一種新的超寬帶脈沖波形設計方法

的成形脈沖。在對Chirp脈沖的帶寬、中心頻率等性能參數比較分析的基礎上，將若干個Chirp脈沖信號進行線性疊加，通過仿真結果表明，隨之產生的脈沖信號不僅滿足FCC對UWB脈沖信號輻射功率要求，而且其脈沖信號的頻譜利用率也很高，同時還能有效抑制對其他窄帶系統的干擾。

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關鍵詞：超寬帶；成形脈沖；功率譜密度；Chirp信號；組合波形

中圖分類號：TN914.3 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-066-03

A Novel Method to Generate UWB Shape Impulse

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GU Zhensong，CHEN Jiadong，MIAO Xiang

(Communication and Information Engineering College，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing，210003，China)

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Abstract：In this paper，an algorithm of the UWB shaping pulse is discussed.Based on the comparison and analysis of the performance parameters of the Chirp pulse，including bandwidth and central frequency，a linear combination of several Chirp pulse signals is proposed by using Hermite matrix.The simulation result shows that the Power Spectral Density (PSD) of the produced pulse is not only according with the Federal Communications Commission (FCC)，but also enjoys a high spectrum utilization ratio.Meanwhile，the pulse can suppress the interference from UWB system to other narrowband systems effectively.

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Keywords：UWB;shaping pulse;PSD;Chirp signal;combination waveform

UWB是一種無載波通信技術，利用納秒至亞納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，所占頻譜范圍很寬，適用于高速、近距離的個人無線通信^[1]。脈沖波形設計是關系到UWB系統性能的關鍵因素。傳統的UWB信號載體主要有方波脈沖、高斯脈沖、Hermite脈沖和正交橢球波函數等。隨著聲表面波器件(SAW)的發展，可由低成本、低功耗、低復雜度的聲表面波濾波器利用脈沖壓縮技術產生和檢測線性調頻信號(Chirp)。由于Chirp脈沖具有良好的自相關性以及匹配濾波后尖銳的時域特性信號，并且其頻譜能夠滿足美國聯邦通信委員會(FCC)對超寬帶輻射掩蔽的限制^[2]，具有較高的頻譜利用率，故可適當提高其帶寬來提高傳輸距離和傳輸速率。本文先介紹Chirp脈沖波形的性能參數對脈沖頻譜的影響，然后將Chirp脈沖信號線性疊加，得到寬頻的短時脈沖信號，該脈沖信號可以提高頻譜利用率。

1 UWB成形脈沖算法

2002年4月，FCC修正了“超寬帶”定義，并通過了超寬帶技術在限制功率輻射條件下的商用許可，為超寬帶通信劃定的頻譜范圍為3.1~10.6 GHz。設計UWB的脈沖波形除了要滿足室內和室外UWB系統的發射功率譜密度要求，并且還要盡可能地使得頻譜利用率最大。設成形脈沖信號為φ(t)，則相當于其經過沖擊響應為h(t)，頻率響應為H(f)的系統后，使其頻譜盡可能大地分布在FCC規定的頻譜限制范圍內。定義成形脈沖信號的脈沖寬度為Tm，則:



φ(t)=p(t)， |t|

(1)



上述過程可看作是一個濾波器h(t)，對于其輸入一個函數φ(t)后，表達濾波器的輸出為λφ(t)，其中λ是一個任意的常數因子，即λφ=Hφ。于是，這個理想濾波器的輸出可以表示成：



λφ(t)=∫∞－∞φ(τ)h(t－τ)dτ

(2)



其離散的表達式為:





λφ［n］=∑N/2m=－N/2φ［m］h［n－m］，

n=－N/2，…，N/2

(3)



式中，N為對h(t)在時間Tm內的采樣點數。

將上面公式展開，可得到如下矩陣關系式:



λφ(－N/2)φ(－N/2+1)φ(0)φ(N/2) 

=

h(0)h(－1)…h(－N)h(1)h(0)…h(－N+1)hN2hN2－1…h－N2h(N)h(N－1)…h(0)#8226;(4)

φ(－N/2)φ(－N/2+1)φ(0)φ(N/2)



可以看出，矩陣H[WTBZ]為Hermite矩陣，所要求的成形脈沖φ與衰減因子λ即可由H[WTBZ]的特征向量與特征值矩陣獲得^[3]。由于H[WTBZ]為Hermite矩陣，因此所求得的特征向量組為線性無關的正交向量組，并且特征值為實數，因此成形脈沖之間不相關。

由于Chirp信號具有時間帶寬積大、旁瓣低的特點^[4，5]，為了應用Chirp信號作為成形脈沖的基函數，可以將其作為系統的沖擊響應h(t)，并令相應的帶寬為3.1~10.6 GHz，則其時域表達式為：



h(t)=cos(2πf0t+πkt2)

