賈占彪,陳 紅,蔡曉霞,王喜風(fēng)

(解放軍電子工程學(xué)院,合肥 230037)

1 引 言

近年來,超寬帶(UWB)擴(kuò)頻通信技術(shù)在軍事、科技和商業(yè)領(lǐng)域受到極大關(guān)注。UWB技術(shù)的一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新性特征就是其與現(xiàn)有無線系統(tǒng)共享頻譜資源,而不是去尋找“空白”但可能不適合的頻譜,但由于超寬帶系統(tǒng)占有很寬的頻段,將不可避免與現(xiàn)有的窄帶無線電系統(tǒng)重疊,造成UWB系統(tǒng)與其它已授權(quán)系統(tǒng)之間的相互干擾[1-2]。

如何避免UWB系統(tǒng)與其它系統(tǒng)相互干擾,實(shí)現(xiàn)共存,是廣泛實(shí)現(xiàn)UWB的前提?，F(xiàn)有的窄帶干擾抑制方法主要可以分為兩類:一是從接收端對(duì)接收信號(hào)和接收方法進(jìn)行處理和改進(jìn)[3];另外,還可以在信號(hào)進(jìn)行傳輸之前對(duì)超寬帶脈沖產(chǎn)生方法做一定的調(diào)整,采用抑制干擾的脈沖成形算法,或者是通過改變信號(hào)調(diào)制方式來改變信號(hào)的功率譜,從而使信號(hào)具有抗干擾能力。文獻(xiàn)[4]提出采用Doublet脈沖的方式來避免對(duì)GPS等的干擾,但其脈沖頻譜上的零點(diǎn)不是隨意可調(diào)的,脈沖頻譜零點(diǎn)的寬度也難于控制。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于特征值分解的超寬帶脈沖設(shè)計(jì)方案,雖然設(shè)計(jì)的脈沖能有效抑制窄帶干擾,但它沒有閉合表達(dá)式,采樣率高達(dá)64GHz,實(shí)現(xiàn)比較困難。文獻(xiàn)[6-7]提出基于半正定的脈沖波形設(shè)計(jì)方法,其給出的頻譜規(guī)范要比FCC的規(guī)范嚴(yán)格得多,這雖然可以降低對(duì)其它系統(tǒng)的干擾,但同時(shí)也降低了發(fā)射端的最大發(fā)射功率,增加了接收難度。上述方法共同的缺點(diǎn)是:沒有和外界環(huán)境交互,缺少對(duì)周圍射頻環(huán)境的了解,使得UWB系統(tǒng)的頻譜共享缺乏靈活性,系統(tǒng)間共存缺少針對(duì)性,限制了UWB系統(tǒng)性能和頻譜利用率的進(jìn)一步提高?；诖?研究人員提出將認(rèn)知無線電技術(shù)引入到超寬帶系統(tǒng)中來,期望通過認(rèn)知無線電技術(shù)實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境的電磁環(huán)境,然后通過改變通信參數(shù)在窄帶系統(tǒng)使用的頻段處形成凹陷以降低對(duì)其的干擾[8]。

本文提出了一種自適應(yīng)脈沖頻譜陷波的超寬帶窄帶干擾抑制方法,這種方法的新穎之處在于能夠根據(jù)認(rèn)知結(jié)果動(dòng)態(tài)地降低脈沖在干擾頻段的功率譜從而達(dá)到避開窄帶干擾的目的。首先以高斯脈沖為例,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)陷波器對(duì)脈沖頻譜的陷波性能,并在提出的認(rèn)知超寬帶(CUWB)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)常用窄帶系統(tǒng)的干擾抑制,最后就陷波前、后脈沖的通信性能進(jìn)行了比較分析。

2 基于陷波的窄帶抑制實(shí)現(xiàn)

基于陷波的思想算法是將超寬帶脈沖通過陷波器來降低自身特定頻段的功率譜從而使UWB系統(tǒng)避開窄帶干擾,達(dá)到與其它系統(tǒng)共存的目的。這種方法對(duì)不同超寬帶脈沖具有普遍適用性,不需要從脈沖成形算法來考慮。FIR濾波器和IIR濾波器都可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的陷波器,滿足不同的陷波要求。本文主要以FIR陷波器為例來展開討論。

