（通信与信息系统专业论文）基于chirp函数的超宽带系统干扰抑制设计与研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 自从f c c 于2 0 0 2 年批准超宽带( u w b ) 可以民用以来，超宽带技术引起了人 们越来越多的关注。超宽带技术具有传输功率低，低复杂度、低成本，抗干扰能 力强及多径分辨率高等优点，被认为是下一代无线个人局域网物理层的标准。超 宽带系统的干扰抑制问题一直以来都是研究的热点，本文的主要工作就是利用 u w b 系统、c h i r p 霞i 数以及j 下交互补码的特点，设计基于互补码的c h i r p 认知超宽带 系统，提高系统的抗窄带干扰与多址干扰的能力。 本文主要针对直接序列扩频超宽带系统展开理论分析和仿真，关于超宽带技 术基本理论的介绍主要包括以下几个方面：首先阐述了超宽带的定义、特点及应 用价值，分析了超宽带常用的高斯窄脉冲的时频特性及其各种参数对脉冲时频特 性的影响。随后，我们还给出了超宽带系统常用的调制和多址方案，推导了多用 户直扩超宽带系统的误码率。最后，论文还简单介绍了超宽带系统室内传播环境 的信道特征和i e e e 给出的标准超宽带信道模型。 u w b 信号极宽的带宽决定了其频谱不可避免的和已有的窄带通信系统在频域 上重叠，本文通过对c h 卸脉冲波形的设计来改变其频域特性，解决超宽带系统和 窄带系统共存的问题。论文首先研究了窄带信号的模型和c h i r p 脉冲的相关基础理 论，然后基于反三角函数和反双曲函数，针对超宽带( u w b ) 系统提出了两种新 型的可抑制窄带干扰( n b i ) 的非线性c h i r p 波形。最后通过仿真结果验证了采用 这两种c h i r p 脉冲进行传输的超宽带系统在抑制窄带干扰方面的性能有了显著提 高。在产生c h i r p 脉冲之前，需要首先通过频谱感知技术得到窄带系统的频域参数， 从而得到自适应c h i r p 脉冲的时域波形。由于c h i r p 波形固有的时域和频域的对应关 系，这两种脉冲均只需要时域处理即可改变频域特性。 除了窄带干扰的影响，多址干扰和多径传输引起的符号间干扰还会导致多用 户认知u w b 系统容量和频谱效率的下降。本文按序列相关函数特性的不同，分别 对互补码、完全互补码及正交互补码给出了定义。随后，详细介绍了串行互补码 多址方式扩频和解扩的原理，并在用该方案实现的c d m a 系统中仿真验证了正交 互补码抗多址和多径干扰的能力。最后，将具有理想自相关和互相关特性的正交 山东大学硕士学位论文 互补码应用到超宽带系统中，通过抗窄带干扰的c h i r p 脉冲携带信息，改善超宽带 系统在多址干扰和窄带干扰环境下的误码性能。仿真结果表明，在理想情况下， 采用正交互补码的多用户超宽带系统不受多址干扰的影响，使用c h i r p 脉冲还可以 实现系统同时对多址和窄带干扰的抑制。本文在最后一章总结了论文的工作并对 未来可继续研究的内容进行了展望。 关键字：超宽带，c h i r p 波形，窄带干扰，正交互补码 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) h a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r sa f t e r i tw a so p e n e dt oc i v i l i a nu s eb yf c ci n2 0 0 2 t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sl o wp o w e r , l o wc o s t , i n t e r f e r e n c ea n dm u l t i p a t hi m m u n i t y , e t c ，l e a du wt e c h n o l o g ya l le x c e l l e n t c a n d i d a t ef o ri n d o o rh i 曲d a t ar a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s h i s t o r i c a l l y , n b i m i t i g a t i o nt e c h n i q u e sh a sb e e nah o tr e s e a r c hp o i n ti nu w bt e c h n o l o g yf i e l d , s ow e m a i n l yf o c u so nt h ef e a t u r e s o fu w bs y s t e m , c h i r pf u n c t i o na n do r t h o g o n a l c o m p l e m e n t a r yc o d e s ( o c c ) i nt h i sp a p e r w ed e s i g nc h i r pc o g n i t i v er a d i ou w b s y s t e mb a s e do no c c i n t h