CN103312375B - 基于线性调频脉冲的occ uwb系统干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于线性调频脉冲的OCC UWB系统干扰抑制方法，属于无线通信领域。该系统包括发射节点和目的终端。本发明方法旨在设计基于Chirp脉冲的并行OCC UWB系统，首先在发射节点使用低复杂度的正交Chirp码来表征每个数据比特的信息，降低了发射节点的复杂度，其次利用正交Chirp码的正交特性，使目的终端易于分离出不同用户的元码。本发明针对OCC UWB通信系统采用并行传输方法，并引入了低复杂度的正交Chirp码进行数据比特信息的发送，可以在实现多用户无线通信的同时，提高系统的干扰抑制能力和通信性能。

Description

基于线性调频脉冲的OCC UWB系统干扰抑制方法

技术领域

本发明涉及一种基于线性调频（Chirp）脉冲的正交互补码（OCC）超宽带（UWB）系统干扰抑制方法，属于无线通信领域。 

背景技术

自从FCC于2002年批准超宽带（UWB）技术可以民用以来，超宽带技术引起了人们越来越多的关注。超宽带技术具有传输功率低，低复杂度、低成本，抗干扰能力强及多径分辨率高等优点，被认为是下一代无线个人局域网（WPAN）的物理层标准，也是保证WPAN高速率、高质量、高兼容性通信的重要因素和条件之一。超宽带技术可以在较短的距离内，给便携电子设备和通信设备之间提供高速而可靠的数据连接。 

UWB信号极宽的带宽决定了其频谱不可避免的和已有的窄带通信系统在频域上重叠，超宽带系统的干扰抑制问题一直以来都是研究的热点。目前关于窄带干扰（NBI）对UWB系统的影响及抑制方法的研究也已有了不少成果。X.L.Chu等（参见Chu X.L.and Murch R.D.,“The Effect of NBI on UWB Time-Hopping Systems,”IEEE Trans.on Wireless Commun.,vol.3,pp.1431-1436,Sept.2004）在多径信道下分析了NBI对使用Rake接收机的跳时超宽带（TH-UWB）系统的影响，提出了三种抑制窄带干扰的方法，并给出了不同类型窄带干扰的模型，并将带限窄带信号近似为一个零均值的高斯随机过程。从扩频码角度出发解决超宽带系统中的多址及多径干扰问题也是一个热点，传统的直接序列超宽带（DS-UWB）系统中采用的扩频码都是单码（如m序列、Walsh码、Gold序列），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。而正交互补码是一种不同于单码的复合码序列，它是由一组元码构成，具有理想的相关性质，即自相关函数的旁瓣和互相关函数为零。正交互补码的正交性是由元码间的互补特性所实现。由于正交互补码具有理想的相关特性，正交互补码已经在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.Chua and M.Guizani,“On next generation CDMA technologies:The REAL approach for perfect orthogonal code generation,”IEEE Trans.on Vehicular Technology,vol.57,pp.2822-2833,2007）可以完全消除多径与多址干扰，并采用移位叠加（OS）调制方案实现了多速率传输。现有超宽带系统在抗窄带干扰、多径和多址干扰方面的设计方案缺少设计灵活性，且难以实现多窄带干扰的抑制和最佳的多径及多址干扰的消除。 

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线性调频脉冲的OCC UWB系统干扰抑制方法，采用并行的OCC UWB系统可以在抑制干扰的同时提高系统的传输速率和通信性能，很好的解决通信系统中多用户共存的问题。 

本发明的技术方案如下： 

一种基于线性调频脉冲的OCC UWB系统干扰抑制方法，包括发射节点和目的终端，其中发射节点配置单根天线，并通过无线多径信道向目的终端广播多用户信号；目的终端接收到的信号来自于发射节点发射的有用信号以及信道环境中的干扰信号，其中在发射节点使用 正交Chirp码来表征每个数据比特符号的信息，以便于在目的终端分离出不同用户的元码，该方法的具体步骤如下： 

