[发明专利]基于非线性Chirp脉冲的超宽带通信系统多窄带干扰抑制方法

摘要

基于非线性Chirp脉冲的超宽带通信系统多窄带干扰抑制方法，属于无线通信技术领域。该系统包括信源节点和目的节点。本发明方法旨在通过频谱感知技术得到窄带干扰的频域参数，并利用Chirp脉冲良好的时频映射关系对波形进行时域处理，从而改变相应的频域特性，设计出一类自适应的非线性Chirp超宽带脉冲来抑制超宽带系统中存在的多窄带干扰。这类脉冲波形设计方案适用于基于窄脉冲的超宽带通信系统，所设计的超宽带脉冲其能量分布在整个波形的持续时间内，从而避免了高峰值功率的问题。本发明有效抑制了超宽带系统中的多窄带干扰，提高了系统的抗干扰能力和通信性能。

主权项

一种基于非线性Chirp脉冲的超宽带通信系统多窄带干扰抑制方法，由以下系统实现，该系统包括单天线的信源节点和目的节点，信源节点通过加性高斯白噪声信道向目的节点广播信号；目的节点接收到的信号包括信源节点发射的信号、信道环境中存在的多窄带干扰信号和加性高斯白噪声信号，该方法的具体步骤如下：A、超宽带通信系统准备开始工作；B、超宽带通信系统通过频谱感知技术得到信道环境中多窄带干扰信号所在的对应频带(f_il(j),f_ih(j))和中心频率f_i(j)，j∈(1,2,…,N)，f_il(j)和f_ih(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、依据提供的设计方案，设计能够自适应地抑制多窄带干扰的两种非线性Chirp脉冲，分别为Atan Chirp和Asinh Chirp；D、采用伪随机序列c＝(c(1),c(2),…,c(l),…,c(N_c))作为系统的直接序列扩频码，其中c(l)是扩频码的第l个码片，c(l)∈{±1}，l∈(1,2,…,N_c)，N_c为扩频码的长度，码片间隔为T_c；E、每比特由扩频码调制后的Chirp脉冲表征为其中b_n∈{±1}为第n个发送数据比特，比特持续时间为N_cT_c，t代表时间，p(t)为发送的单个超宽带脉冲波形，采用步骤C设计得到，p(t‑lT_c)表示p(t)沿着时间轴向右平移lT_c个单位，l∈(1,2,…,N_c)；F、信源节点发送数据比特，并通过扩频调制后以超宽带信号来表征数据比特，超宽带信号由其配置天线发送出去，信号经过加性高斯白噪声信道到达接收端，接收端天线接收到的信号包括受到衰减的信源节点发送的信号，信道中与UWB系统共存的多窄带系统引入的窄带干扰信号以及信道中的加性高斯白噪声信号；G、在接收端采用相关接收机对信号进行接收，接收机已与发射机建立良好的同步；H、计算相关器输出的判决变量，将接收到的信号与每比特对应的模板信号v(t)进行相关，其输出判决变量为Z，Z包含有用信号项S，窄带干扰项I和高斯白噪声项N_G；I、采用最大似然准则进行判决，得出该系统的平均错误概率P_e的表达式为：P_e＝P(Z⁽¹⁾＜0)+P(Z⁽⁰⁾＞0)＝P((S⁽¹⁾+I+N_G)＜0)+P((S⁽⁰⁾+I+N_G)＞0)其中Z⁽¹⁾代表发送数据比特1时判决器输出的判决变量，P(Z⁽¹⁾<0)表示发送数据比特1错判为0的概率，Z⁽⁰⁾代表发送数据比特0时判决器输出的判决变量，P(Z⁽⁰⁾>0)表示发送数据比特0错判为1的概率，S⁽¹⁾代表发送数据比特1时判决变量包含的有用信号项，S⁽⁰⁾代表发送数据比特0时判决变量包含的有用信号项；J、当信息发送完毕时，通信结束；上述步骤C中的设计能够自适应地抑制多窄带干扰的两种非线性Chirp脉冲：Atan Chirp和Asinh Chirp，具体设计方法步骤如下：(1)基于Atan函数和Asinh函数，按照下述方法对非线性Chirp脉冲进行处理，分别得到非线性Atan Chirp脉冲和Asinh Chirp脉冲；(2)首先通过频谱感知技术得到信道环境中多窄带干扰所在的对应频带(f_il(j),f_ih(j))和中心频率f_i(j)，j∈(1,2,…,N)，f_il(j)和f_ih(j)分别为第j个窄带干扰信号的下限频率和上限频率；(3)假设FCC规定的超宽带频谱范围为(f_l,f_h)，其中f_l＝3.1GHz，f_h＝10.6GHz，在Chirp脉冲可用频带内去掉N个窄带干扰所在的频带，则Chirp脉冲的频带变为Chirp脉冲的带宽为$B^{\&prime;}=(f_h-f_l)-\underset{j=1}{\overset{N}{\&cup;}}(f_{\mathrm{ih}\left(j\right)}-f_{\mathrm{il}\left(j\right)}),$其中符号U是并集的意思，表示从超宽带频谱范围内移除窄带干扰所在频带后，剩余频带的并集；(4)根据Chirp脉冲的时频映射关系，将窄带信号的频域映射到时域，第j个窄带干扰的下限频率f_il(j)对应时间点T_fra(j)＝T(f_il(j)－f_l)/B’，j∈(1,2,…,N)，T为Chirp脉冲周期，在时间点T_fra(j)处将N个窄带干扰移除，令Chirp脉冲的时频对应关系如下：(0,T_fra(1))→(f_l,f_il(1))，(T_fra(j),T_fra(j+1))→(f_ih(j),f_il(j+1))，j∈(1,2,…,N－1)和(T_fra(N),T)→(f_ih(N),f_h)，即得到非线性Chirp脉冲的瞬时频率；Atan