i st h e s i s ，s oa st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm u l t i - u s e r u w bs y s t e mi nn a r r o w b a n de n v i r o n m e n t m o s to ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sc e n t e r e do nd i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u mu w bs y s t e m t h eb a s i cp r i n c i p l e so fu w bs y s t e m sa l ed i s c u s s e da s f o l l o w s ：f i r s t l y , w ee x p a t i a t eo nt h ed e f i n i t i o n , f e a t u r e sa n da p p l i c a t i o nv a l u e so fu w b t h e o l o g y a tt h es a m et i m e ，t h ei m p a c t so fd i f f e r e n tp u l s ef a c t o r so nt h et i m ef r e q u e n c y c h a r a c t e ro fg a u s s i a np u l s e sa r ea l s oa n a l y z e d t h e n ， s i g n a l m o d u l a t i o na n d m u l t i - a c c e s sm e t h o d sa r ec a r e f u l l ys t u d i e d , a n db e ro fm u l t i - u s e rd s - u w bs y s t e mi s a l s od e d u c e dc a r e f u l l y f i n a l l y , w eb r i e f l yd e s c r i b et h em o d e l i n go fu l t r a - w i d e b a n d i n d o o rw i r e l e s sp r o p a g a t i o nc h a n n e l sa n ds t a n d a r dc h a n n e lm o d e lp r o v i d e db yi e e e t h eh u g eb a n d 谢d t ho fu w bs i g n a l sf o r c e su w bt oc o e x i s t 、析t l ls o m ee x i s t e d n a r r o w b a n ds y s t e m s w eg oi n t ot r a d i t i o n a lc h i r pw a v e f o r m sa n dd i f f e r e n tn b im o d e l s d e p e n d i n go ni t st y p e s a n dt h e n , i no r d e rt oa l l e v i a t en a r r o w b a n di n t e r f e r e n c et ou w b s y s t e m s ，d e s i g nt w on o v e ln o n l i n e a rc h i r pf u n c t i o n s ，a r ct r i g o n o m e t r i cf u n c t i o na n d a r ch y p e r b o l i cf u n c t i o n , t oc o n s t r u c tu l t r aw i d e b a n dp u l s e sa n da l l e v i a t en a r r o w b a n d i n t e r f e r e n c e ( n b i ) s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tu w bs y s t e m sc o m p o s e do ft h e n e wp u l s e sh a v es i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c ei ns u p p r e s s i n gt h en b i t h ea d a p t i v ec h i r p w a v e f o r m sg e n e r a t o rh a st of i r s tg e tt h es p e c t r ap a r a m e t e r so fn b it h r o u g hs p e c t r u m s e