（电路与系统专业论文）基于chirp信号的超宽带认知无线电cuwb技术研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：查鏖 日期：垒皇丝：堕：堕 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本 学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：缝日期： 2 0 l o 钐路 导师签名：_ j 巨卜日期：一 北京邮电大学硕士研究生毕业论文摘要 基于c h i r p 信号的超宽带认知无线e ( c u w b ) 技术研究 摘要 c h i r p 信号及与其相关的脉冲压缩技术长期以来被广泛应用于雷 达领域。随着技术的发展，目前c h i r p 超宽带信号不仅被应用到了精 确测距和车载雷达，而且还被应用于扩频通信中。而随着2 0 0 5 年由 n a n o t r o n 技术公司提交的c h i r p 扩频技术被i e e e8 0 2 1 5 4 a 列为物理 层的可选标准之一，其相关理论与应用正得到学术界以及工业界越来 越多的的关注。此外，声表面波器件( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，s a w ) 技 术的发展使得全被动、低成本的s a wc h i r p 延迟线( s a wc h i r pd e l a y l i n e s ) 技术被进一步应用于c h i r p 信号的产生和匹配滤波器相关器的 实现。而另一方面，超宽带与认知无线电技术相结合，即如何利用认 知无线电技术实现u w b 系统灵活的频谱共享和系统共存性正是当前 研究的热点课题。本文正是以c h i r p 信号为出发点分别探讨了c h i r p 超宽带系统以及c h i r p 认知超宽带系统的实现方案。本文选题来源于 国家自然科学基金及北京市自然科学基金项目，具有重要的理论意义 和实用价值。 本文首先研究了基于c h i r p 脉冲的u w b 通信系统设计思路，通 过阐述c h i r p 扩频技术在超宽带系统中的可行性及实现方案进而将其 扩展至认知超宽带技术的实现中，并在此基础上提出两种基于c h i r p 脉冲技术的可对窄带通信系统干扰抑制并主动避让的超宽带系统，即 认知超宽带系统( c u w b ) 。该方法不仅可以满足f c c 的对超宽带频谱 规划的要求，而且还同时兼备了o f d m u w b 和传统i r u w b 的优 点。 关键词：超宽带认知无线电c h i r p 信号声表面波器件s a wd a a 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 摘要 s t u d yo nc h i r pb a s e dc o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g y f o ru w b s y s t e m a b s t r a c t c h i r ps i g n a l sh a sl o n gb e e nw i d e l yu s e di nt h ea r e ao fr a d a rs y s t e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e l a t e dt e c h n o l o g y t h ec h i r pb a s e du 、m b s y s t e m s a r en o to n l yu s e df o ra c c u r a t ep o s i t i o nl o c a t i o na n dv e h i c l er a d a r s y s t e m s ，b u ta l s oa p p l i e df o rs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n i n2 0 0 5 ，a p r o p o s a lb a s e do nc h i r ps p r e a ds p e c t r u m ( c s s ) w a sp r o p o s e df o ri e e e 8 0 2 1 5 4 ab vn a n o t r o nt e c h n o l o g i e s c h i r p s i g n a l sa n da s s o c i a t e d t e c h n i q u e o fp u l s e c o m p r e s s i o nw h i c hi se x t e n s i