2.1 FIR陷波器設(shè)計(jì)

本文采用實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且應(yīng)用較為普遍的窗函數(shù)法來設(shè)計(jì)陷波器。分別選取矩形窗、漢寧窗、海明窗、布萊克曼窗、凱塞窗進(jìn)行研究。設(shè)置阻帶寬度為0.4 GHz,可以得到不同窗函數(shù)在不同濾波階次情況下的陷波寬度和陷波深度,如表1所示。

表1 不同窗函數(shù)的陷波性能Table 1 The trap performance of the different windows function

從表1可以看出,隨著濾波階次N的增大,陷波寬度逐漸減小,但是陷波深度并沒有隨著N的增大而增大,增大到一定程度時(shí),反而隨著減小,也就是說陷波深度和濾波階次之間并非是單調(diào)關(guān)系。明顯可以得出結(jié)論:凱塞窗在相同階次的情況下陷波深度最大,且有最小的過度帶寬,所以選擇凱塞窗作為加窗函數(shù)。需要注意的是,階次N的取值是陷波深度和陷波寬度這兩方面折衷考慮的最佳值。

2.2 基于FIR陷波算法的窄帶抑制實(shí)現(xiàn)

我們采用凱塞窗設(shè)計(jì)FIR陷波器,以五階高斯導(dǎo)函數(shù)作為陷波脈沖,ISM頻段(2.4 GHz)為陷波頻段進(jìn)行驗(yàn)證。其中高斯脈沖為

式中,A為信號(hào)幅度,α=0.314 ns為脈沖形成因子?？傻肍IR陷波前、后的脈沖波形和脈沖功率譜分別如圖1和圖2所示。

圖1 FIR陷波前、后脈沖波形Fig.1 The pulse and the FIR trapped pulse

圖2 FIR陷波前后脈沖功率譜Fig.2 The power spectral density of the pulse and the FIR trapped pulse

由圖1看出,陷波后的脈沖波形在時(shí)域上發(fā)生了偏移。從圖2可知,陷波后的脈沖功率譜在被陷波頻段的功率譜衰減了約55 dB,完全可以避開處于2.4 GHz頻段的窄帶干擾;陷波寬度為0.4GHz,說明陷波效果只是存在窄帶系統(tǒng)頻段附近,而對(duì)其它頻段的脈沖功率譜毫無影響。這樣,我們就可以通過設(shè)置不同陷波頻點(diǎn)來避免UWB與其它系統(tǒng)之間的相互干擾,實(shí)現(xiàn)共存,具有很大的靈活性。

3 基于認(rèn)知無線電的自適應(yīng)陷波脈沖設(shè)計(jì)

3.1 認(rèn)知超寬帶系統(tǒng)模型

CUWB在國(guó)內(nèi)外的研究還處于起步階段,相關(guān)研究成果還不多,筆者在已有文獻(xiàn)[9-11]的基礎(chǔ)上,嘗試提出了一種改進(jìn)CUWB系統(tǒng)模型,系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 CUWB系統(tǒng)模型Fig.3 CUWB system mode

