存在的部分衰减，相应的功率谱密度为：

S_g(f)＝S_p(f)|H(f)|²；

式中，S_g(f)为g(t)的频谱密度，S_p(f)为p(t)的频谱密度，H(f)为h(t)的频谱密度；

步骤S22：将矩形窗安排在干扰信号所在频段进行衰减,设

式中，令α为衰减，并且0≤α≤1，f₁与f_M分别为干扰频段区间的两个端点；

步骤S23：得到相应的干扰方差E(I²)以及相应的信号噪声干扰比SNIRγ'；

其中，根据中值定理，相应的干扰方差为：

式中，f^*∈[f₁,f_M]，f^*表示由中值定理得到的频率区间[f₁,f_M]中的某一频率点，S_p(f^*)表示超宽带脉冲在f^*的频谱密度，S_i(f)表示干扰信号的频谱密度，R_i(0)表示干扰信号在时间差为0时的自相关函数，α为衰减因子；

相应的信号噪声干扰比SNIRγ'为：

式中，E(N²)为AWGN噪声的均方差，s²为信号能量，τ'为自相关函数的时间差，N₀为高斯白噪声功率谱密度的两倍，R_g(0)为相关接收机设计模板波形g(t)在时间差为0时的自相关函数，R_p(τ')为实偶函数，表示超宽带脉冲无线电信号在时间差为τ'时的自相关函数；

步骤S24：令衰减因子满足以下条件：

6.根据权利要求4所述的一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法，其特征在于：所述窗函数为汉宁窗函数。

7.根据权利要求1所述的一种采用相关接收机模板设计抑制超宽带脉冲无线电干扰的方法，其特征在于：步骤S3中，所述超宽带有用信号由信号源输出的比特流调制后在AWGN信道上传输。