v e l yu s e di nr a d a r s y s t e m sa r ew e l ls u i t e df o rs p r e a ds p e c t r u mt r a n s m i s s i o na n dg a i n i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o ma c a d e m i aa n di n d u s t r y b e s i d e s r e c e n t d e v e l o p m e n to f s u r f a c ea c o u s t i c w a v e ( s a w ) t e c h n o l o g yh a sm a d e a l l p a s s i v e a n dl o wc o s ts k 驰c h i r pd e l a yl i n e sf u r t h e ru s e df o r g e n e r a t i n gc h i r ps i g n a l s a n d i m p l e m e n t i n g m a t c h e df i l t e r sa n d c o r r e l a t o r s o nt h eo t h e rs i d e u 、bs y s t e mc o m b i n e dw i t hc o g n i t i v e r a d i ot e c h n o l o g yw h i c hm a k e su s eo fc o g n i t i v ev i r t u et oa d o p tf l e x i b l e s p e c t r u ms h a r i n gs t r a t e g yb e t w e e nu 、s y s t e ma n do t h e rn a r r o w b a n d w i d t hs y s t e mh a sb e e nb e c o m i n gam o r ea n dm o r eh o tt o p i c ，n l i s p a p e rc h o o s e sc h i r ps i g n a l a st h e s t a r t i n gp o i n t a n de x p l o r e st h e i m p l e m e n t a t i o nd e t a i l sa b o u tc h i r pb a s e du w bs y s t e ma n dc h i r pb a s e d c o g n i t i v ei 冈旧s y s t e mr e s p e c t i v e l y t h es u b j e c to ft h i sp a p e ri sf r o m o n eo fs u b t o p i c so ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d p r o j e c t w h i c hh a s s i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e s t h i sp a p e rf i r s t l yd i s c u s s e st h eb a s i cd e s i g ni d e a sa n ds t r u c t u r eo f t h ec h i r pb a s e dim s y s t e m b a s e do nt h ef e a s i b i l i t yo fc h i r ps p e c t r u m s p r e a dp r i n c i p l e sa p p l i e di nu w bs y s t e m ，w ee x t e n di tt ot h ef u r t h e r i m p l e m e n t a t i o no fc o g n i t i v eu w bs y s t e ma n dp r o p o s et w ok i n do fu w b s y s t e m ss c h e m ew h i c ht a k et h ei n i t i a t i v et oa v o i dt h en a r r o wb a n d w i d t h c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w o r k i n gf r e q u e n c yb a n da n ds u p