n s i n gt e c h n o l o g i e si nc o g n i t i v er a d i o ，s oa st og e tt h e i re x p r e s s i o ni nt i m ed o m a i n b o t ho ft h e mr e q u i r eo n l yt i m ed o m a i np r o c e s s i n gf o rt h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f t h e s ec h i r pw a v e f o r m s b e s i d e st h en b i s ，m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e ( n i l ) a n dm u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e 3 山东大学硕士学位论文 ) a l s ol i m i t st h ec a p a c i t ya n dt h es p e c t r u me f f i c i e n c yo ft h es y s t e m w ef i r s t d e f m et h e c o m p l e m e n t a r yc o d e ，c o m p l e t ec o m p l e m e n t a r y c o d ea n do r t h o g o n a l c o m p l e m e n t a r yc o d ea c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo nt h ec o r r e l a t i o nf u n c t i o no ft h e s e q u e n c e a n dt h e n , t h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fs p r e a d i n ga n dd i s p r e a d i n g i ns e r i a lo c cm u l t i - u s e rs y s t e ma r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l i nt r a d i t i o n a lc d m as y s t e m s ， t h ee x c e l l e n tm u l t i p a t ha n dm a is u p p r e s s i o np e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e do c cs c h e m e i sc o n f i r m e d a tl a s t , w ef a r t h e rs t u d yt h ec o g n i t i v ec h i r pu w bs y s t e mb a s e do n o r t h o g o n a lc o m p l e m e n t a r yc o d ea n da t t e m p tt os u p p r e s sn b i s a n dm a is i m u l t a n e o u s l y s i m u l a t i o nr e s u l t sa l eg i v e nt ov e r i f yt h a tu n d e ri d e a lc o n d i t i o n ，m a ia n dn b i sw i l ln o t b eap r o b l e mi fw eu s ea no r t h o g o n a lc o m p l e m e n t a r yc o d es e ti nt h ep r o p o s e dc o g n i t i v e c h i r pu w bs y s t e m i nt h ef m a lc h a p t e r , t h er e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i sw h i c hh a sb e e n a c c o m p l i s h e di ss u m m a r i z e da n dt h ef u t u r ew o r k i sp r o s p e c t e d k e y w o r d ：u l t r aw i d e b a n d w b ) ；c h i r pw a v e f o r m s ( c w ) ；n a l r o w b a n d i n t e r f e r e n c e ( n b d ；o r t h o g o n a lc o m p l e m e n t a r yc o d e s ( o c c ) 4 山东大学硕士学位论文 1 1 超宽带概述 第一章绪论 无线通信的物理层关键传输技术保证了下一代无线通信的高速率、高质量、 移动性、高兼容性等目标和要求，已经成为当前国际通信领域中的研究热点和主 体。