一种基于非线性Sqrt Chirp脉冲的多频带正交互补码超宽带系统干扰抑制方法

技术领域

本发明涉及一种基于非线性SqrtChirp脉冲的多频带正交互补码超宽带系统干扰抑制方 法，属于无线通信的技术领域。

背景技术

超宽带(UWB)技术因其具有传输功率低，易实现，抗干扰能力强及多径分辨率高等 优点，引起了学术界和工业界越来越多的关注。超宽带技术可以在较短的距离内，为便携电 子设备和通信设备之间提供高速而可靠的数据传输。上述特点使得超宽带技术在无线通信、 雷达、精确定位等领域具有广阔的应用前景，尤其是在室内短距离高速无线通信中具有无可 比拟的优势。

UWB信号极宽的带宽和极低的传输功率决定了其不可避免的会受到其它窄带通信系统 的干扰，因此必须采用窄带干扰(NBI)抑制技术来解决超宽带系统与窄带系统的共存问题， 这也是超宽带技术的研究热点之一。目前关于窄带干扰对UWB系统的影响及抑制方法的研 究已有不少成果。H.B.Shen等(参见H.B.Shen,W.H.Zhang,andK.S.Kwak,“Modifiedchirp waveformsincognitiveUWBsystem,”inProc.ICCWorkshops’08,pp.504-507,May.2008.)采 用频谱规避的思想设计非线性Chirp脉冲来抑制窄带干扰。基于Chirp函数特性，上述方法 只需经过时域处理即可改变相应的频域特性，从而达到抑制窄带干扰的目的，但仅考虑了单 窄带干扰的抑制。W.Liu等(参见W.Liu,W.X.ZouandF.M.Xu,etal,“ANovelFrequency-band CodedOrthogonalUWBChirpPulseDesignforCognitiveNBISuppression,”Microwave, Antenna,PropagationandEMCTechnologiesforWirelessCommunications,pp.1048-1051,2007) 将UWB频带划分为很多的子频带，利用伪随机(PN)序列对子频带进行编码，使得子频带 的Chirp脉冲具有正交性，从而避免多用户之间的干扰。上述方法采用PN码，而要使每个 用户的各子频带的Chirp脉冲均具有正交性，会使系统设计复杂且无法有效降低系统多径干 扰。C.Wang等(参见C.Wang,M.D.Ma,R.D.YingandY.H.Yang,“NarrowbandInterference MitigationinDS-UWBsystems,”IEEESignalProcessingLetters,vol.17,no.5,pp.429-432, 2010.)首次将编码辅助的干扰抑制技术引入到直接序列扩频超宽带(DS-UWB)系统中， 提出了一种抑制窄带干扰的新型扩频序列，但获得该序列的运算过程复杂。传统的DS-UWB 系统中采用的扩频码都是单码(如m序列、Walsh码、Gold序列等)，而研究表明单码不能 同时具有理想的自相关和互相关特性，因此基于单码的超宽带系统抗干扰能力有限。本发明 所采用的正交互补码是一种不同于单码的复合码序列，它由一组元码构成，具有理想的相关 特性，即自相关函数的旁瓣和互相关函数均为零。由于正交互补码的理想相关特性，其已经 在CDMA系统中得到了广泛的关注和研究。H.H.Chen等研究了基于正交互补码的CDMA 系统(参见H.H.Chen,S.W.ChuaandM.Guizani,“OnnextgenerationCDMAtechnologies:The REALapproachforperfectorthogonalcodegeneration,”IEEETrans.onVehicularTechnology, vol.57,pp.2822-2833,2007)，其可以完全消除多径与多址干扰，并能采用堆栈偏移(OS) 调制方案实现多速率传输。现有超宽带系统在抗多窄带干扰、多径和多址干扰方面的设计方 面缺少设计灵活性，且难以实现对上述典型干扰的同时抑制和消除。

发明内容

针对现有技术方案所存在的缺陷和不足，本发明提供了一种基于非线性SqrtChirp脉冲 的多频带正交互补码超宽带系统干扰抑制方法，该方法将UWB频带进行合理划分，有益于 实现窄带干扰抑制，同时提高系统传输效率，而采用并行传输方式的OCCUWB系统可以在 抑制多径、多址干扰的同时提高系统传输速率和实现多速率传输。