p r e s st h e 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 摘要 c o r r e s p o n d i n gi n t e r f e r e n c e ，a n di ti sa l s oc a l l e dc o g n i t i v eu w bs y s t e m t h et w od i f k r e n ts c h e m e sa r eb a s e do ns i n g l eb a n dc h i r ps i g n a la n d m u l t i b a n dc h i r ps i g n a lf r o mt h ep o i n tv i e wo ft h es p e c t r u mr e s p e c t i v e l y w h i c hb o t hg u a r a n t e et h et r a n s m i t t i n gs i g n a l si na c c o r d a n c ew i t hf c c s p e c t r a l m a s ka n dc o e x i s t e n c e ，i n t e r f e r e n c ea v o i d a n c ew i t ho t h e r t r a d i t i o n a ln a r r o wb a n ds y s t e m ，a n dm o s ti m p o r t a n t l yh a v et h em e r i t so f b o t ht h em u l t i b a n do f d m i ，w bs c h e m ea n dt h ep u l s e du w bs c h e m e k e y w o r d s ：u w b ，c o g n i t i v er a d i o ，c h i r p ，s a w , c s s ，d a a i i i 北京邮电大学硕士研究生毕业论文目录 目录 摘要i a b 锄a c t u e j录i v 第一章绪论1 1 1c h i r p 扩频技术的发展及应用。1 1 2c h i r p 超宽带的概念以及研究现状。2 1 2 1c h i r p 超宽带的概念2 1 2 2c h i r p 超宽带的研究现状。3 1 3 超宽带与认知无线电的结合3 1 3 1 认知无线电的定义：3 1 3 2 认知循环模型3 1 3 3 认知超宽带的实现5 1 4 本文的研究目的及内容安捧7 第二章c h i r p 超宽带的基本原理。8 2 1c h i r p 扩频原理8 2 1 1 线性调频( c h i r p ) 信号特性分析。8 2 1 2c h i r p 信号的脉冲压缩理论1 0 2 2 基于c 瓢卸信号的u w b 无线通信系统1 3 2 2 1c h i r p b o k - u w b 系杰女i 1 3 2 2 2 改进的c h i r p b o k u w b 系统1 6 第三章基于单频带c h i r p 信号的a m r l i 实现方案1 9 3 1 检测与躲避( d 丸d e t e c ta n da v o i d ) 技术的引入1 9 3 2 基于脉冲无线电( i r ) u w b 系统频谱整形2 0 3 2 1 编码方案2 0 3 2 2 频谱匹配与拟合方法2 1 3 3 方案设计。2 1 3 3 1 窄带干扰模型的建立2 l 3 3 2c 瓢i r p 信号的线性时频特性2 2 3 4 仿真分析与性能比较2 5 第四章基于多频带c h i r p 信号的c u w b 实现方案2 7 4 1 基于多频带正交频分复用( o f d m ) u w b 系统频谱整形2 8 4 1 1 关闭子带或子载波( t o n en u l l i n g ) 2 8 4 1 2 积极干扰对消( a i c ，a c t i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 2 9 4 1 3 频域滤波。2 9 4 1 4 线性匹配或变换3 0 4 2 多带c h i r p 超宽带方案设计3 0 4 1 1 数据调制过程3 2 i v 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 目录 4 1 2 接收机结构3 3 4 2 多带c 瓢i i p 压缩脉冲超宽带方案设计3 5 4 2 1 方案设计3 7 4 2 2 功率谱密度分析3 9 4 2 3 互相关与自相关特性分析4 0 4 2 4 与认知无线电的结合4 1 4 3 认知超宽带正交频带编码调制系统实现。