Chirp脉冲的瞬时频率为：$\begin{array}{c}{f}_{w1}\left(t\right)=[f_{\mathrm{il}\left(1\right)}+\frac{f_{\mathrm{il}\left(1\right)}-f_l}{\arctan \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\arctan \mathrm{\&beta;}]\&CenterDot;G\left(t\right)+\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}[f_{\mathrm{ih}\left(j\right)}+\frac{f_{\mathrm{il}(j+1)}-f_{\mathrm{ih}\left(j\right)}}{\arctan \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\arctan {\mathrm{\&gamma;}}_j]\&CenterDot;G_j\left(t\right)\\ +[f_{\mathrm{ih}\left(N\right)}+\frac{f_h-f_{\mathrm{ih}\left(N\right)}}{\arctan \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\arctan {\mathrm{\&gamma;}}_N]\&CenterDot;G_N\left(t\right)\end{array},$其中门函数$G_j\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& T_{\mathrm{fra}\left(j\right)}\&lt;t\&le;T_{\mathrm{fra}(j+1)}\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.,$j∈(1,2,…,N－1)，门函数$G_N\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& T_{\mathrm{fra}\left(N\right)}\&lt;t\&le;T\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.,$门函数$G\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& 0\&le;t\&le;T_{\mathrm{fra}\left(1\right)}\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.,$α为设置Chirp波形频率范围时，满足窄带信号时频映射关系的参数，β＝α(t/T_fra(1)－1)，γ_j＝α(t－T_fra(j))/(T_fra(j+1)－T_fra(j))，j∈(1,2,…,N－1)，γ_N＝α(t－T_fra(N))/(T－T_fra(N))，符号β、γ_j、γ_N是为了简化瞬时频率的表达式而取的中间符号，无具体实际意义，仅代表它们各自等号后面的式子，otherwise是“其它”的意思，表示G_j(t)、G_N(t)及G(t)式中右端上面的时间限制条件之外的时间；Asinh Chirp脉冲的瞬时频率为：$\begin{array}{c}{f}_{w2}\left(t\right)=[f_{\mathrm{il}\left(1\right)}+\frac{f_{\mathrm{il}\left(1\right)}-f_l}{\mathrm{arcsinh}\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\mathrm{arcsinh}\mathrm{\&beta;}]\&CenterDot;G\left(t\right)+\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}[f_{\mathrm{ih}\left(j\right)}+\frac{f_{\mathrm{il}(j+1)}-f_{\mathrm{ih}\left(j\right)}}{\mathrm{arcsinh}\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\mathrm{arcsinh}{\mathrm{\&gamma;}}_j]\&CenterDot;G_j\left(t\right)\\ +[f_{\mathrm{ih}\left(N\right)}+\frac{f_h-f_{\mathrm{ih}\left(N\right)}}{\mathrm{arcsinh}\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\mathrm{arcsinh}{\mathrm{\&gamma;}}_N]\&CenterDot;G_N\left(t\right)\end{array};$(5)对瞬时频率积分即可得到非线性Chirp脉冲的时域表达式；Atan Chirp脉冲的时域表达式为：$\begin{array}{c}{p}_{w1}\left(t\right)=G\left(t\right)\&CenterDot;\cos 