本發(fā)明屬于超寬帶脈沖波形設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種改進型超寬帶頻移高斯波形脈沖設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

超寬帶(ultra-wideband，uwb)無線通信系統(tǒng)采用納秒級超短脈沖作為信息載體，通過對窄脈沖調(diào)制來承載要發(fā)送的數(shù)字信息。該技術(shù)具有通信容量大、發(fā)射功率低、抗多徑干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單和保密性好等優(yōu)點。目前，uwb無線電通信中唯一可用的輻射掩蔽標準是由美國聯(lián)邦通信委員會(federalcommunicationcommission，fcc)制定的[fcc，2002]。對于室內(nèi)uwb系統(tǒng)，掩蔽限制是針對3.1～10.6ghz范圍內(nèi)的-10db帶寬，且對帶外輻射掩蔽也有嚴格限制。根據(jù)fcc對輻射模板的要求，uwb脈沖須占用很寬的頻譜，為避免對寬帶內(nèi)其他通信設(shè)施的干擾，良好的窄脈沖設(shè)計尤其重要。

現(xiàn)如今，超寬帶脈沖的研究方法可以分為兩類：一類是從時域到頻域的設(shè)計方式，即根據(jù)脈沖的時域表達式分析其頻譜是否滿足fcc的頻譜掩蔽，按照其約束條件修訂脈沖參數(shù)；另一類是從頻域到時域，即根據(jù)頻譜掩蔽在頻域的約束條件，反過來求得脈沖在時域的表達式，各種濾波器的設(shè)計思想都屬于這一類方法。

為了得到滿足fcc標準的超寬帶脈沖波形，國內(nèi)外諸多學(xué)者對脈沖波形的設(shè)計與優(yōu)化進行研究。win和scholtz提出將高斯函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)作為脈沖無線電系統(tǒng)的脈沖波形，它克服了高斯脈沖含有直流分量且輻射效率不高的缺點；ghavami等人提出用hermite多項式函數(shù)作為超寬帶脈沖，利用不同階多項式的正交性減小多用戶間干擾；sheng等人提出了一種選擇高斯脈沖最佳微分階數(shù)和最佳形成因子并使之逼近輻射掩蔽的算法，但采用單個脈沖很難高效地逼近掩蔽標準；與此同時，parr通過從頻域出發(fā)通過特征值分解數(shù)字濾波器的方法求得了兩個脈沖，即parr脈沖，該方法設(shè)計的脈沖能量大部分集中在3.1～10.6ghz范圍內(nèi)，較好地符合頻譜要求且具有靈活性，不同的頻譜限制對應(yīng)不同的帶通濾波器；張洪剛等人提出用近似扁長橢球波函數(shù)(pswf)作為ds～uwb的脈沖，該脈沖具有正交完備性且可以實現(xiàn)靈活的頻譜控制；ruichen提出采用瑞利脈沖及其各階導(dǎo)數(shù)進行線性組合的方法產(chǎn)生脈沖；白智全等人提出采用頻移高斯波形(spectrumshiftedgaussianwaveforms，ssgw)的方法，從頻域出發(fā)確保時域脈沖的波形滿足fcc頻譜掩蔽，該方法具有顯著的靈活性，且應(yīng)用廣泛；zhendongyin等人提出一種新的波分復(fù)用超寬帶無線通信系統(tǒng)脈沖波形設(shè)計，其相關(guān)性和誤碼率(ber)性能明顯提高，接近單用戶系統(tǒng)。

目前的設(shè)計方法得到的超寬帶脈沖應(yīng)用于fcc的頻譜掩蔽時，功率譜密度利用率低，傳輸距離短。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種改進型超寬帶頻移高斯波形脈沖設(shè)計方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的：

這種改進型超寬帶頻移高斯波形脈沖設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟：

1).將0～12ghzuwb頻譜分成4～6個子頻帶，對每個子頻帶確定中心頻率；選擇一種高斯函數(shù)作為基脈沖函數(shù)；

2).將基脈沖函數(shù)分別與具有不同子頻帶中心頻率的正弦載波相乘得到若干個乘式，把每個乘式乘以一個使得超寬帶脈沖功率譜利用率最優(yōu)的最優(yōu)加權(quán)系數(shù)后相加，得到超寬帶脈沖，所述超寬帶脈沖的時域表達式為：

x(t)＝p(t){a1cos(2πfc1t)+a2cos(2πfc2t)+…+ancos(2πfcjt)}

其中p(t)是基脈沖函數(shù)；a＝[a1,a1,…,an]是加權(quán)系數(shù)，每個子頻帶對應(yīng)一個系數(shù)an；f＝[fc1,fc1,…fcj]是調(diào)制正弦載波子頻帶中心頻率；t為時間。