4 3 4 3 1 系统实现4 3 4 3 21 生能分析。4 5 第五章总结与展望铝 5 1 本论文研究总结4 8 5 2 未来工作展望4 9 参考文献5 0 致谢5 5 作者攻读学位期间发表的学术论文目录5 6 v 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 1c h i r p 扩频技术的发展及应用 c h i r p 信号是一种扩频信号，在一个c h i r p 信号周期内会表现出线性调频的 特性，即信号频率随着时间的变化而线性变化。因为c h i r p 信号的频率在一个信 号周期内会“扫过”一定的带宽，所以c h i r p 信号又被形象地称为“扫频信号”。 c h i r p 信号的扫频特性可以应用在通信领域，表征数据符号，达到扩频的效果。 这种用c h i r p 信号进行扩频的通信方式被称为c h i r p 扩频( c s s ) 。 c h i r p 扩频技术( c s s ) 是由w i n k l e r 在1 9 6 2 年首次提出将其首先应用到通信 领域l l j 。但这仅仅是想法，并没有给出完整的系统实现方案。1 9 6 6 年，h a t a 和 g o t t 独立提出基于c s s 的h f 传输系统，利用了c s s 技术对多普勒频移免疫的 特性i z j p j 。但当时没有使用声表面波滤波器( s a w ) 来产生c h i r p 信号，使其应 用受到限制。直到1 9 7 3 年，b u s h 首次提出了使用s a w 产生c h i r p 信号的方法【4 1 。 因为s a w 是模拟设备，成本低廉，被c s s 通信的研究者们广泛采用。 1 9 7 5 年以后，限于s a w 制作工艺的发展，c s s 研究进入了低谷。直到九十 年代初人们开始关注室内无线通信的时候，c s s 被t s a i 和c h a n g 再度提起1 5 1 。因 为c s s 的频带很宽，特别适合在室内多径信道中使用。1 9 9 8 年，p i n k l e y 和奥地 利的一个小组发表了关于c s s 的两篇文章，提出了适用于室内通信的两种新的 系统方案1 6 7 1 。 c s s 技术的基本原理是采用c h i r p 信号来承载数据符号，因为c h i r p 信号本 一 身是宽带信号，所以使用c h i r p 信号来表示数据符号可以达到扩展带宽的目的 c s s 和直序列扩频( d s s s ) ，跳频扩频( f h s s ) 都有类似的地方。d s s s 和c s s 都是采用一段特定的具有一定扩展带宽效果的信号来表示原始数据符号。不同的 是前者采用p n 序列，后者采用c h j r p 信号。f h s s 和c s s 的瞬时频率都会随着 时间的变化而变化，但是前者的变化规律由p n 序列决定，后者的变化规律由 c h i r p 信号本身的特性相关，而且是连续的变化。下图1 - 1 是c s s 时间频率域示 意图。 彳 图1 - 1c s s 扩频示意图，实线代表c h i r p 信号的瞬时频谱 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 c s s 的解扩原理和d s s s ，f h s s 也很相似，d s s s 和f h s s 是利用本地生成 的和发送端相同的p n 序列和接收信号进行相关运算从而进行解扩并恢复出原始 信号的，因为p n 序列具有与随机二进制序列相同的统计特性，其自相关远远大 于互相关，所以可以通过求自相关的方法来把数据符号提取出来，达到最终的解 扩效果。而c s s 在接收端应用了脉冲压缩原理，匹配滤波过程在很短的时间内 获得很大的能量，接收机可以通过对能量的捕获把数据符号提取出来，因匹配滤 波在一定程度上可以看作是自相关运算。所以c s s 和d s s s ，f h s s 在解扩方式 上可以认为是一致的，即通过对扩频序列( 信号) 求自相关来获取符号信息。 总的来说，c s s 技术除了具有传统扩频技术如直序列扩频( d s s s ) ，跳频扩 频( f h s s ) 共同的优点，即抗衰落能力强，抗截获能力强，处理增益大等，还 具有功率谱密度低，抗频偏能力强，传输距离远，系统功耗低等特点。这些特点 使得c s s 技术能满足现在室内通信对系统提出的发射功率低、通信可靠稳定性 好、抗干扰能力强、系统电池持续时间长等要求。 c s s 技术的这些特点已经引起一些组织和厂商的关注。在工业界，n a n o t r o n 公司提出了基于c s s 的无线个人区域网络( w r 悄) 应用方案，并在i e e e 8 0 2 1 5 4 a 的标准化进程中起到了主导作用。