(5)



其中k=π(fu－fl)/Tm，fu=10.6 GHz，fl=3.1 GHz，k為線性調頻率，其帶寬B= kt，然后根據式(5)就可以得到UWB信號的成形脈沖。

2 仿真結果

利用上述理論，利用式(5)產生Chirp信號，后將其作為系統的沖擊響應，再構造式(4)的Hermite矩陣H[WTBZ]，并由此計算相應的特征向量φ，得到所需要的成形脈沖。設脈沖采樣點數N=1 024，脈沖持續時間Tm=10 ns，成形脈沖的仿真結果如圖1，圖2所示。圖1是在固定中心頻率f0=6.85 GHz，帶寬B不斷變化時的時域、頻域圖。從圖1(a)上可以看出隨著波形帶寬的不斷增大，其時域波形越來越窄；圖1(b)明顯地表示了各個不同帶寬的波形的功率譜密度。

圖2是相同的帶寬，由于各個Chirp脈沖波形的中心頻率變化所體現在時域以及頻域上的特性。

由上圖2(a)可以看出，隨著中心頻率向高頻部分變化，其時域波形的變化周期縮短，反映在圖上就是波形越來越密。其頻域功率譜密度圖形隨著中心頻率的變化而變化。

圖1 仿真結果(一)

圖2 仿真結果(二)

結合上述Chirp脈沖的特性，可以利用將多個Chirp脈沖波形線性疊加，產生一個滿足FCC對超寬帶輻射掩蔽的限制，并且具有較高的頻譜利用率的組合脈沖。

3 Chirp組合脈沖

根據式(2)和式(5)，可以將經過匹配濾波器的輸出函數寫成如下形式：



φ0 (t)=h(t) #8226; h(-t) 

= BTm sinπBt1-|t|Tm πBtcos(2πf0t)

(6)



將若干個Chirp壓縮信號由傅里葉變換的線性特性疊加，即可得到寬頻脈沖信號：





φ0 (t) = ∑Ni = 1BTm sinπBt1-|t|Tm πBtcos(2πfi t)

(7)



圖3就是根據上述理論進行的仿真結果。其中N=42，B=300 MHz，Tm=10 ns。

圖3 仿真結果(三)

從圖3看出，Chirp組合脈沖波形的功率譜密度滿足FCC MASK的要求，并且其頻譜利用率很高。在3.1~10.6 GHz之外的頻帶，波形的功率譜旁瓣迅速下降，這對帶外的干擾也能明顯降低，如果考慮UWB系統與現有的窄帶系統的干擾，只需要將式(7)中響應頻段對應的中心頻率去掉，這樣即可達到抑制相互干擾的目的。

4 結 語

本文利用Hermite矩陣的特征向量和Chirp脈沖，討論UWB脈沖波形形成的方法。通過利用Chirp脈沖波形與Hermite矩陣相結合的方法，產生的脈沖波形的功率譜密度滿足FCC MASK的規定，并且具有很高的頻譜利用率、可以降低對現有的窄帶無線通信系統的干擾等優點。仿真結果證明了理論的正確性以及方法的可行性。

參 考 文 獻

［1］Aiello G Roberto，Rogerson G D.Ultra-Wideband Wireless Systems ［J］.IEEE Microwave Magazine，2003(7):36-247.

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［2］Docket E T.Revision of Part 15 the Commission′s Rules Regarding Ultra-wideband Transmission Systems ［S］.FCC，2002:98-153.

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［3］Parr B Chob，Wallace K.A Novel Ultra-wideband Pulse Design Algorithm ［J］.IEEE Communications Letters，2003:219-221.

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［4］張洪欣.合成孔徑雷達回波信號模擬器研究［D］.北京:北京航空航天大學，2001.

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［5］王小謨，張光義，賀瑞龍，等.雷達與探測［M］.北京:國防工業出版社，2000.

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［6］Che Shuliang，Zhang Hongxin，Lu Yinghua，et al.Generation of Orthogonal UWB Shaping Pulses Based on Compressed Chirp Signal ［J］.China Universities of Posts and Telecommunications，2007，14(2):99-102.

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［7］Luo Zhendong，Gao Hong，Liu Yuanan.Ultra-wideband Pulse Design Approach for Multiple Narrowband Inter-ference Suppression ［J］.Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2005，28(1):55-58.

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作者簡介 顧真松 男，1982年出生，浙江杭州人，碩士。主要研究方向為無線通信與電磁兼容、超寬帶無線電技術。

陳佳棟 男，1982年出生，江蘇無錫人，碩士。主要研究方向為超寬帶無線電技術、認知無線電技術。

繆 翔 男，1982年出生，江蘇南京人，碩士。主要研究方向為無線通信與電磁兼容、超寬帶無線電技術。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。