A、OCC UWB通信系统准备开始工作； 

B、将OCC UWB通信系统的可用频段内的带宽分成L个子带，每个子带都满足UWB带宽的要求； 

C、设计低复杂度的具有窄带干扰抑制能力的正交Chirp码； 

D、每个子带内都分配一个Chirp码，每个Chirp码包含N个码片，每个码片是由具有窄带干扰抑制能力的Chirp脉冲来表征； 

E、设系统共有K个用户，{C¹,C²,…,C^K}是一正交互补序列集，第k个用户的扩频码为正交互补码M是k个用户的扩频码的元码个数，每个元码包含N个码片，发送数据时，我们一帧一帧的进行发送，设一帧中包含P个数据，首先用户发送的串行比特流经串并转换为P路，每路数据再复制成M个支路，这里假设M=P，每个支路数据由同一个正交互补码序列子集的不同元码及正交脉冲集中的不同正交脉冲表征，此时数据扩频后根据串并转换的路数，分别延时(p-1)·Δ个码片的时间，其中p是串并转换的第p路数据，Δ是相邻的比特间偏移间隔，各支路分别被承载到不同的正交Chirp码上； 

F、由发射节点发送数据符号，并通过正交Chirp码来表征发送的数据比特符号，最后所有的信号叠加在一起经天线发送，发送出去的UWB信号s(t)会经历多径信道，从而使UWB信号受到相应的衰减和延时，而与UWB系统共存的窄带干扰系统也会对UWB信号产生干扰，同时，加性高斯白噪声（AWGN）也会出现在接收信号中； 

G、在接收端，对每个子带内的接收信号r(t)通过Rake接收机进行处理，Rake接收机是一种能分离多径信号并有效合并多径信号能量的最终接收机，它包含F个相关器，相关器对接收信号r(t)与模板信号m(t)乘积进行积分； 

H、在第l个子带内，采用与发射节点对应子带内的发射脉冲相同的模板信号m(t)进行相关，先考虑第f个相关器的输出，其输出判决变量为Z_f，信号经历多径信道后，必然会受到多径干扰及噪声的影响，同时也会受到其他用户带来的多址干扰的影响，所以Z_f中包含有用信号分量S_UWB、窄带干扰分量S_I、多址干扰分量S_M、多径干扰分量S_P和加性高斯白噪声项S_n，即Z_f＝S_UWB+S_I+S_M+S_P+S_n； 

I、根据以上步骤我们可以得到每个子频带内的Rake接收机的输出判决变量y_m，采用最大似然判决准则，当发送比特独立同分布时，对存在窄带干扰时的多用户OCC UWB通信系统进行分析，可以得出通信系统的平均错误概率表达式为 

$P_e=\frac{1}{2}P(y_m<0|1_{\&prime;}^{\&prime;})+\frac{1}{2}P(y_m>0|0_{\&prime;}^{\&prime;})$

$=P(\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_f(S_{\mathrm{UWB}}+S_I+S_M+S_P+S_n)<0|1_{\&prime;}^{\&prime;})+P(\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_f(S_{\mathrm{UWB}}+S_I+S_M+S_P+S_n)<0|0_{\&prime;}^{\&prime;}),$

其中y_m为Rake接收机的输出判决变量，即F为Rake接 收机的分支数目，其中相关器的个数与Rake接收机的分支数目相同，w_f为第f个的加权因子，S_UWB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_n为加性高斯白噪声项，P(y_m＜0|′1′)指发送符号为1被判为0的概率，P(y_m＞0|′0′)指发送符号为0被判决为1的概率； 

J、当数据比特信息发送完毕时，通信结束。 

上面所述步骤C中的正交Chirp码的设计方法具体如下： 

1)每个Chirp码由正交互补码和Chirp脉冲组成，一个Chirp码包括N个码片，即正交互补码的码片个数，Chirp码长为T=T_c*N，其中T_c是每个码片的持续时间，N也是每个Chirp码的包含的码片的个数； 