在2 0 0 5 年3 月，致力于低速率w p a n 标准化工作的i e e e 8 0 2 工作组通过投票，以1 0 0 的赞成，把基于i r 的超宽带 和基于c h i r p 的超宽带技术作为i e e e8 0 2 1 5 4 ap h y 的最后两个备选方案。在 2 0 0 6 年1 0 月，i e e e 委员会在i e e e8 0 2 1 5 4 a 的物理层草案中把c s s 技术列为 标准【羽。 1 2c h i r p 超宽带的概念以及研究现状 1 2 1c h i r p 超宽带的概念 超宽带( u w b ) 信号的定义有两种方式，一种是根据相对带宽来确定，另 外一种是根据绝对带宽来确定。美国国防高级计划局对u w b 有如下定义：将带 宽与中心频率之比超过2 5 的信号称为u w b 信号。这是一种相对意义下的带宽， 称之为分数带宽( f b w ) 。另外一种是根据绝对带宽的大小来确定超宽带信号， 美国联邦通信委员会( f c c ) 对u w b 的规定为：在3 1 1 0 6 g h z 频段中占用 5 0 0 m l - i z 以上的带宽的信号称为u w b 信号。 u w b 目前分为脉冲式u w b 和多频带o f d mu w b ，脉冲体制脉冲式u w b 的信号为持续时间极短的冲激脉冲信号。如果用满足u w b 定义的c h i r p 信号代 替常用的冲激脉冲信号，我们就可以得到具有线性调频特性的c h i r p 超宽带信号。 2 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 为了表达方便，本文把采用c h i r p 超宽带信号进行通信的通信方式称为c h i r p 超 宽带。 1 2 2c h i r p 超宽带的研究现状 c s s 技术已经得到一定程度的认同，并正逐步应用于商用；而满足u w b 定 义的c s s 技术即c h i r p 超宽带技术的研究还处于起步阶段。目前人们对c h i r p 超 宽带的研究有以下几个方面：多址1 9 l ，高速率传输【1 0 1 ，符号间干扰( i s i ) 消除【l l 】， 单音干扰消除1 1 2 1 ，s a w 制作方法f 1 3 】等，这些文献为对c h i r p 超宽带进行进一步 的理论研究提供了很好基础。 值得一提的是，美国n e wm e x i c o 州的s a n d i a 国家实验室研制出了满足u w b 定义的无载波s a w 设备1 1 3 j ，其f b w 能达到2 5 ，带宽可达5 0 0 m h z 以上。这 对c h i r p 超宽带系统的提供了有力的实现依据。 1 3 超宽带与认知无线电的结合 1 3 1 认知无线电的定义 1 9 9 9 年瑞典皇家科学院j o s e p hm i t o l a 博士所做的奠基性工作【1 4 】【1 5 1 ，开创了 认知无线电这一研究新领域，近年来逐步成为研究热点。具备自主的学习能力是 认知无线电技术的核心思想，它能通过对认知设备周边多类型，多维度的环境观 察，来获得该空间的可用频谱信息，并合理利用频谱降低频率冲突的发生。与此 同时，通过在过去一段时间内的感知信息，来对新的实际情况做出响应，也就是 说，认知无线电设备能通过感知，学习来决定合适于自身通信业务的频带。因此， 认知无线电也可以算作广义的智能无线电中的一种，它能够对周围的无线频谱资 源的使用历史和当前状况进行感知、分析、学习和决策，基于此选择适合自身业 务的包括所在频段，调制方式、发射功率等在内的通信方式。 与此不同的是，美国f c c 给出了一个相对狭义的认知无线电定义。其在2 0 0 3 年发布的f c c 0 3 3 2 2 公告中对认知无线电的定义、功能与应用进行了说明，建 议任何具备了自适应频谱功能的无线通信系统都可以被称为认知无线电。更确切 地，f c c 所定义认知无线电要具备无线环境的认知功能，并能够依此自适应地 实时调整发射功率、载波频率和调制策略等传输参数，实现无线传输的能力。即 只要能够进行无限频谱环境探测，并且相应调整工作频段和方式从而避免干扰的 设备就是认知无线电设备。 1 3 2 认知循环模型 就认知无线电的感知能力而言，包括许多方面，例如频谱感知、网络状态感 3 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 知、地理位置感知、可用业务感知、用户需求感知等等，而对于频谱的感知是最 受关注的部分。但由于认知无线电的研究还处于刚起步阶段，不同的研究学者对 系统认知能力的关注点各不相同，由此产生的结果是众多各具特点的认知循环模 型的体系结构。 m i t o l a 博士提出了包括一系列认知学习步骤的基于人工智能的模式推理认 知循环过程【1 6 】，他认为智能性是认知无线电最大的特点。 