本发明的技术方案如下：

一种基于非线性SqrtChirp脉冲的多频带正交互补码超宽带系统干扰抑制方法，其中所 述的超宽带系统包括一组发射节点和单个目的终端，其中发射节点组中含多个发射节点，每 个发射节点对应一个用户，其和目的终端均设置单根天线，发射节点通过无线多径信道向目 的终端发送多用户信号；目的终端接收到的信号来自于发射节点组发送的有用信号、其它 UWB用户信号，以及信道环境中存在的多窄带干扰信号、子频带干扰信号、多径信号和高 斯白噪声信号，所述干扰抑制方法的具体步骤如下：

A、UWB通信系统准备开始工作；

B、UWB通信系统利用频谱感知技术得到通信环境中多窄带干扰信号所处的频带(f_l(j), f_h(j))和对应中心频率f_(j)，j∈(1,2,…,N)，f_l(j)和f_h(j)分别为第j个窄带干扰信号的下限频率和 上限频率，N为通信环境中窄带干扰信号的个数；

C、根据窄带干扰信号的频带位置将UWB通信系统的可用频段的带宽分成L个子频带， 每一个子频带分配一个OCC码，且对每一个子频带匹配和设置一个相应的Chirp脉冲w_i(t)， i∈(1,2,…,L)，且L>N；

D、设UWB通信系统共有K个用户，{C¹,C²,…,C^K}是一正交互补序列集，第k个用户 的OCC为M是第k个用户的OCC的元码个数，每个元码包 含N_c个码片，即采用OCC码对每一个子频带进行扩频；

E、根据子频带的个数，将数据比特按L位一组进行传输，经过串并转换为L个支路在 对应L个子频带上并行传输；每条支路进行OCC扩频，然后与决定各自频带的Chirp脉冲 相乘，每比特经扩频码调制后的Chirp脉冲表征为$\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_c-1}{\Sigma }}{b}_n^k{c}_{ij}^k{w}_i(t-{\mathrm{iT}}_p-{\mathrm{jT}}_c),$其中为第k个用户发送的第n个数据比特，是用户k第i个元码的第j个码片；设第1 个用户为期望用户，第2到第k个用户的最后到达路径与第1个用户的最先到达路径间的时 延为τ＝ηT_c+ζ，其中ζ均匀分布于[0,T_c]，T_c是每个码片的持续时间，每个元码 的持续时间为T_p＝(N_c+η+1)T_c；

F、信源发送数据比特，通过OCC扩频调制的Chirp脉冲来表征数据比特，数据比特经 过L个并行支路传输，之后所有的发送信号叠加在一起经过天线发射进入多径信道传输，除 多径衰落外，与UWB系统共存的窄带系统、UWB通信系统中的其它用户UWB信号以及 加性高斯白噪声对期望用户的UWB信号产生干扰，共同出现在接收信号中；

G、在接收端，采用Rake接收机对每个子频带内的接收信号r(t)进行处理，Rake接收机 包含F个相关器，相关器对接收信号r(t)与模板信号m(t)的乘积进行积分；

H、在第l个子频带内，将接收信号r(t)与对应模板信号m(t)进行相关，其输出判决变量 为Z_l，Z_l＝S_U+S_I+S_M+S_P+S_F+S_n，其中S_U为有用信号分量、S_I为窄带干扰分量、S_M为 多址干扰分量、S_P为多径干扰分量、S_F为子频带干扰项、S_n为加性高斯白噪声项；

I、根据以上步骤，得到用户k第l个子频带内Rake接收机的输出判决变量Z_kl，采用最 大似然准则进行判决，得出该UWB通信系统的平均错误概率表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_e=\frac{1}{2}P(Z_{kl}<0|{{}^{\prime }1}^{\prime })+\frac{1}{2}P(Z_{kl}>0|{{}^{\prime }0}^{\prime })\\ =P\left(\underset{f=1}{\overset{F}{\Sigma }}{w}_f\right(S_U+S_I+S_M+S_P+S_F+S_n)<0\left|{{}^{\prime }1}^{\prime }\right)+P\left(\underset{f=1}{\overset{F}{\Sigma }}{w}_f\right(S_U+S_I+S_M+S_P+S_F+S_n)<0\left|{{}^{\prime }0}^{\prime }\right)\end{array}\right)$