随着通信技术、计算机网络和多媒体技术的发展，人们对短距离、高速率无 线通信业务的需求日益增长。为了构建短距离高速无线网络，无线个域网( w i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k s ，w p 删) 的概念被提出，即在特定的距离内，给便携电子 设备和通信设备之间提供高速率的数据连接。作为无线个域网中的一项关键技术 与研究领域，超宽带( u 、阳u l t r a w i d e b a n d , i r 、b ) 成为解决高速短距离无线通信 需求和日益拥挤的频谱资源分配之间矛盾的技术手段。 1 1 1 超宽带的定义 2 0 0 2 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 首次批准将u w b 技术用于民用通信， 并规定相对带宽大于0 2 ( 1 0 d b m 处) 或者绝对带宽大于5 0 0 m h z 的信号都属于 超宽带信号【l 】【3 】，即： ff 刀r = 华 o 2 或b 5 0 0 m h z ( 1 - 1 ) ) c 其中，办和石分别为信号功率谱密度衰减1 0 d b 时所对应的上限频率和下限频率， 嘞：7 ；为信号的绝对带宽，饰+ f ) 2 定义为中心频率，如图l - 1 所示。 石五五h z 图1 1u w b 信号和窄带信号的比较 f c c 将3 1 g 一1 0 6 g i - i z 频带向作为室内通信用途的u w b 开放，可见u w b 信 5 山东大学硕士学位论文 号和其它窄带系统在频带内共存，因此f c c 限制其有效各向同性发送功率 ( e f f e c t i v ei s o t r o p i er a d i a t e dp o w e r , e i p r ) 不超过- 4 1 3 d b m m h z ( 功率为l m w m h z ) ，从而把对其它通信系统的干扰限定在可接受的范围内。对于室内和室外通信， f c c 对超宽带手持通信设备发射功率的限制分为室内和室外两种标准。在室外环 境中，u w b 信号更容易和其它窄带通信系统产生干扰，因此f c c 对于u w b 室外 应用的功率限制更加严格，如图1 2 所示。f c c 对超宽带的定义和限制是超宽带 技术发展历史上的一个里程碑，国内外的研究人员开始探索超宽带技术在民用通 信领域的应用，大大促进了u w b 技术的发展。 一i n d o o r o u o o r _ j i i 一 o 51 01 5 f r e q u e n c y 【g h z 图1 2f c c 对u w b 系统的频谱模板 表1 1f c c 指定的室内u w b 设备的平均功率极限值 频率( m h z ) e i r p ( d b m ) m 母6 0 - 4 1 3 9 6 0 1 6 1 0 7 5 3 1 6 1 0 1 9 9 0 5 3 3 1 9 9 m 0 1 0 0 5 1 3 3 1 0 0 1 0 6 0 0- 4 1 3 大于1 0 6 0 0 5 1 3 1 1 2 超宽带技术的发展 关于超宽带无线通信的起源最早可追溯到一百多年前的马可尼时代，马可尼 6 0 5 o 5 o 5 o 5 4 r 巧 弓 国 击 刁 刁 j、一怕譬al呵口墨ask一4田暑蚕z1 山东大学硕士学位论文 在1 8 9 7 年实现跨英吉利海峡的无线通信的火花隙( s p a r kg a p ) 脉冲就： 信号的定义。近代意义上的超宽带通信，又称为冲激无线电( i m p d s e 】 技术，即采用时域上纳秒级的窄脉冲实现频谱扩展和数据的传输。2 0 世 g e r a l dr o s s 和h e n n i n gh a r m u t h 深入研究了脉冲传输系统中的主要部1 机的设计方法，为脉冲通信技术的发展做出了巨大的贡献，因此被认多 技术的最早的开拓者。1 9 7 3 年4 月，g e r a l dr o s s 获得了第一个超宽带； 的专利，标志着超宽带技术的发展进入到实际应用的阶段【4 】。2 0 世纪l 美国国防部首次采用了“超宽带”这一概念，并规定信号1 0 d b 处的绝为 1 5 g h z 或相对带宽大于0 2 的信号称为超宽带信号。在很长一段时间内 术的应用一直局限在军事雷达方面。美国南加州大学的r o b e r ts c h o l 亿亳 宽带通信系统多址接入技术的研究【5 】_ 7 】，使超宽带技术不仅能应用于 而且能够支持多用户通信，使超宽带用于民用通信成为可能。2 0 0 2 年，f c q 重新做出定义并颁布了频谱规划，使超宽带技术在全球范围内受到广泛 多研究机构纷纷开始进行超宽带通信相关技术的研究，极大的推动了u 理论研究工作。 f c c 只是从信号带宽的角度定义超宽带，并没有规定超宽带具体的兰 因此u w b 并不局限于脉冲无线电方式，也可以扩展到其他技术。