e x t e r n a l i n t e l l i g e n s o u r c e s 图1 - 2 认知无线电认知循环模型 认知无线电是一个目标驱动的框架结构，对于事件响应都按照计划、决定、 实施的顺序执行。认知无线电可以自动观察无线电环境、分析信息内容、评估选 择、产生计划、监控服务，通过基于模型的推理来获得特定能力。认知无线电还 能够从错误中进行学习，包括一些有指导和无指导的机械学习形式。这种观察、 思考、行动的循环的工作过程可用一个有向图来表示。图1 2 表示了认知无线电 系统认知学习循环的完整过程。在该模型中，外部世界提供激励，认知无线电对 这些激励进行处理和分析，从而提取有益于提高其系统性能的相关信息。比如， 它可以通过分析全球定位系统参数，或者加上亮度以及温度决定通信环境是在室 内还是室外等等。这种处理发生在认知循环的观察阶段，对引入和发出的信息进 行分析来获得容量情况，包括分配给用户或是用户所需要提供的容量。有时候这 需要必要的前后相关信息来推测通信的突发性以及相关的内在通信任务。基于上 述信息，认知无线电系统进行通信资源的规划分配，做出决策，启动接入控制过 程，开始通信，并基于信息和学习规则调整通信系统状态以达到最优性能，然后 再开始下一轮感知( 观察) ，这是一个循环过程1 1 6 j 。 4 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 1 3 3 认知超宽带的实现 对于无线电频率管理来说，有两个基本的原则：新的无线电技术不得对己有 的被授权无线电系统造成有害干扰；而未授权的无线电技术自身受到干扰不得提 出保护要求，即要能忍受已有无线电台的各种干扰。虽然u w b 技术具有低功耗， 频谱衬底式的特点，但当其辐射功率到达某一限度时也会干扰某些窄带无线系 统，而其自身的通信也会因为较强的窄带信号而受到干扰。因此，u w b 系统也 同样面临着这两个问题，即在共享频谱的时候不得对已有的窄带系统造成有害干 扰，同时u w b 系统也可能受到来自其它系统的强窄带干扰。 目前，所有针对这个问题的解决方法都是在针对u w b 系统本身进行优化设 计，研究思路大都是集中在u w b 脉冲信号波形的设计与优化上，设计出符合各 国发射功率模板的脉冲波形，并采用一些有效的抑噪技术来改进对现有窄带系统 的干扰。如寻找一种更优的u w b 信号波形，采用自适应编码技术、分集接收技 术、波束成形及功率控制等在其他通信系统中被验证能起到抑制干扰作用的相关 技术。但是，所有的设计方法都是从自身入手，而没有针对特定的外界环境，缺 少对周围无线环境的了解，使得u w b 系统的频谱共享缺乏灵活性，干扰避免与 抑制缺少针对性，限制了u w b 频谱利用性能和广泛使用。 u w b 系统中加入频谱感知的功能，能u w b 频谱利用的更具灵活性，改善 频谱共享效率，更加有针对性的抑制窄带干扰，提高与其他系统共存可能，可以 动态的满足不同地区功率辐射模板的要求，同时，还可以提高频谱的利用率，提 高数据传输速率和可靠性。基于以上考虑，并结合认知无线电具有能感知周围无 线频谱环境的能力，在文献中1 1 7 】【1 8 l 提出了u w b 系统中引入认知无线电频谱感知 的研究和设计思想，打开了解决上述u w b 面临问题的新的解决思路，对设计出 一种全新的高性能u w b 系统提出新构想。 另一方面，对于认知无线电要真正走向实用还有很长的距离。在这之间他首 先要解决两个问题：第一，它必须得到其用户的认可与信任。这个用户既包括采 用认知无线电技术本身的用户，也包括可能受认知无线电设备干扰的用户。第二， 从技术上来看，认知无线电技术很多概念还停留在理论阶段，与理论相关的关键 技术还很不成熟。由于认知无线电具有软件无线电所具备的频谱动态感知和自适 应频谱共享的功能，使得认知无线电技术在发展过程中也必将遇到前所未有的复 杂的电磁环境和射频要求。u w b 技术本身所固有的易数字化及低复杂度特点， 使得其适合成为支持通用的认知无线电物理层实现技术的技术。例如，超宽带系 统的射频部分的超宽带特性使其便于对广泛的频谱进行感知探测，这将给认知无 线电的发展带来机遇。 超宽带认知无线电通信系统是集合认知无线电和u w b 技术的主要优点来联 5 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 合设计研究的一种智能无线系统，它是具有频谱感知功能，并依此动态适应功率 发射模板的超宽带系统。该系统的基本原理主要是利用认知无线电能够感知周围 的频谱环境和u w b 系统易于数字化软件化的特性，依据感知得到的频谱信息和 动态频谱分配策略来自适应地构建u w b 系统的频谱结构，并生成相应的频谱灵 活的自适应脉冲波形，根据信道的状态信息进行自适应的发射与接收i l 州。认知 无线电技术和u w b 相结合，能针对功率特性、传输距离和特定的通信数据率进 行频谱优化，能针对性的有效抑制各种干扰，提高系统性能。 