該系統(tǒng)模型包括射頻激勵(lì)信號(hào)模塊、感知模塊、認(rèn)知引擎模塊和自適應(yīng)調(diào)整傳輸模塊4個(gè)部分。在該模型中,CUWB系統(tǒng)認(rèn)知環(huán)是從接收機(jī)檢測(cè)射頻激勵(lì)信號(hào)開始,通過在一個(gè)寬的頻帶上對(duì)頻譜環(huán)境進(jìn)行檢測(cè),將感知信息送到認(rèn)知引擎模塊。通過認(rèn)知引擎技術(shù)估算干擾溫度、位置信息及探測(cè)頻譜空洞,從而提取UWB通信環(huán)境存在的干擾信號(hào)的頻譜特征,認(rèn)知引擎將之作為短期知識(shí)和知識(shí)庫中的長(zhǎng)期知識(shí)進(jìn)行匹配選擇,將匹配的最終結(jié)果作為調(diào)整系統(tǒng)脈沖波形和發(fā)射功率的依據(jù),反饋回發(fā)射端。同時(shí),認(rèn)知引擎把每次得到的信息作為知識(shí)加以儲(chǔ)存作為以后的學(xué)習(xí)案例。這樣通過不斷的學(xué)習(xí),認(rèn)知引擎可以積累有益的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),從而使其對(duì)UWB系統(tǒng)的調(diào)整更迅速。最后發(fā)射機(jī)根據(jù)接收機(jī)反饋的頻譜及信道狀態(tài)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜管理及發(fā)射功率控制以形成CUWB系統(tǒng)的自適應(yīng)功率譜,或產(chǎn)生與之相匹配的頻譜靈活的自適應(yīng)脈沖信號(hào)。

自適應(yīng)功率調(diào)整是對(duì)整個(gè)頻段進(jìn)行調(diào)整,靈活性差,同時(shí)總的信號(hào)發(fā)射功率也會(huì)降低,造成系統(tǒng)信噪比的降低。而通過對(duì)脈沖頻譜優(yōu)化就可以避免自適應(yīng)功率譜的上述缺點(diǎn)。根據(jù)CUWB系統(tǒng)模型,結(jié)合脈沖陷波方法,可以得到一種自適應(yīng)脈沖陷波的窄帶干擾抑制方法。

3.2 自適應(yīng)陷波脈沖設(shè)計(jì)

“真正的”認(rèn)知超寬帶是超寬帶系統(tǒng)能夠根據(jù)認(rèn)知無線電對(duì)周圍的頻譜使用情況的感知結(jié)果構(gòu)建“見縫插針式”的自適應(yīng)輻射掩模,這種功率譜限制不再受限于政策規(guī)定,而是完全取決于通信環(huán)境,這樣能使頻譜利用率達(dá)到最高。當(dāng)然,伴隨而來的是設(shè)備復(fù)雜性的提高,而且目前要實(shí)現(xiàn)一個(gè)“真正的”認(rèn)知超寬帶無線電還是相當(dāng)困難的,原因在于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的限制:目前的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器還沒有足夠快的運(yùn)算速度來實(shí)現(xiàn)一個(gè)真正的認(rèn)知無線電[8]。本文主要討論在FCC輻射掩模的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)常用通信系統(tǒng)干擾的自適應(yīng)抑制,這是認(rèn)知超寬帶的一種簡(jiǎn)化情況,算是對(duì)實(shí)現(xiàn)認(rèn)知超寬帶的嘗試性探索。

自適應(yīng)陷波脈沖的設(shè)計(jì)主要分3個(gè)步驟:

(1)對(duì)UWB通信環(huán)境進(jìn)行頻譜感知,估計(jì)UWB系統(tǒng)周圍的頻譜環(huán)境;

(2)對(duì)頻譜感知的結(jié)果進(jìn)行綜合處理,提取窄帶系統(tǒng)頻譜特征,結(jié)合長(zhǎng)期積累的先驗(yàn)知識(shí),識(shí)別存在的干擾,并將本次得到的結(jié)果作為案例加以存儲(chǔ)作為以后的學(xué)習(xí)樣本;

(3)令超寬帶脈沖通過合適的陷波器,使脈沖的功率譜在授權(quán)用戶所在頻段降低從而規(guī)避窄帶干擾,實(shí)現(xiàn)UWB系統(tǒng)與授權(quán)用戶之間的共存。

3.3 仿真實(shí)現(xiàn)