为了推 技术的商业化应用，u w b 技术标准的制定是至关重要的，i e e e 8 0 2 i e e e 8 0 2 1 5 4 a 工作组分别负责高速和低速w p a n 物理层标准的制定 w p a n 标准的制定过程中，由f r e e s c f l e 等公司支持的直接序列扩频超宽 s e q u e n c eu w b ，d s u w b ) 和由i n t e l 、德州仪器等多家大公司支持的多； ( m u l t i b a n do f d m ，m b o f d m ) 两大方案形成了激烈的竞争。两种方案： 有着本质的区别，其中最大的区别就是使用单带还是多带技术。d s - u w i 留了原始u w b 脉冲特性，为单频带方式；m b o f d m 把整个可用频带分j 5 2 8 m h z 的子带，在各子带上通过o f d m 技术实现宽带通信，为多频带： 种方案互不兼容，且都没有到达i e e e 所要求的7 5 的投票率，因此都未f 速u w b 的标准。i e e e 8 0 2 1 5 4 a 工作组在2 0 0 4 年3 月成立，主要任务j u w b 应用制定标准，于2 0 0 5 年1 2 月发布标准草案，选定i r - u w b 和线1 ( c s s ) 作为候选物理层。本文主要研究i r 方式的超宽带，其中抑制u 、 山东大学硕士学位论文 干扰的方法是设计通过对时域特征进行简单灵活的调整即可控制频域特征的c h i r p 脉冲。 1 1 3 超宽带技术的特点和应用 u w b 是一种新兴的短距离无线通信技术，为解决无线频谱资源匮乏的问题提 供了新的思路，和其它常规无线通信系统相比，具有以下特点： 1 ) 频带宽，传输速率高，系统容量大。u w b 采用的窄脉冲在纳秒级，可以 实现几百m h z 到几个g h z 的高速数据传输，大约是蓝牙的一百倍。u w b 系统在 空间容量( 即单位面积信号覆盖区域内系统的吞吐量) 方面也有相当大的优势。 2 ) 低成本、低功耗、安全性好。超宽带技术直接发送窄脉冲传输数据，无需 载波调制，大大降低了系统复杂度，只需要很少的射频器件，成本低廉。且脉冲 的持续时间很短，占空比低( 百分之一左右) ，因此超宽带系统功耗很低。民用 u w b 设备的功率一般是传统移动电话的1 1 0 0 左右，是蓝牙设备的1 2 0 左右。由 于超宽带信号功率谱密度很低，信号被淹没在噪声中，难以被非授权用户检测到， u w b 还具有保密性好，抗截获的优点，能很好的满足系统对安全性方面的要求。 3 ) 多径分辨率高。常规通信系统采用的正弦波信号持续时间远大于多径传播 时延，而窄脉冲经多径传输后各路径的信号发生重叠的可能性很小，在接收端可 以分离出纳秒级的多径信号，方便我们收集各条路径的能量，非常适合室内密集 多径环境下的应用。 4 ) 穿透能力强，定位精确。超宽带信号含有丰富的低频分量，因此具有很强 的穿透能力，可用于医学成像、穿地探测雷达和穿墙探测中。利用超宽带信号进 行定位，在理论上可以达到厘米级的精度，和全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ，g p s ) 相比，u w b 定位更能显示出其优越性，因此在军事和民用定位通信 中具有很大的应用价值。 由于超宽带具有上述诸多特点，因此在军事和民用通信中都具有广阔的应用 前景。早期的超宽带技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一，主要用于 军用雷达、探测地雷、检测地下军事目标等领域。由于超宽带的有效通信范围一 般在1 0 m 以内，在民用通信方面主要用于无线多媒体家庭个域网( 数字电视、p c 机、鼠标、打印机等设备的无线连接) 、公路信息服务系统、智能交通系统、以及 8 山东大学硕士学位论文 移动节点的精确定位和跟踪监视系统。 超宽带技术的应用主要定位在无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ， w l a n ) 和无线个域网上，而l r w b 技术和w l a n w p a n 中常用的其它技术相比 又存在很大的区别。 1 ) 蓝牙b l u e t o o t h ：蓝牙的概念最早由爱立信公司提出，是短距离通信技术中 的一个典型代表，主要用于满足小功耗、低成本的各种通信和信息设备之间近距 离、低速率无线连接的需求。采用无需申请的2 4 g h z 的i s m 频段，使用跳频和时分 多址等技术，速率为1 m b p s ，传输距离为1 0 m 以内。u w b 和蓝牙在有效距离上比较 接近，但是蓝牙在传输速率方面则过于逊色。u w b 更能满足人们对高速率数据传 输的需求，只是蓝牙技术的发展相对更加成熟和完善。 2 ) i e e e 8 0 2 1 l a - 无线局域网8 0 2 1 1 系列协议中最早出台的标准，主要用于 解决小范围内局域网用户终端的无线接入问题。工作在5 g h z 的u n i i 频段，使用 抗干扰能力强且频带利用率高的正交频分复用技术，物理层最大原始数据速率为 5 4 m b p s ，传输层速率为2 5 m b p s ，通信距离可以达到1 0 0 m 。