2)第i个码片的Chirp脉冲表征为W_i(t)是表征第i个码片的脉冲，表示第k个用户的第m个元码的第i个码片，w(t)是基本参考脉冲，f_i是表征第i个码片的载频； 

3)为了保证各个脉冲的正交性，载频f_i需满足 $\left\{\begin{array}{c}{f}_i=(\mathrm{\&alpha;}+i)f_c\\ f_c\&GreaterEqual;B_{\mathrm{original}}\end{array}\right.,$ 其中α是常数，表示基本脉冲的频率偏移大小，f_c是频率步长，B_original是基本脉冲的带宽； 

4)基本参考脉冲的表达式即线性调频脉冲，脉冲持续时间是T_m，μ是扫频速率，脉冲带宽B等于脉冲持续时间与扫频速率之积即B＝μT_m。 

本发明中抗干扰方法的优点如下： 

1、本发明在发送端首先对UWB频段进行分割，得到L个不同的子带，每个子带使用复杂度低的正交Chirp码表征发送的数据比特信息，降低了系统发送端的复杂度。 

2、本发明在接收端基于正交Chirp码良好的正交特性，可以分离出不同的元码，有利于得到不同用户的发送信号，实现干扰的抑制和消除。 

3、本发明涉及并行OCC UWB通信系统的抗干扰设计，最大限度的提升了系统的抗干扰能力和系统性能。 

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图，其中：1、发射节点；2、无线多径信道(…表示多径信道集)；3、目的终端。 

图2是本发明方法的流程框图：其中A-J为各个步骤。 

图3是本发明方法步骤C中正交Chirp码的构建流程框图，其中1-4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。 

实施例： 

本发明实施例如图1所示，一种基于线性调频脉冲的OCC UWB系统干扰抑制方法，包括发射节点1和目的终端3，其中发射节点1配置单根天线，并通过无线多径信道2向目 的终端3广播多用户信号；目的终端3接收到的信号来自于发射节点1发射的有用信号以及信道环境中的干扰信号，其中在发射节点1使用正交Chirp码来表征每个数据比特符号的信息，以便于在目的终端3分离出不同用户的元码，该方法的具体步骤如下： 

A、OCC UWB通信系统准备开始工作； 

B、将OCC UWB通信系统的可用频段内的带宽分成L个子带，每个子带都满足UWB带宽的要求； 

C、设计低复杂度的具有窄带干扰抑制能力的正交Chirp码； 

D、每个子带内都分配一个Chirp码，每个Chirp码包含N个码片，每个码片是由具有窄带干扰抑制能力的Chirp脉冲来表征； 

E、设系统共有K个用户，{C¹,C²,…,C^K}是一正交互补序列集，第k个用户的扩频码为正交互补码M是k个用户的扩频码的元码个数，每个元码包含N个码片，发送数据时，我们一帧一帧的进行发送，设一帧中包含P个数据，首先用户发送的串行比特流经串并转换为P路，每路数据再复制成M个支路，这里假设M=P，每个支路数据由同一个正交互补码序列子集的不同元码及正交脉冲集中的不同正交脉冲表征，此时数据扩频后根据串并转换的路数，分别延时(p-1)·Δ个码片的时间，其中p是串并转换的第p路数据，Δ是相邻的比特间偏移间隔，各支路分别被承载到不同的正交Chirp码上； 

F、由发射节点发送数据符号，并通过正交Chirp码来表征发送的数据比特符号，最后所有的信号叠加在一起经天线发送，发送出去的UWB信号s(t)会经历多径信道，从而使UWB信号受到相应的衰减和延时，而与UWB系统共存的窄带干扰系统也会对UWB信号产生干扰，同时，加性高斯白噪声（AWGN）也会出现在接收信号中； 