其中$Z_{kl}=\underset{f=1}{\overset{F}{\Sigma }}{w}_f(S_U+S_I+S_M+S_P+S_F+S_n),$F为Rake接收机的分支数目，其相关器的个数 与Rake接收机的分支数目相同，w_f为第f个相关器的加权因子，P(Z_kl＜0|'1')指发送符号为 1被错判为0的概率，P(Z_kl＞0|'0')指发送符号为0被错判为1的概率；

J、当数据比特发送完毕时，通信结束。

根据本发明优选的，所述步骤C中每一个子频带匹配设置一个相应的Chirp脉冲w_i(t) 的方法具体如下：

1)利用频谱感知技术检测窄带干扰频带，设有一窄带干扰信号，此时将UWB频带(f_l,f_h) 划分为三段，即(f_l,f₁)、(f₁,f₂)和(f₂,f_h)，f_l和f_h分别为UWB频带的下限频率和上限 频率，每一个子频带带宽大于500MHZ，并设窄带干扰信号位于第2个子频带(f₁,f₂) 内；

2)在没有窄带干扰信号的第i(i＝1,3)个子频带内，采用波形中心在t＝0处的线性Chirp 脉冲w_i(t)＝p(t)cos[2π(f₀+iB_i)t+πμt²]，p(t)为每个子频带的包络且当|t|>T/2时 p(t)＝0，T是信号周期，μ是扫频速率，B_i是第i个子频带的带宽；

3)在存在窄带干扰信号的子频带(f₁,f₂)内，设计一种有效抑制窄带干扰的非线性Chirp 脉冲：在该子频带内，根据Chirp脉冲的时频映射关系，得窄带干扰信号下限频率 f_l(1)对应的时间点为T_fra＝T(f_l(1)-f₁)/B’，B’＝(f₂-f₁)-(f_h(1)-f_l(1))为修正的频带宽度， Chirp脉冲的时频对应关系如下：(0,T_fra)→(f₁,f_l(1))，(T_fra,T)→(f_h(1),f₂)；上述即相当 于将窄带干扰信号频带进行去除，实现窄带干扰抑制。

根据本发明优选的，在步骤3)后，为进一步使脉冲以最大的瞬时频率经过窄带干扰信 号边带处，实现更加有效的干扰抑制，可采用Sqrt运算将非线性Chirp脉冲的瞬时频率修正 为：

$f_w\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}{f}_{l\left(1\right)}+(f_1-f_{l\left(1\right)})·\sqrt{1-\frac{t}{T_{fra}}},& 0\le t\le T_{fra}\\ f_{h\left(1\right)}+(f_2-f_{h\left(1\right)})·\sqrt{\frac{1-T_{fra}}{T-T_{fra}}},& T_{fra}<t\le T\end{array}\right)$

对瞬时频率积分即得到非线性SqrtChirp脉冲的时域表达式：

$w_i\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}cos(2{\mathrm{\pi f}}_{1}t+\frac{2T_{fra}}{3}·2\pi (f_{l\left(1\right)}-f_1)·{\left(1-\frac{t}{T_{fra}}\right)}^{3/2}),& 0\le t\le T_{fra}\\ \cos (2{\mathrm{\pi f}}_{2}t+\frac{2(T-T_{fra})}{3}·2\pi (f_2-f_{h\left(1\right)})·{\left(\frac{t-T_{fra}}{T-T_{fra}}\right)}^{3/2}),& T_{fra}<t\le T\end{array}\right).$

本发明优势如下：

1、本发明在发送端对UWB频段进行划分，得到L个不同的子频带，根据每个子频带 内是否存在窄带干扰信号匹配和设置相应的Chirp脉冲，可以实现高速及多速率传输。

2、本发明在窄带干扰信号存在的子频带内设计和采用非线性SqrtChirp脉冲，其可以 最大的瞬时频率通过窄带干扰所处频带，更加有效的抑制窄带干扰影响，同时实现多窄带干 扰的抑制。

3、本发明基于正交互补码良好的相关特性，对每一个子频带Chirp脉冲进行扩频调制， 可消除用户间的多址干扰、子频带间干扰以及多径干扰，实现多种干扰的同时抑制和消除， 有效提升系统的抗干扰能力和通信性能。