在1 0 m 以内，8 0 2 1l a 的传输速率和u w b 相比相差很多，但是在1 0 m 以上距离的通信中，由于u w b 信号的发射功率受到限制，8 0 2 1 1 a 的优越性就凸现出来。在功耗方面，8 0 2 1 1 a 的功耗相当大。 3 ) h o m e r f 家庭无线射频：h o m e l 玎工作组专门针对家庭无线局域网而开发 出来的无线网络技术，主要目标是降低室内的语音和数据传输的成本。它对w l a n 技术和无绳电话技术进行了适当的结合和简化，借用8 0 2 1 l 规范中支持t c p i p 传输 的协议，使用跳频技术，工作频段为2 4 g h z ，有效范围约5 0 m ，速率为1 m b p s 至 2 m b p s 。和i e e e 8 0 2 1 l a 类似，h o m e r f 的传输距离比u w b 远，但速率太低；u w b 传输距离只有h o m e r f 的五分之一，但速度却是h o m e r f 的成百上千倍。 1 2 本课题研究现状 窄带干扰问题存在于各种宽带无线通信系统中，超宽带系统的显著特点就是 以共享方式使用极宽的频谱，必然会与共享频段内的窄带系统产生相互干扰。如 图1 3 所示，与u w b 相互干扰的无线系统主要有：移动通信系统，g p s ，卫星通信， 无线电导航系统，以及w l a n 、b l u e t o o t h 等工作在i s m 、u i i 波段的系统。相对于 9 山东大学硕士学位论文 u w b 而言，这些无线系统都可以看成是窄带系统。u w b 信号的发送功率极低，表 现出的外部特性类似于白噪声，因此对于其他窄带通信系统而言大多数情况下可 以作为背景白噪声来处理。而窄带信号由于发射功率远高于u w b 信号，对超宽带 系统会产生严重的干扰。如何设计超宽带系统，使其具有更大的频谱灵活性，以 避免与窄带系统问的干扰是一个亟待解决的问题。 u - n i l t o b l u e t o o t h 口n 111 、1 n 、， 8 0 2 1 1 b 驯2 洲l 川。 g p s j 门 一 卜u w b 频谱l 。 图1 3 与u w b 系统共存的无线通信系统 超宽带也可以认为是一种扩频系统，而扩频通信系统中窄带干扰抑制技术的 研究已经有了多年历史，通过在时域或变换域内对信号进行处理有多种抑制方法， 其中时域的算法实时性较差，不适合窄带干扰快速变换的环境，相对来说变换域 方法更有优越性，即在另一种域内将窄带信号和原信号进行分离 9 1 1 1 0 1 。目前关于 窄带干扰( n a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e ，n b i ) 对u w b 系统的影响及抑制方法的研究也 已有了不少成果。文献【1 l 】在多径信道下分析了n b i 对使用r a k e 接收机的t h u w b 系统的影响，提出了三种抑制窄带干扰的方法，并给出了不同类型窄带干扰的模 型，其中带限窄带信号可以近似为一个零均值的高斯随机过程。文献 1 2 】专门分析 了采用o f d m 技术的i e e e8 0 2 1 l a 系统对超宽带系统的干扰，文献【1 3 】还把8 0 2 1 l a 信号分别用o f d m 信号表示和采用高斯近似方法建模时对分析系统误码性能的准 确性进行了对比。文献 1 4 】采用基于最小均方误差的m m s e r a k e 接收机，通过接 收机合并时权值的选取来抑制窄带干扰，算法运算量大，且在接收端抑制窄带干 扰的方法过于被动。s y x l j 将奇异值分解( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，s v d ) 算 法应用到超宽带系统中，早在扩频通信系统中就已经有了对s v d 算法的研究，从 接收信号中分解出干扰空间，减去干扰空间从而完全消除干扰【1 5 】。该方法适用于 1 0 山东大学硕士学位论文 多个窄带干扰存在的情况，且不需提前知道干扰的特征。超宽带系统通过窄脉冲 携带信息，因此可以通过对脉冲时域波形的设计来控制其频域特性，从而避开窄 带干扰存在的频率点，但文献【1 8 】【1 9 】采用的设计方法均缺少灵活性，且不适合多 个占用一定带宽的窄带干扰存在的情况。c h i r p 超宽带采用一种能量在时间和频率 上都均匀分布的扫频脉冲进行扩频，克服了传统窄脉冲峰均功率比高的缺点，且 可以通过直接改变c h i r p 脉冲的时域特性改变其频域特性。c r 技术可以通过频谱感 知，智能的探测到即时可用的本地频谱。新型的低复杂度的基于c h i r p 函数的认知 u w b 波形设计以及其相关窄带干扰抑制能力研究已成为认知超宽带通信系统的研 究热点【1 6 】- 【2 1 】。围绕上述研究成果并针对其中存在的不足，考虑实际u w b 系统 中存在的各种不同类型的窄带干扰，本课题将重点研究具有抗窄带干扰能力的自 适应c h i r p 脉冲波形的设计。 超宽带系统的多址方式有很多种，跳时多址和直接序列扩频多址是最常用的 两种。超宽带技术初期的研究工作一直以跳时( t h ) 多址方案为重点，s c h o l t z 等 最先提出了跳时多址方式并详细分析了脉冲位置调制( p p m ) 系统的工作原理， 他还把所有多用户分量的累加看作是具有均匀功率谱的加性高斯白噪声，从而得 到了多用户跳时超宽带系统的输出信噪比【5 】。