2024年2月24日发(作者：)

第２４卷第５期　２０１０年ｌ０月　文章编号：１６７３—８６９１（２０１０）０５—０３３７—０３　空军雷达学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ—ＡｉｒＦｏｒｃ—ｅ　Ｒａｄａ—ｒＡｃａ—ｄｅｍ　Ｖ０ｌ＿２４　Ｎｏ．５　Ｏｃｔ．２０ｌ０　基于Ｃｈｉｒｐ压缩脉冲的ＣＵＷＢ无线电波形设计　魏曙光　，吴利民　，龙文武　（１．空军雷达学院研究生管理大队，武汉４３００１９；　２．空军雷达学院四系，武汉４３００１９）　摘要：为了提高认知超宽带（ＣＵＷＢ）无线电系统的频谱利用率，首先基于Ｃｈｉｒｐ￣－缩脉冲波形和Ｈｅｒｍｉｔｅ　矩阵特征向量分解得到正交的基脉冲，然后在对基脉冲的带宽、中心频率等性能参数比较分析的基础上，运用　迭代算法将若干个正交脉冲信号进行线性叠加，即可获得认知超宽带无线电的成形脉冲．仿真结果表明，由此　产生的组合脉冲信号不仅满足ＦＣｃ对ＵＷＢ无线电脉冲信号的辐射功率要求，而且其频谱利用率也较高．同时，　该脉冲信号波形具有较好的自适应性，能有效地抑制对其他窄带系统的干扰．　关键词：认知超宽带；Ｈｅｒｍｉｔｅ矩阵；Ｃｈｉｒｐ／￣缩脉冲；成形脉冲；功率谱密度　中图分类号：ＴＮ９１　文献标志码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—８６９１．２０１０．０５．００７　认知超宽带无线电系统是一种新型智能无线　电系统．该系统的基本原理主要是利用ｃＲ能够感　特点，为了应用Ｃｈｉｐ信号作为成形脉冲的基函数，ｒ　可以将其作为系统的冲击响应厅（，），并令相应的带　宽为３．１～１０．６　ＧＨｚ，则其时域表达式为　（　）＝ｃｏｓ（２ｎｆｏｆ＋ｎｋｔ　）　（１）　知周围的频谱环境和ＵＷＢ系统易于数字化软件　化的特性来自适应地构建ＣＵＷＢ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．因　此，如何产生一个频谱灵活的认知超宽带无线电　式中ｋ＝兀（　一．　）／　为线性调频率，其中　为脉　冲宽度，　为最大频率，　为最小频率．其带宽　＝ｋｔ，当ｃｈ卸信号通过匹配滤波器后，其输出信号为　，）＝＝　（　＝　ｏｓ（２　ｒ）（２）　脉冲，使它的频谱能适应动态无线环境，并能满足　ＦＣＣ频谱发射功率谱模板的要求，同时避免对别　的系统造成干扰，是认知超宽带无线电系统面对　的首要技术问题．具有代表性的ＣＵＷＢ信号载体　由式（２）可知，通过调整中心频率，可以得到若干个　ｃｈ　压缩信号．由傅立叶变换的线性特性，将多个　频段的短时脉冲相叠加，即可得到宽频的短时脉　冲信号　，）＝　Ｎ　主要有升余弦脉冲、高斯系列脉冲、Ｈｅｒｍｉｔｅ正交脉　冲、Ｃｈｉｒｐ压缩脉冲和正交椭球波函数等．由于Ｃｈｉｐ　ｒ脉冲具有良好的自相关性以及匹配滤波后尖锐的　时域特性，并且其频谱满足美国联邦通信委员会　（ＦＣＣ）对超宽带辐射掩蔽的要求ｌ１　Ｊ，具有较高的频　谱利用率，故可适当提高其带宽来提高传输速率．　本文基于Ｃｈｉｐ压缩脉冲波形和Ｈｅｒｒｍｉｔｅ矩阵特征　向量分解得到了ＣＵＷＢ无线电的成形脉冲．由此　产生的组合脉冲信号不仅满足ＦＣＣ对ＵＷＢ无线　ｃｏｓ（２　，）（３）　通过啁整上式中的参与叠加的Ｃｈｉｐ压缩信号的中　ｒ心频率　、带宽　、脉冲个数Ⅳ，可得到符合ＦＣＣ模　板要求的ＵＷＢ成形脉冲波形．这种基于脉冲压缩　的波形设计方法得到的脉冲功率谱满足ＦＣＣ对　ＵＷＢ功率谱密度的限制，频谱利用率极高；由于采　用多个子频带叠加的方法，脉冲频谱具有较强的　灵活性．但这种方法只设计出了一种脉冲波形，在　用户：凄收端易产生较大干扰，致使误码率上升［　．　１．２基于Ｈｅｒｍｉｔｅ矩阵特征向量分解的正交脉冲产　生　电脉冲信号辐射功率要求，而且其频谱利用率也　很高，同时具有较好的自适应性，能有效抑制对其　他窄带系统的干扰．　１　相关理论　１．１　Ｃｈｉｒｐ压缩脉冲波形　为了改进上述算法产生波形单一的缺陷，本　文将其与Ｈｅｒｍｉｔｅ矩阵特征向量分解相结合，以产　生一组相互正交的脉冲，算法如下：　由于Ｃｈｉｒｐ信号具有时问带宽积大、旁瓣低的　收稿１３期：２０１０．０５—２５　作者简介：魏曙光（１９８３一），男，硕士生，主要从事超宽带技术和认知无线电技术研究　

３３８　空军雷达学院学报　２０１０血　假设一个滤波器冲激响应的频谱为　／），用　日∽作为生成脉冲的模板要求，设成形脉冲信号　为　（　，则相当于其经过冲击响应为　（ｒ）的系统后，　使其频谱尽可能大地分布在ＦｃＣ规定的频谱限制　范围内．定义成形脉冲信号的脉冲宽度为　，则　＝　㈤　上述过程可看作是一个滤波器．ｉ２（　，对于其输入一　个函数　（ｆ）后，表达滤波器的输出为　妒（　，其中２　是一个任意的常数因子，即却＝　．于是，该理想　滤波器的输出可以表示成　（　＝．　（　厅０一　ｄｒ　（５）　将式（５）进行（Ⅳ＋１）点离散抽样后，其离散的表达　式为　却［，２］：∑￣ｏ［ｍ］ｈＥｎ－ｍ］　：一　，…，　（６）　今　兽越糖哥　一　・　一　　—－Ⅳ＋１１　一丁Ｎ＋１）　ｈＯ）　・＝　．