G、在接收端，对每个子带内的接收信号r(t)通过Rake接收机进行处理，Rake接收机是一种能分离多径信号并有效合并多径信号能量的最终接收机，它包含F个相关器，相关器对接收信号r(t)与模板信号m(t)乘积进行积分； 

H、在第l个子带内，采用与发射节点对应子带内的发射脉冲相同的模板信号m(t)进行相关，先考虑第f个相关器的输出，其输出判决变量为Z_f，信号经历多径信道后，必然会受到多径干扰及噪声的影响，同时也会受到其他用户带来的多址干扰的影响，所以Z_f中包含有用信号分量S_UWB、窄带干扰分量S_I、多址干扰分量S_M、多径干扰分量S_P和加性高斯白噪声项S_n，即Z_f＝S_UWB+S_I+S_M+S_P+S_n； 

I、根据以上步骤我们可以得到每个子频带内的Rake接收机的输出判决变量y_m，采用最大似然判决准则，当发送比特独立同分布时，对存在窄带干扰时的多用户OCC UWB通信系统进行分析，可以得出通信系统的平均错误概率表达式为 

$P_e=\frac{1}{2}P(y_m<0|1_{\&prime;}^{\&prime;})+\frac{1}{2}P(y_m>0|0_{\&prime;}^{\&prime;})$

$=P(\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_f(S_{\mathrm{UWB}}+S_I+S_M+S_P+S_n)<0|1_{\&prime;}^{\&prime;})+P(\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_f(S_{\mathrm{UWB}}+S_I+S_M+S_P+S_n)<0|0_{\&prime;}^{\&prime;}),$

其中y_m为Rake接收机的输出判决变量，即F为Rake接收机的分支数目，其中相关器的个数与Rake接收机的分支数目相同，w_f为第f个的加权因子，S_UWB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_n为加性高斯白噪声项，P(y_m＜0|′1′)指发送符号为1被判为0的概率，P(y_m＞0|′0′)指发送符号为0被判决为1的概率； 

J、当数据比特信息发送完毕时，通信结束。 

上面所述步骤C中的正交Chirp码的设计方法具体如下： 

1)每个Chirp码由正交互补码和Chirp脉冲组成，一个Chirp码包括N个码片，即正交互补码的码片个数，Chirp码长为T=T_c*N，其中T_c是每个码片的持续时间，N也是每个Chirp码的包含的码片的个数； 

2)第i个码片的Chirp脉冲表征为W_i(t)是表征第i个码片的脉冲，表示第k个用户的第m个元码的第i个码片，w(t)是基本参考脉冲，f_i是表征第i个码片的载频； 

3)为了保证各个脉冲的正交性，载频f_i需满足 $\left\{\begin{array}{c}{f}_i=(\mathrm{\&alpha;}+i)f_c\\ f_c\&GreaterEqual;B_{\mathrm{original}}\end{array}\right.,$ 其中α是常数，表示基本脉冲的频率偏移大小，f_c是频率步长，B_original是基本脉冲的带宽； 

4)基本参考脉冲的表达式即线性调频脉冲，脉冲持续时间是T_m，μ是扫频速率，脉冲带宽B等于脉冲持续时间与扫频速率之积即B＝μT_m。 

Claims (2)

1.一种基于线性调频脉冲的OCC UWB系统干扰抑制方法，该OCC UWB即正交互补码超宽带系统包括发射节点和目的终端，其中发射节点配置单根天线，并通过无线多径信道向目的终端广播多用户信号；目的终端接收到的信号来自于发射节点发射的有用信号以及信道环境中的干扰信号，其中在发射节点使用正交Chirp码来表征每个数据比特符号的信息，以便于在目的终端分离出不同用户的元码，该方法的具体步骤如下： 