认知无线电技术在超宽带无线通信中应用的主要优势在于： ( 1 ) 超宽带无线通信面临周围窄带无线通信系统的严重干扰，同时它也对周 围的窄带通信系统构成严重的干扰，因此利用认知无线电技术来实现协作共存策 略将获益匪浅。 ( 2 ) 按定义超宽带是“衬于底层 的技术，和传统的窄带非认知无线设备有 可能实现共存，因此对于引进认知无线电概念来说，这是最现实和实用的环境。 ( 3 ) 超宽带设备本身具备很宽的工作频谱，又可以进行测频，从而使得它成 为适应多种无线工作环境条件下通用物理层( p h y ) 的理想候选对象。 总的来说，超宽带认知无线电就是通过准确感知本地无线频谱资源，使得空 中接入实时自动地适应周围环境并同时消除干扰，进而优化整个无线网络的运 行、实现频谱资源的高效利用。 图1 - 3 认知超宽带实现的具体流程图 6 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 1 4 本文的研究目的及内容安排 本文旨在研究基于c h i r p 脉冲的u w b 通信系统设计以及c h i r p 信号在超宽 带认知无线电中的应用。首先通过阐述c h i r p 扩频技术在超宽带系统中的可行性 及实现方案进而将其扩展至认知超宽带技术的实现中，并在此基础上提出两种基 于c h i r p 脉冲技术的可对窄带通信系统干扰抑制并主动避让的超宽带系统，即认 知超宽带系统( c u w a ) 。 本文各章节的内容安排如下： 第一章：绪论部分。主要对该论文涉及到的几种技术进行概括性的阐述，其 中包括c h i r p 的扩频原理( c s s ) ，c h i r p 超宽带的基本概念，认知无线电以及超宽 带认知无线电的实现原理。 第二章：c h i r p 超宽带的基本原理。首先确定了c h 卸超宽带系统实现的原 理框图，继而在此基础上对框图中的各个模块进行了详尽的分析，其中包括基于 c h 卸的超宽带调制方式，并以此为基础提出一种改进的c h i r p b o k - b p s k 系统， 即在原有c h i r p b o k - u w b 系统上引入了调相，实现了更高速率的数据传输。 第三章和第四章分析了认知无线电与u w b 系统相结合的两种方式，并以动 态频谱共享为出发点，探讨了i r u w b 和o f d m u w b 分别与窄带系统共存的 模型以及实现原理， 第三章：基于单频带c h i r p 信号的认知超宽带系统设计。该章首先分析了认 知无线电与i r u w b 系统相结合的方式，并以动态频谱共享为出发点，探讨了 i r u w b 与窄带系统共存的模型以及实现原理，在此基础上提出一种基于c h i r p 压缩脉冲的c u w b 实现方案：该算法主要基于对窄带系统干扰的抑制目的出发， 需要从无线电环境中检测窄带信号的频谱范围，将该频谱范围参数导入c h i r p 脉 冲信号发生器，基于时频映射规则，将频谱上的窄带范围映射到c h i r pg e n e r a t o r 的时域范围( 基于c h i r p 的线性调频特性) ，在该范围内中断信号产生。 第四章：基于多频带嘶信号的认知超宽带系统设计。本章首先分析了从 频带编码的思想出发，借助于新兴的认知无线电技术对编码进行调整，使调制的 脉冲信号在保持正交性的同时，又能对干扰频带采取主动的避让，在干扰消除后 又能主动的恢复对频带的占用，从而实现实时的、动态的频谱共享。 第六章：论文总结与展望。 致谢 参考文献 7 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章c h i r p 超宽带的基本原理 2 1c h i r p 扩频原理 2 1 1 线性调频( c h i r p ) 信号特性分析 c s s 技术源于雷达系统中以c h i r p 信号为核心的脉冲压缩技术。在雷达领域， c h i r p 信号很好的解决了冲激雷达系统中测量距离和测量精度不能同时优化的问 题。冲激雷达采用冲激脉冲作为检测信号，要增加测量距离，则必须牺牲测量精 度；增加测量精度，则必须牺牲测量距离。而脉冲压缩技术使用具有线性调频特 性的c h i r p 信号代替冲激脉冲，可以同时增加测量距离和测量精度。因此，c h i r p 信号在雷达领域有着很普遍的应用【2 0 j 【2 l 】。 典型的c h i r p 信号数学表达式为： c ( t ) 一 叫幼( 正宁) + 】，：应 ， o ， 等 其中，五表示c h i r p 信号的中心频率；f o 表示c h i r p 信号的初始相位；t m 是c h i r p 信号的持续时间；故坶o ) 是调频因子( c h i r pr a t e f r e q u e n c ys w e e pr a t e ) ， 单位是h z s ，它控制着c h i r p 信号瞬时频率的变化速率，当k 是一个常数的时候， c h i 叩信号的瞬时频率呈线性变化，故被称为线调频率信号；当k 0 时，g 是 u p - c h i r p 信号，当k o 时，g 是d e w n c h i r p 信号。