文献 2 2 】给出了采用反极性调制 ( b p s k ) 的多用户直接序列扩频( d s s s ) 超宽带的系统模型，深入分析了其发 送和接收原理，得到了系统误码率的表达式，并研究了系统所能支持的用户数上 限。两种多址方案都需要给每个用户分配不同的扩频码序列，都属于码分多址 ( c d m a ) 的范畴，而大量研究结果都表l 调 2 2 1 2 4 1 ，超宽带d s b p s k 方案无论在 可支持的用户数量上还是在系统性能上都明显优于t h p p m 调制方式，因此本课题 的研究将主要针对d s c d m a 方式的超宽带系统展开。 码分多址系统是为每个用户分配各自特定的扩频码，利用扩频码的正交性来 区分用户，因此扩频序列的特性具有决定性的作用。任何一个扩频码集都可以由 集合s e t ( m ，n ，k ) 表示，k 代表集合的大小，即该扩频码集可支持的最大用户数， 每个群( f l o c k ) 内有m 个子码( e l e m e n tc o d e ) ，每个子码的码长为n 。根据子码个 数的不同，扩频序列又可以分为单码( 即m = i ，u n i t a r yc o d e ) 和互补码( 即m i ) 。 传统c d m a 系统中使用的扩频码都属于单码，而单码不可能同时具有理想的自相 关和不相关特性 2 5 】，因此不可能同时消除多径干扰和多址干扰。采用互补码的 山东大学硕士学位论文 c d m a 系统给每一个用户分配一个群( f l o c k ) ，通过群内m 个子码之间的互补关 系来实现理想的自相关和互相关特性。互补码的研究最早始于上g o l a y 和t u r y n 的工作，他们研究了自相关函数在所有的偶数非零位移都为零的二进制互补序列 对 2 6 1 1 2 7 】。之后s u h i r o 等又扩展了偶偏移正交序列的概念，提出了完全互补码 ( c o m p l e t ec o m p l e m e n t a r yc o d e ) 【2 8 2 9 ，它是一组具有理想部分互相关函数的自 互补码集，但是完全互补码要求集合大小k 必须等于子码个数m ，且子码长度n 等于子码个数的平方，即n = k 2 = m 2 。完全互补码的扩频增益( p r o c e s s i n gg a i n , p g ) 为p g = m n 制3 。当p g 一定时，可支持的最大用户数目仅为k = m 。参数之间的这 种约束关系，限制了完全互补码在c d m a 系统中的应用。文献【3 0 】一 3 2 贝j j 考虑更 实际的无线通信场景，通过求解非线性方程组的方法提出了正交互补码( o r 吐l o g o i l a l c o m p l e m e n t a r yc o d e ，o c c ) ，也称为p o c ( p e r f e c to r t h o g o n a lc o m p l e m e n t a r y ) 码， 并得到了只有互补码才能实现理想周期和非周期自相关和互相关函数的结论，这 也正说明了传统单码不能同时实现理想自相关和互相关函数的原因。该方法更多 的考虑了通信系统中的实际问题，比如异步传输、远近效应、多径传输以及突发 型通信等问题，因此它是基于无线通信系统的应用场景来构造的，也可以称为 r e a l ( r e a le n v i r o n m e n ta d a p t a t i o nl i n e a r i z a t i o n ) 方法。o c c 具有和完全互补码一 样理想的相关特性，而且突破了码集合大小和之间的约束关系。在相同的处理增 益下，正交互补码可以支持更多的用户，甚至可以令码长为1 ，则码集合大小最大 等于p g 。目前有关互补码在认知超宽带系统中应用的研究几乎处于空白状态，文 献 3 3 1 仅仅是针对a w g n 信道下采用高斯窄脉冲的互补码d s u w b 系统进行了简 单的理论分析，缺少相应的仿真结果。本课题的另一个重点就是，研究互补码在 多用户超宽带系统中的实现方案，提高超宽带系统抗多址干扰的能力。 1 3 主要研究内容及意义 超宽带传统的实现形式是冲激无线电( i m p u l s er a d i o ，i r ) ，即利用时域上的窄 脉冲来实现频谱的扩展【8 】。跟冲激无线电相比，c h i r p 超宽带( c h i r pu l t r aw i d e b a n d ， c h i r pu w b ) 基于线性调频扩频( c s s ) 技术，采用线性调频信号代替传统的窄脉 冲，更适于中长距离传输【3 4 】【3 5 】。同时c l 却超宽带技术还具有抗干扰能力强、 抗频偏能力强、发射功率低以等优点。致力于低速w p a n 的i e e e8 0 2 1 5 4 工作组， 1 2 山东大学硕士学位论文 在2 0 0 6 年把基于c h i r p 脉冲的超宽带技术列为标准【3 6 】。c h i r p 超宽带已逐渐在商 业上得到应用，德国的n a n o 仃o n 公司已经成功开发出了基于c l l i 叩超宽带技术的 低功耗芯片。