A、OCC UWB即正交互补码超宽带通信系统准备开始工作；

B、将OCC UWB通信系统的可用频段内的带宽分成L个子带，每个子带都满足UWB带宽即超宽带带宽的要求；

C、设计低复杂度的具有窄带干扰抑制能力的正交Chirp码；

D、每个子带内都分配一个Chirp码，每个Chirp码包含N个码片，每个码片是由具有窄带干扰抑制能力的Chirp脉冲来表征；

E、设系统共有K个用户，{C ¹,C ²,…,C ^K }是一正交互补序列集，第k个用户的扩频码为正交互补码                                               ，M是k个用户的扩频码的元码个数，每个元码包含N个码片，发送数据时，我们一帧一帧的进行发送，设一帧中包含P个数据，首先用户发送的串行比特流经串并转换为P路，每路数据再复制成M个支路，这里假设M=P，每个支路数据由同一个正交互补码序列子集的不同元码及正交脉冲集中的不同正交脉冲表征，此时数据扩频后根据串并转换的路数，分别延时个码片的时间，其中p是串并转换的第p路数据，△是相邻的比特间偏移间隔，各支路分别被承载到不同的正交Chirp码上；

F、由发射节点发送数据符号，并通过正交Chirp码来表征发送的数据比特符号，最后所有的信号叠加在一起经天线发送，发送出去的UWB信号s(t)会经历多径信道，从而使UWB信号受到相应的衰减和延时，而与UWB系统共存的窄带干扰系统也会对UWB信号产生干扰，同时，加性高斯白噪声也会出现在接收信号中；

G、在接收端，对每个子带内的接收信号r(t)通过Rake接收机进行处理，Rake接收机是一种能分离多径信号并有效合并多径信号能量的最终接收机，它包含F个相关器，相关器对接收信号r(t)与基于发射脉冲所产生的模板信号m(t)乘积进行积分；

H、在第l个子带内，采用与发射节点对应子带内的发射脉冲相同的模板信号m(t)进行相关，先考虑第f个相关器的输出，其输出判决变量为Z _f ，信号经历多径信道后，必然会受到多径干扰及噪声的影响，同时也会受到其他用户带来的多址干扰的影响，所以Z _f 中包含有用信号分量S _UWB 、窄带干扰分量S _I 、多址干扰分量S _M 、多径干扰分量S _P 和加性高斯白噪声项S _n ，即；

I、根据以上步骤我们可以得到每个子频带内的Rake接收机的输出判决变量y _m ，采用最大似然判决准则，当发送比特独立同分布时，对存在窄带干扰时的多用户OCC UWB通信系统进行分析，可以得出通信系统的平均错误概率表达式为

， 

其中y _m 为Rake接收机的输出判决变量，即，F为Rake接收机的分支数目，其中相关器的个数与Rake接收机的分支数目相同，w _f 为第f个的加权因子，S _UWB 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 _n 为加性高斯白噪声项，指发送符号为1被判为0的概率，指发送符号为0被判决为1的概率；

J、当数据比特信息发送完毕时，通信结束。

2.如权利要求1所述的一种基于线性调频脉冲的OCC UWB系统干扰抑制方法，所述步骤C中的正交Chirp码的设计方法具体如下：

1)      每个Chirp码由正交互补码和Chirp脉冲组成，一个Chirp码包括N个码片，即正交互补码的码片个数，Chirp码长为T=T _c *N，其中T _c 是每个码片的持续时间，N也是每个Chirp码的包含的码片的个数；

2)      第i个码片的Chirp脉冲表征为，W _i (t)是表征第i个码片的脉冲，表示第k个用户的第m个元码的第i个码片，w(t)是基本参考脉冲，f _i 是表征第i个码片的载频；

3)      为了保证各个脉冲的正交性，载频f _i 需满足，其中α是常数，表示基本脉冲的频率偏移大小，f _c 是频率步长，B _original 是基本脉冲的带宽；

基本参考脉冲的表达式，即线性调频脉冲，脉冲持续时间是T _m ，是扫频速率，脉冲带宽等于脉冲持续时间与扫频速率之积即。