由式( 2 1 ) 可知，c 的瞬时 频率为 厶如j l + k t ( 2 2 ) 下图2 1 给出了线性调频c h i r p 信号的归一化瞬时频率与时间的线性变化关 系。 图2 - 1 c h i r p 信号瞬时频率与时间的线性变化关系 8 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 由式( 2 - 2 ) 可知，当f ( 一幻弦时，厂c o ) o ，此时，g ( 幻开始反向变化，如 图所示 1 o 口 j 兰0 臣 e 1 1 j 兰0 a e 1 u p - c h i r p 之o 2 t i i i l e f s x l o | u p - c h i r p o 耵m 喇 ( a ) 乙= 6 n s 1 i = 兰0 a e d o w n - c h i r p o r i m e l s ( b ) t , = 1 2 0 s 图2 - 2 u p - c h i r p 与d o w n - c h i r p 信号随t 的变化关系 a = i ，f 。= 3 g h z ，k = l x l 0 9 g h z s 5 x l o 为保证c h i r p 信号不出现图( b ) 的情况，通常取t , , , = 2 k a 。易知u p c h i r p 与 d o w n - c h i r p 之间满足： 童：篓密c o 笔k m 蚴c p o m & 一删( 2 - 3 ) c l 一( f ) = s f 一2 + ) f 助w 一一_ 7 gc门2掣乏f陶，引2司+睁，峨)2司)l竺三爹 q q 图给出几个扫频范围为3 1 - - 1 0 6 g h z 带宽时间积不同的c h i 巾信号p s d 比 较。从该图可以看出，在扫频范围相同的情况，c h i r p 信号的持续时间越长，其 幅度频谱的带外衰减就越快。由于扫频带宽b ：7 5 g h z ，近似的有死= 1 8 0 n s 的 9 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 c h i r p 信号才可能更好的满足f c c 超宽带频谱规划的要求。但数百纳秒级的信号 相对传统纳秒级的超宽带脉冲来说，已经显然不能再称为“脉冲 了。因此，直 接用c h i r p 信号来作为脉冲超宽带的“脉冲一信号并不适合。 i v _-一一j 一一 一 - _ 。_一i 一一 一 t t 0 “ 一 l 一 ( a ) 七= 0 2 5 x 1 0 9 g h z s ，t m = 3 0 n s , 五= 6 8 5 g l - l z ，b , t m = 2 2 5 7 * 一 “州i _ - 。 ：1 一一ri t _ = 2 ? l 一。_ 粥一0 a _ - 蝌鞋 黼r 弹卜 嘞七= o 1 2 5 x 1 0 9 g h z s ，t = 6 0 n s ， 正= 6 8 5 g h zb , t = 4 5 0 f r e q u e n c y 嘲 xl o f r e q u e n c y 嘲 xl o ( c ) k = 0 0 6 2 5 1 0 9 g h z s ，t m = 1 2 0 n s ，( d ) k = 0 0 4 1 5 x 1 0 9 g h z s ，t 。= 1 8 0 n s ， 五= 6 8 5 g l - i z ，毋乙= 9 0 0 五= 6 8 5 g h z ，b , t , , , = 1 3 5 0 图2 - 3几个扫频范围为3 1 1 0 6 g h z 带宽时间积不同的c h i i p 信号p s d 比较图 2 1 2c h i r p 信号的脉冲压缩理论 c h i r p 信号具有良好的自相关性 z 2 l ，其自相关函数表达式为： 尺啪，- ) = 扣万 翘，z c o s 2 a f c f 】( 2 - 5 ) 其中b s 为“似扫频带宽，n , = 恤l r m 。f h 式( 2 5 ) 表明，当t = o 时，c h i r p 信号自相 关性最大，为瓦i ；且毋越大，c h i r pn g - n 自相关性就越好。根据c h i r p 信 1 0 iz王暑、e!a乱 宵z薯，iuia协 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 号的性质，两个风相同且频率范围没有重叠，即满足乱+ 皿) 的c