進一步地，將0～12ghzuwb頻譜劃分成5個子頻帶，分別為：0-0.96ghz，0.96-1.61ghz，1.61-3.1ghz，3.1-10.6ghz，10.6-12ghz。

進一步地，所述基脈沖函數(shù)為

進一步地，所述子頻帶中心頻率的確定方法為，如果fmax—fmin＜2ghz，那么中心頻率的數(shù)量為一個，且f中心＝(fmax+fmin)/2；如果fmax—fmin＞2ghz，那么中心頻率的數(shù)量大于一個，第一個取值為f中心＝(fmax+fmin)/2；其他取值為(fmax+fmin)/2+z或(fmax+fmin)/2—z，且(fmax+fmin)/2+z和(fmax+fmin)/2—z所得到的頻率都必須在它所屬的子頻帶范圍內(nèi)；

其中fmax為一個子頻帶最大頻率；fmin為一個子頻帶最小頻率；f中心為子頻帶中心頻；z為正整數(shù)，且1≤z≤12。

進一步地，所述最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)通過rs算法取得，具體步驟為：

5.1)用隨機函數(shù)產(chǎn)生一組加權(quán)系數(shù)，記為a；

5.2)檢驗超寬帶脈沖x(t)的功率譜密度是否滿足fcc頻譜限制；

5.3)如果不滿足，返回步驟5.1)；如果滿足，令s＝a；

5.4)重新選擇新的一組加權(quán)系數(shù)a，檢驗新的超寬帶脈沖的頻譜密度是否滿足比加權(quán)系數(shù)為s的超寬帶脈沖的頻譜密度更接近頻譜掩模，如果滿足，令s＝a；

5.5)如果不滿足，判斷超寬帶脈沖x(t)的功率譜密度是否達到最優(yōu)條件，如果達到最優(yōu)條件，則s即為一組所求最優(yōu)加權(quán)系數(shù)，如果沒達到最優(yōu)條件，返回步驟5.4)。

進一步地，所述最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)通過lse算法取得，具體步驟為：

6.1)用隨機函數(shù)產(chǎn)生一組加權(quán)系數(shù)，記為a；

6.2)產(chǎn)生若干組加權(quán)系數(shù)a，代入目標函數(shù)：

求出合成脈沖頻譜密度與fcc輻射掩蔽之間的最小分散度e，其中m(t)是fcc制定室內(nèi)uwb頻譜掩模規(guī)范轉(zhuǎn)化成電壓掩蔽，m(t)獲得過程是將經(jīng)過歸一化的功率輻射掩蔽與自由空間阻抗相除，取其平方根，然后進行傅里葉逆變換而得出；p(t)為基脈沖函數(shù)，a＝[a1,a1,…,an]是加權(quán)系數(shù)，每個子頻帶對應(yīng)一個系數(shù)an；f＝[fc1,fc1,…fcj]是調(diào)制正弦載波子頻帶中心頻率，fcj為0～12ghzuwb頻譜范圍內(nèi)第j個子頻帶中心頻率；

6.3)把取得最小分散度e時的這一組加權(quán)系數(shù)a記為s，此時s為最優(yōu)加權(quán)系數(shù)。

本發(fā)明有如下的有益效果：

本發(fā)明把0～12ghzuwb頻譜分成子頻帶，然后對每個子頻帶確定中心頻率；選擇一種高斯函數(shù)作為基脈沖函數(shù)，用高斯脈沖基函數(shù)乘以一個中心頻率的正弦載波再乘以一個加權(quán)系數(shù)，再把所有的乘式相加得到本發(fā)明的超寬帶脈沖函數(shù)的時域表達式，該表達式所對應(yīng)的脈沖在應(yīng)用于fcc頻譜掩蔽時，功率譜利用率高，傳輸距離遠。

進一步地，本發(fā)明把0～12ghzuwb頻譜劃分成5個子頻帶，分別為：0-0.96ghz，0.96-1.61ghz，1.61-3.1ghz，3.1-10.6ghz，10.6-12ghz；這樣的劃分方式符合fcc頻譜掩模特點，使得最終得出的超寬帶脈沖頻譜利用率更高。

進一步地，基脈沖選擇為這個函數(shù)對應(yīng)的脈沖信號能更好的應(yīng)用于fcc頻譜掩模。

進一步地，對于這個基函數(shù)，對應(yīng)最優(yōu)中心頻率間距劃分方式而產(chǎn)生的中心頻率，代入超寬帶脈沖得以產(chǎn)生最優(yōu)的超寬帶脈沖。