2\mathrm{\&pi;}(f_{\mathrm{il}\left(1\right)}t+\frac{T_{\mathrm{fra}\left(1\right)}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{f_{\mathrm{il}\left(1\right)}-f_l}{\arctan \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;c_{w1}\left(\mathrm{\&beta;}\right))\\ +G_N\left(t\right)\&CenterDot;\cos 2\mathrm{\&pi;}(f_{\mathrm{ih}\left(N\right)}t+\frac{T-T_{\mathrm{fra}\left(N\right)}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{f_h-f_{\mathrm{ih}\left(N\right)}}{\arctan \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;c_{w1}\left({\mathrm{\&gamma;}}_N\right))\\ +\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{G}_j\left(t\right)\&CenterDot;\cos 2\mathrm{\&pi;}(f_{\mathrm{ih}\left(j\right)}t+\frac{T_{\mathrm{fra}(j+1)}-T_{\mathrm{fra}\left(j\right)}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{f_{\mathrm{il}(j+1)}-f_{\mathrm{ih}\left(j\right)}}{\arctan \mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;c_{w1}\left({\mathrm{\&gamma;}}_j\right))\end{array},$其中函数$c_{w1}\left(x\right)=x\&CenterDot;\arctan x-\frac{\ln (1+x^2)}{2},$x是函数c_w1(x)的自变量；Asinh Chirp脉冲的时域表达式为：$\begin{array}{c}{p}_{w2}\left(t\right)=G\left(t\right)\&CenterDot;\cos 2\mathrm{\&pi;}(f_{\mathrm{il}\left(1\right)}t+\frac{T_{\mathrm{fra}\left(1\right)}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{f_{\mathrm{il}\left(1\right)}-f_l}{\mathrm{arcsinh}\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;c_{w2}\left(\mathrm{\&beta;}\right))\\ +G_N\left(t\right)\&CenterDot;\cos 2\mathrm{\&pi;}(f_{\mathrm{ih}\left(N\right)}t+\frac{T-T_{\mathrm{fra}\left(N\right)}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{f_h-f_{\mathrm{ih}\left(N\right)}}{\mathrm{arcsinh}\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;c_{w2}\left({\mathrm{\&gamma;}}_N\right))\\ +\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{G}_j\left(t\right)\&CenterDot;\cos 2\mathrm{\&pi;}(f_{\mathrm{ih}\left(j\right)}t+\frac{T_{\mathrm{fra}(j+1)}-T_{\mathrm{fra}\left(j\right)}}{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\frac{f_{\mathrm{il}(j+1)}-f_{\mathrm{ih}\left(j\right)}}{\mathrm{arcsinh}\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;c_{w2}\left({\mathrm{\&gamma;}}_j\right))\end{array},$其中函数$c_{w2}\left(x\right)=x\&CenterDot;\mathrm{arcsinh}x-\sqrt{1+x^2}.$