附图说明

图1是本发明中所涉及的超宽带系统的结构示意图，其中：1、发射节点组；2、无线多 径信道；3、目的终端；

图2是本发明所述干扰抑制方法的流程框图：其中A-J为各个步骤；

图3是本发明所述干扰抑制方法中步骤C中每一个子频带所匹配一个相应的Chirp子脉 冲w_i(t)的构建流程框图，其中(1)-(3)为其各个步骤。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

如图1-3所示。

实施例1、

一种基于非线性SqrtChirp脉冲的多频带正交互补码超宽带系统干扰抑制方法，其中所 述的超宽带系统包括一组发射节点和单个目的终端3，其中发射节点组1中含多个发射节点， 每个发射节点对应一个用户，其和目的终端均设置单根天线，发射节点通过无线多径信道2 向目的终端发送多用户信号；目的终端接收到的信号来自于发射节点组发送的有用信号、其 它UWB用户信号，以及信道环境中存在的多窄带干扰信号、子频带干扰信号、多径信号和 高斯白噪声信号，所述干扰抑制方法的具体步骤如下：

A、UWB通信系统准备开始工作；

B、UWB通信系统利用频谱感知技术得到通信环境中多窄带干扰信号所处的频带(f_l(j), f_h(j))和对应中心频率f_(j)，j∈(1,2,…,N)，f_l(j)和f_h(j)分别为第j个窄带干扰信号的下限频率和 上限频率，N为通信环境中窄带干扰信号的个数；

C、根据窄带干扰信号的频带位置将UWB通信系统的可用频段的带宽分成L个子频带， 每一个子频带分配一个OCC码，且对每一个子频带匹配和设置一个相应的Chirp脉冲w_i(t)， i∈(1,2,…,L)，且L>N；

D、设UWB通信系统共有K个用户，{C¹,C²,…,C^K}是一正交互补序列集，第k个用户 的OCC为M是第k个用户的OCC的元码个数，每个元码C_m^k包 含N_c个码片，即采用OCC码对每一个子频带进行扩频；

E、根据子频带的个数，将数据比特按L位一组进行传输，经过串并转换为L个支路在 对应L个子频带上并行传输；每条支路进行OCC扩频，然后与决定各自频带的Chirp脉冲 相乘，每比特经扩频码调制后的Chirp脉冲表征为$\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_c-1}{\Sigma }}{b}_n^k{c}_{ij}^k{w}_i(t-{\mathrm{iT}}_p-{\mathrm{jT}}_c),$其中为第k个用户发送的第n个数据比特，是用户k第i个元码的第j个码片；设第1 个用户为期望用户，第2到第k个用户的最后到达路径与第1个用户的最先到达路径间的时 延为τ＝ηT_c+ζ，其中ζ均匀分布于[0,T_c]，T_c是每个码片的持续时间，每个元码 的持续时间为T_p＝(N_c+η+1)T_c；

F、信源发送数据比特，通过OCC扩频调制的Chirp脉冲来表征数据比特，数据比特经 过L个并行支路传输，之后所有的发送信号叠加在一起经过天线发射进入多径信道传输，除 多径衰落外，与UWB系统共存的窄带系统、UWB通信系统中的其它用户UWB信号以及 加性高斯白噪声对期望用户的UWB信号产生干扰，共同出现在接收信号中；

G、在接收端，采用Rake接收机对每个子频带内的接收信号r(t)进行处理，Rake接收机 包含F个相关器，相关器对接收信号r(t)与模板信号m(t)的乘积进行积分；

H、在第l个子频带内，将接收信号r(t)与对应模板信号m(t)进行相关，其输出判决变量 为Z_l，Z_l＝S_U+S_I+S_M+S_P+S_F+S_n，其中S_U为有用信号分量、S_I为窄带干扰分量、S_M为 多址干扰分量、S_P为多径干扰分量、S_F为子频带干扰项、S_n为加性高斯白噪声项；