一个典型的超宽带系统框图如图1 - 4 所示，其中比较关键的技术包括 脉冲波形设计、和窄带系统的频谱兼容、多址接入、多径环境下u w b 信号的检测 等，它们主要的目的都是为了改善超宽带系统的性能，使超宽带系统更好的与其 它无线系统共存。 图1 - 4 传统取超宽带通信系统框图 u w b 信号与现有的多种窄带通信系统在频带上重叠，如何自适应的抑制随时 可能发生变化的各种干扰信号就成了u w b 系统中不可避免的重要问题。另一方 面，随着人们对无线业务需求量的同益增长，频谱资源的匮乏变得只益显著，但 实际情况下授权频段的使用效率却非常低，为了克服这一问题，认知无线电技术 ( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 被提出。认知无线电技术的核心是通过动态频谱检测技术 来探测频谱空洞，以寻找可以通过自适应地调整相应的系统参数而临时使用的频 段，提高频谱资源的有效利用并减少干扰【3 7 】。因此把c r 技术引入到u w b 系统 中，可以有效地抑制各种干扰，改善频谱共享，对u w b 系统具有重要意义【3 8 】【3 9 】。 为发挥c h i r pu w b 系统以及c r 技术的特点，本文将c r 技术和u w b 系统的c h i r p 脉冲波形设计相结合构造认知c h i r p 超宽带系统，通过c r 进行频谱感知可以避免 与授权窄带用户的干扰，同时可以根据探测结果设计符合干扰抑制与f c c 功率谱 要求的u w b 系统。在对基于c h i r p 函数的各种脉冲深入研究的基础上，本论文提 出了两种具有窄带干扰抑制能力的非线性c h i r p 脉冲，并分析了采用高斯近似方法 对窄带信号建模时对u w b 系统性能的影响，给出了系统误码率的表达式。 1 3 山东大学硕士学位论文 u w b 系统带宽很宽，如何在保证系统性能的同时在同一段频带上传输多个用 户的数据信息，提高频谱利用率，也是u w b 系统中的一项关键技术。c d m a 技 术建立在正交编码、相关接收的理论基础上，运用扩频通信技术解决无线通信的 选址问题。在多径环境中，c d m a 系统会受制于多径干扰，干扰的大小取决于扩 频序列自相关函数的旁瓣。如果扩频序列的互相关函数不为零，c d m a 系统又会 受制于多址干扰。可见扩频序列的相关性直接影响了系统的性能，可用扩频序列 的数目还决定了系统能支持的最大用户数，它们是衡量扩频序列性能的两个重要 标准。选用性能良好的扩频码序列对提高多用户u w b 系统的多址能力至关重要， 传统的d su w b 系统中采用的扩频码都是单码，且为了达到高数据速率，通常使 用短码，码长太短使单码之间的j 下交性更差。正交互补码技术具有理想的相关特 性，应用在码分多址通信系统中，可以同时保证各用户信号和各多径信号之间的 正交，提高系统的性能 4 0 】。本文通过仿真验证了多用户o c c 。c d m a 系统在 a w g n 信道和多径r a y l e i g h 信道下的良好性能，并和采用传统扩频码的c d m a 系 统进行了对比。将正交互补码应用到超宽带系统中，可以在不使用r a k e 接收机的 前提下增强超宽带系统的抗多径干扰能力，且大大降低了多用户系统的多址干扰。 基于对互补码在c d m a 系统中实现方案的研究，本课题将具有抗多径和多址干扰 特点的正交互补码应用到超宽带系统中，主要研究多用户超宽带系统，不考虑超 宽带密集多径环境。 本课题将从整体的观点出发，创新性的将具有理想相关特性的正交互补码应 用到c h i r p 超宽带系统中，通过c d m a 方式来实现多址接入，并结合c h i r p 脉冲 自身的特性，提高多用户c h i r p 超宽带系统在窄带干扰环境下的可靠性和有效性。 结合认知无线电技术，对超宽带系统的通信环境进行频谱感知，由感知结果构建 能自适应抑制窄带干扰的c h i r p 脉冲，从而实现超宽带系统和窄带系统的共存。通 过对正交互补码、认知无线电和c h i r p 超宽带这三项技术的有机融合，最终给出认 知互补码c h i r p 超宽带系统的整体设计方案。 1 4 论文结构安排 本文主要对超宽带系统窄带干扰抑制技术和基于互补码的多址方式进行了研 究，各章节的研究内容安排如下： 1 4 山东大学硕士学位论文 第一章：简单介绍超宽带技术和互补码的特点、发展及应用情况，介绍本文 研究背景、研究意义和主要的研究内容，最后给出了论文的组织结构。 第二章：介绍了u w b 理论基础、常用的窄脉冲信号时域和频域的特点及脉冲 设计的基本准则，分析了多用户直扩超宽带系统的工作原理，并分别在多用户信 号完全同步的理想情况和对多址干扰进行标准高斯近似的情况下推导了系统在 a w g n 信道下的误码率，最后介绍了超宽带室内信道模型。 第三章：介绍了线性和非线性c h i r p 脉冲的相关理论及窄带干扰的模型，通过 非线性c h i r p 脉冲设计实现超宽带系统的抗窄带干扰，通过仿真结果验证了脉冲的 抗窄带干扰能力。 第四章：介绍了互补码的相关理论，及采用j 下交互补码的c d m a 通信系统仿 真。在前面研究和分析的基础上，构造互补码超宽带系统，采用具有能抑制窄带 干扰能力的c h i r p 脉冲，同时