基于脈沖陷波的窄帶干擾抑制方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是靈活性,它可以對(duì)任何超寬帶脈沖的任意頻段的功率譜進(jìn)行陷波。本文以文獻(xiàn)[12]提出的一種基于正弦高斯組合的UWB脈沖為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證,這種脈沖在滿足FCC輻射掩模的條件下,具有較高的頻譜利用率,但它沒有考慮超寬帶與其它窄帶系統(tǒng)之間的相互干擾。如果我們對(duì)正弦高斯組合脈沖的功率譜在干擾頻段進(jìn)行陷波處理,這樣在實(shí)現(xiàn)高頻譜利用率的同時(shí),還能解決UWB系統(tǒng)與其它授權(quán)系統(tǒng)的相互干擾問題,實(shí)現(xiàn)高頻譜利用率和系統(tǒng)共存的完美結(jié)合。圖4就是基于自適應(yīng)陷波脈沖而實(shí)現(xiàn)的對(duì)常用窄帶系統(tǒng)的抑制。

圖4 基于自適應(yīng)脈沖的窄帶干擾抑制Fig 4 The narrowband interference suppression based on adaptive pulse

4 鏈路預(yù)算和數(shù)據(jù)傳輸速率

信號(hào)的傳輸距離是衡量系統(tǒng)性能的很重要的一個(gè)指標(biāo)。為了檢驗(yàn)利用脈沖陷波抑制窄帶干擾這種方法對(duì)傳輸距離的影響,就正弦高斯組合脈沖進(jìn)行FIR陷波前、后的鏈路預(yù)算進(jìn)行比較分析。

在自由空間傳播條件下,傳輸距離d與數(shù)據(jù)傳輸速率Rb之間的關(guān)系為[13]

式中,c為光速,麥克斯韋常數(shù)k=1.38×10-23J/K,標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)溫度T0=300K,Gt和Gr是發(fā)射和接收天線增益,F為噪聲指數(shù),LM為鏈路余量,Ps(f)為發(fā)射脈沖波形的功率譜密度,Eb/N0為平均每個(gè)信息位的信噪比,給定不同調(diào)制方式的誤碼率即可求出所需的信噪比,這里采用的調(diào)制方式為2PPM和2PAM。

仿真參數(shù)設(shè)置如下:Gt=1,Gr=1,F=7 dB,LM=5 dB,誤碼率Pre=10-3,陷波頻段為IEEE 802.11a(5.125～5.85 GHz)。得到正弦高斯組合脈沖在FIR陷波前、后的傳輸距離如圖5所示。從圖5可以得出結(jié)論:陷波后的脈沖傳輸距離略小于陷波前的脈沖傳輸距離,這是因?yàn)榧訛V波器的方法在一定程度上減小了脈沖信號(hào)的功率,因而會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸距離產(chǎn)生一定的影響;但是同時(shí)也可以看出,陷波前、后的傳輸距離相差很小,也就是說,基于脈沖頻譜陷波的窄帶抑制方法,在實(shí)現(xiàn)UWB與其它窄帶系統(tǒng)共存的同時(shí),并未在整個(gè)頻段范圍內(nèi)降低UWB脈沖功率,這就為增大UWB系統(tǒng)的通信距離提供了一種可行的方案。

圖5 FIR陷波前、后脈沖的傳輸距離Fig.5 The transmission distance of the pulse and the FIR trapped pulse

5 結(jié) 論

將CR技術(shù)和UWB相結(jié)合的認(rèn)知超寬帶技術(shù),是一種基于動(dòng)態(tài)感知周圍頻譜環(huán)境、具有自適應(yīng)構(gòu)建UWB頻譜輻射掩模、自適應(yīng)頻譜接入、生成自適應(yīng)信號(hào)適配波形的新型智能無線通信系統(tǒng)。CR主要解決與環(huán)境的動(dòng)態(tài)交互問題,UWB主要解決自適應(yīng)的脈沖信號(hào)生成與傳輸問題。本文利用認(rèn)知無線電的頻譜感知和認(rèn)知引擎技術(shù)提取授權(quán)用戶的頻譜信息,利用陷波手段降低干擾頻段處的脈沖功率譜,形成凹陷以避免UWB系統(tǒng)與授權(quán)用戶之間的相互干擾,實(shí)現(xiàn)共存。此方法在實(shí)現(xiàn)UWB與其它系統(tǒng)共存的同時(shí),并未降低脈沖發(fā)射功率,具有良好的系統(tǒng)傳輸性能;且基于陷波這種處理方法靈活易行,具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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