I、根据以上步骤，得到用户k第l个子频带内Rake接收机的输出判决变量Z_kl，采用最 大似然准则进行判决，得出该UWB通信系统的平均错误概率表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_e=\frac{1}{2}P(Z_{kl}<0|{{}^{\prime }1}^{\prime })+\frac{1}{2}P(Z_{kl}>0|{{}^{\prime }0}^{\prime })\\ =P\left(\underset{f=1}{\overset{F}{\Sigma }}{w}_f\right(S_U+S_I+S_M+S_P+S_F+S_n)<0\left|{{}^{\prime }1}^{\prime }\right)+P\left(\underset{f=1}{\overset{F}{\Sigma }}{w}_f\right(S_U+S_I+S_M+S_P+S_F+S_n)<0\left|{{}^{\prime }0}^{\prime }\right)\end{array}\right)$

其中$Z_{kl}=\underset{f=1}{\overset{F}{\Sigma }}{w}_f(S_U+S_I+S_M+S_P+S_F+S_n),$F为Rake接收机的分支数目，其相关器的个数 与Rake接收机的分支数目相同，w_f为第f个相关器的加权因子，P(Z_kl＜0|'1')指发送符号为 1被错判为0的概率，P(Z_kl＞0|'0')指发送符号为0被错判为1的概率；

J、当数据比特发送完毕时，通信结束。

实施例2、

如实施例1所述的一种基于非线性SqrtChirp脉冲的多频带正交互补码超宽带系统干扰 抑制方法，其区别在于，所述步骤C中每一个子频带匹配设置一个相应的Chirp脉冲w_i(t) 的方法具体如下：

1)利用频谱感知技术检测窄带干扰频带，设有一窄带干扰信号，此时将UWB频带(f_l,f_h) 划分为三段，即(f_l,f₁)、(f₁,f₂)和(f₂,f_h)，f_l和f_h分别为UWB频带的下限频率和上限 频率，每一个子频带带宽大于500MHZ，并设窄带干扰信号位于第2个子频带(f₁,f₂) 内；

2)在没有窄带干扰信号的第i(i＝1,3)个子频带内，采用波形中心在t＝0处的线性Chirp 脉冲w_i(t)＝p(t)cos[2π(f₀+iB_i)t+πμt²]，p(t)为每个子频带的包络且当|t|>T/2时 p(t)＝0，T是信号周期，μ是扫频速率，B_i是第i个子频带的带宽；

3)在存在窄带干扰信号的子频带(f₁,f₂)内，设计一种有效抑制窄带干扰的非线性Chirp 脉冲：在该子频带内，根据Chirp脉冲的时频映射关系，得窄带干扰信号下限频率 f_l(1)对应的时间点为T_fra＝T(f_l(1)-f₁)/B’，B’＝(f₂-f₁)-(f_h(1)-f_l(1))为修正的频带宽度， Chirp脉冲的时频对应关系如下：(0,T_fra)→(f₁,f_l(1))，(T_fra,T)→(f_h(1),f₂)；上述即相当 于将窄带干扰信号频带进行去除，实现窄带干扰抑制。

实施例3、

如实施例2所述的一种基于非线性SqrtChirp脉冲的多频带正交互补码超宽带系统干扰 抑制方法，其区别在于，在步骤3)后，为进一步使脉冲以最大的瞬时频率经过窄带干扰信 号边带处，实现更加有效的干扰抑制，可采用Sqrt运算将非线性Chirp脉冲的瞬时频率修正 为：

$f_w\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}{f}_{l\left(1\right)}+(f_1-f_{l\left(1\right)})·\sqrt{1-\frac{t}{T_{fra}}},& 0\le t\le T_{fra}\\ f_{h\left(1\right)}+(f_2-f_{h\left(1\right)})·\sqrt{\frac{1-T_{fra}}{T-T_{fra}}},& T_{fra}<t\le T\end{array}\right)$

对瞬时频率积分即得到非线性SqrtChirp脉冲的时域表达式：

$w_i\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}cos(2{\mathrm{\pi f}}_{1}t+\frac{2T_{fra}}{3}·2\pi (f_{l\left(1\right)}-f_1)·{\left(1-\frac{t}{T_{fra}}\right)}^{3/2}),& 0\le t\le T_{fra}\\ \cos (2{\mathrm{\pi f}}_{2}t+\frac{2(T-T_{fra})}{3}·2\pi (f_2-f_{h\left(1\right)})·{\left(\frac{t-T_{fra}}{T-T_{fra}}\right)}^{3/2}),& T_{fra}<t\le T\end{array}\right).$