日＝　梢　．　一　ｚ　ⅡＰ　龆褂　）　・　将式（６）展开，可得到　却＝　（７）　式中　为Ⅳ的特征向量矩阵，衰减因子　为特征　值．所要求的成形脉冲与衰减因子即可由日的特　征向量与特征值矩阵获得＿３Ｊ．滤波器冲激响应的近　似时域表达式为　（ｆ）＝２　ｓｉｎｃ（２ｎｆｉ　）一２　ｓｉｎｃ（２￣ｆ力　（８）　可知，对任意抽样值有　（助＝７ｚ（一　，且　㈣为实数．　由此可得结论：矩阵日为Ｈｅｒｍｉｔｅ矩阵，根据Ｈｅｒｍｉｔｅ　矩阵自身的性质，其特征值均为实数，而不同的特　征值对应的特征向量之间是相互正交的．因此通　过对Ｈｅｒｍｉｔｅ矩阵Ⅳ作特征向量分解，可以得到一　组在频谱上贴近日频谱，在时域上相互正交的波形．　用　∽代替朋　作为生成脉冲的模板．对其　进行上述离散化和矩阵特征向量分解，即可得到　符合ＦＣＣ模板要求的一组正交脉冲．为了更好地　符合模板要求并具有较高的频谱利用率，需要重　新选择参数ｆ和Ⅳ　由以上方法得到的正交基脉冲波形及功率谱　密度仿真结果如图１所示．　越　馨　龄　鲻　霉　霞　嚣　斗＜　：　嘣　Ｄ　时间／ｓ　（ａ）特征向量波形　譬瑶　靼　嚣　嘣　频率／ＧＨｚ　（ｂ）功率谱密度波形　图１特征向量波形和功率谱密度波形　斑嚣　霞　霉　《　２组合脉冲波形设计　在得到正交脉冲基之后，可知目标脉冲可以　表示为正交脉冲基的有限项之和，因此，接下来设　计的关键就是如何选取各脉冲基上的综合系数以　使目标脉冲符合设计的要求．本文将根据所选取　的各个脉冲基的能量集中度及功率谱特点，通过　迭代算法来修改相应脉冲基上的综合系数，实现　目标脉冲的功率谱逼近ＦＣＣ辐射掩蔽，并使得目　标脉冲的频谱利用效率达到最佳．在迭代计算综　合系数的过程中，可采用内外两重迭代算法Ｈ　Ｊ，　内层迭代主要是通过修改脉冲基系数的方法来求　得符合ＦＣＣ辐射掩蔽要求的相关系数值，外层迭　代则主要是通过内层迭代逼近程度的比较使得目　标脉冲的频谱利用效率达到最佳．由Ｈｅｒｍｉｔｅ矩阵　特征向量的特性可知，最大特征值对应的脉冲基　的能量集中度最高，故在迭代计算时应尽量使该　脉冲基上的综合系数最大．　组合脉冲波形设计具体的流程框图如图２　所示．　

第５期　魏曙光，等：基于ｃｈ卸压缩脉冲的　无线电波形设计　３３９　０　２　４　６　８　１０　１２　１４　频率／ＧＨｚ　图３组合脉冲波形对应的功率谱密度　４结论　本文利用Ｃｈｉｒｐ压缩脉冲和Ｈｅｒｍｉｔｅ矩阵的特　征向量分解产生了正交基脉冲．通过正交基脉冲　Ｈ　｜ｄｎ１、　稚牲辞舔　反复迭代，得到的ＣＵＷＢ成形脉冲具有很高的频　图２组合脉冲波形设计流程　谱利用率和较好的自适应性，可以降低对现有窄　带无线通信系统的干扰．该方法在工程上比较容　易实现．　３波形仿真　通过对不同特征值对应特征向量的正交脉冲　的线性组合，给组合脉冲波形的产生带来了很大　的灵活性．在仿真中，为了保证组合脉冲的优化　性，在系数的取值上，对较大特征值对应的特征向　参考文献：　【ｌ】ＤＯＣＫＥＴ　Ｅ　Ｒｅｖｉｓｉｏｎ　ｏｆｐａａ　１５　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ’Ｓ　ｒｕｌｅｓ　ｒｅｇａｒｄｉｎｇ　ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｓ］．ＦＣＣ，　２００２：９８—１　５３．　量给予较大的系数，而对较小特征值对应地特征　向量给予较小的系数．这样便可以更好地利用低　频的功率资源．通过Ｍａｄａｂ对本文的方法进行仿　［２］张洪欣，吕英华，贺鹏飞，等．一种基于脉冲压缩的ＵＷＢ　成形脉冲设计方法【ｎ北京邮电大学学报，２００７，３０（１）：　１３２—１３５．　真，利用不同特征值对应特征向量的正交脉冲的　线性组合在全频段内逼近ＦＣＣ所规定的辐射掩　蔽，其效果如图３所示．仿真结果表明产生的组合　［３］陈国东，武穆清．一种基于多频带ＰＳＷＦｓ组合的ＣＵＷＢ　自适应脉冲波形设计［Ｊ］．电子与信息学报，２００８，３０（６）：　１４３２—１４３６．　【４】宁晓燕，沙学军，王利利．认知超宽带无线电自适应波形　设计算法［Ｊ］．哈尔滨工程大学学报，２００９，３０（１２）：１４２０一　ｌ４２４．　脉冲波形的功率谱密度满足ＦＣＣ功率谱模板的规　定．可见，新的脉冲波形在整个频段上都具有良好　的频谱利用率．　［５］ＣＨＥ　Ｓｈｕ一１ｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｈｏｎｇ—ｘｉｎ，ＬＵ　Ｙｉｎｇ—ｈｕａ，ｅｔ　ａ１．　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ＵＷＢ　ｓｈａｐｉｎｇ　ｐｕｌｓｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　ｃｈｉｒｐ　ｓｉｇｎａｌ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ　ｏｆＰｏｓ￣ａｎｄ　Ｆｅｌｅ．ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７，１４（２）：９９—１Ｏ２．　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＣＵＷＢ　Ｒａｄｉｏ　ＷａｖｅｆｏｒｍＳ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃｈｉｒｐ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　Ｐｕｌｓｅｓ　ＷＥＩ　Ｓｈｕ—ｇｕａｎｇ　，ＷＵ　Ｌｉ—ｍｉｎ　，ＬＯＮＧ　Ｗｅｎ－ＷＵ　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＧｒａｄｕａｔｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＡＦＲＡ，Ｗｕｈａｎ　４３００１９，Ｃｈｉｎａ：２．Ｎｏ．４　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＡＦＲＡ，Ｗｕｈａｎ　４３００１９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｕｌｔｒａ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｒａｄｉｏ（ＣＵＷＢ）ｓｙｓｔｅｍ，　ｔｈｅ　ｏ￣ｈｏｇｏｎａｌ　ｂａｓｅ　Ｐｕｌｓｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ　ｗｅｒｅ　ｏｂｍｉｎｅｄ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃｈｉｐ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　ｐｕｌｒｓｅｓ　ａｎｄ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆＨｅｒｍｉｔｅ　ｍａｔｒｉｘ　ｅｉｇｅｎｖｅｃｔｏｒ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ａ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｐｕｌｓｅ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｗｅｒｅ　ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄ　ｌｉｎｅａｒｌｙ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｔｅｒａｔｉｖｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｃｅｎｔｒａｌ　ｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒｓ　ｏｆ　ｆｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｐｕｌｓｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ，ｔｏ　ａｃｑｕｉｒｅ　ＣＵＷＢ　ｓｈａｐｅｄ　ｐｕｌｓｅ．Ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔａｎｔ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｖｅ　ｐｕｌｓｅｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ氨）ｒ　ｔｈｅ　ｒａｄｉａｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ＵＷＢ　ｒａｄｉｏ　ｐｕｌｓｅ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｓｅｔ　ｂｙ　ＦＣＣ．ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｈａｓ　ａ　ｈｉｇｈｅｒ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ　ａｒｅ　ｏｆ　ｂｅ￣ｅｒ　ｓｅｌｆ－　ａｄａｐｔｉｏｎ，ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｏｔｈｅｒ　ｎａｒｒｏｗｂａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣＵＷＢ；Ｈｅｒｍｉｔｅ　ｍａｔｒｉｘ；Ｃｈｉｒｐ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　ｐｕｌｓｅｓ；ｓｈａｐｅｄ　ｐｕｌｓｅ；ＰＳＤ