進一步地，最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)通過rs算法取得，使得選出最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)運算進超寬帶脈沖的時域表達式，從而使得超寬帶脈沖的頻譜利用率更好。

進一步地，最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)通過lse算法取得，使得選出最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)運算進超寬帶脈沖的時域表達式，從而使得超寬帶脈沖的頻譜利用率更好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明采用rs算法取得加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解代入寬帶脈沖時域表達式所產(chǎn)生超寬帶脈沖時域波形圖；

圖2為本發(fā)明采用lse算法取得加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解帶入超寬帶脈沖時域表達式所產(chǎn)生超寬帶脈沖時域波形圖；

圖3為本發(fā)明采用rs與lse算法取得加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解帶入超寬帶脈沖時域表達式所產(chǎn)生超寬帶脈沖與高斯導(dǎo)函數(shù)組合方法產(chǎn)生脈沖功率譜密度比較圖；

圖4為本發(fā)明采用rs與lse算法取得加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解帶入超寬帶脈沖時域表達式所產(chǎn)生超寬帶脈沖改進頻移高斯波形方法系統(tǒng)鏈路性能與高斯導(dǎo)函數(shù)組合方法、頻移高斯波形方法比較圖；

圖5為本發(fā)明超寬帶脈沖產(chǎn)生的實施例。

其中：rs-ssgw為采用rs算法取得加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解帶入超寬帶脈沖時域表達式所產(chǎn)生超寬帶脈沖；lse-ssgw為lse算法取得加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解帶入超寬帶脈沖時域表達式所產(chǎn)生超寬帶脈沖；rs-gaussian為采用rs算法高斯導(dǎo)函數(shù)組合方法產(chǎn)生的超寬帶脈沖；lse-gaussian為采用lse算法高斯導(dǎo)函數(shù)組合方法產(chǎn)生的超寬帶脈沖；ssgw為頻移高斯波形方法產(chǎn)生的超寬帶脈沖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

參見圖1-5，本發(fā)明改進型超寬帶頻移高斯波形脈沖設(shè)計方法，包括以下步驟：

1)將0～12ghzuwb頻譜分成4～6個子頻帶，對每個子頻帶確定中心頻率；選擇一種高斯函數(shù)作為基脈沖函數(shù)；

2)將基脈沖函數(shù)分別與具有不同子頻帶中心頻率的正弦載波相乘得到若干個乘式，把每個乘式乘以一個使得超寬帶脈沖功率譜利用率最優(yōu)的最優(yōu)加權(quán)系數(shù)后相加，得到超寬帶脈沖，所述超寬帶脈沖的時域表達式為：

x(t)＝p(t){a1cos(2πfc1t)+a2cos(2πfc2t)+…+ancos(2πfcjt)}

其中p(t)是基脈沖函數(shù)；a＝[a1,a1,…,an]是加權(quán)系數(shù)，每個子頻帶對應(yīng)一個系數(shù)an；f＝[fc1,fc1,…fcj]是調(diào)制正弦載波子頻帶中心頻率，fcj表示第j個子頻帶中心頻率；t為時間。

將0～12ghzuwb頻譜劃分成5個子頻帶，分別為：0-0.96ghz，0.96-1.61ghz，1.61-3.1ghz，3.1-10.6ghz，10.6-12ghz。

所述基脈沖函數(shù)為

所述子頻帶中心頻率的確定方法為，如果fmax—fmin＜2ghz，那么中心頻率的數(shù)量為一個，且f中心＝(fmax+fmin)/2；如果fmax—fmin＞2ghz，那么中心頻率的數(shù)量大于一個，第一個取值為f中心＝(fmax+fmin)/2；其他取值為(fmax+fmin)/2+z或(fmax+fmin)/2—z，且(fmax+fmin)/2+z和(fmax+fmin)/2—z所得到的頻率都必須在它所屬的子頻帶范圍內(nèi)；

其中fmax為一個子頻帶最大頻率；fmin為一個子頻帶最小頻率；f中心為子頻帶中心頻；z為正整數(shù)，且1≤z≤12。

對于基脈沖函數(shù)為的高斯脈沖，相鄰中心頻率的間距為1ghz高斯脈沖的功率譜密度求和，其總功率譜保持在一個恒定值。由于uwb整個帶寬被劃分成5個子頻帶，子頻帶的頻率為0-0.96ghz，0.96-1.61ghz，1.61-3.1ghz，3.1-10.6ghz，10.6-12ghz，對于1、2、3、5部分，只需通過簡單取中間值計算即可得到各中心頻率點，分別為fc1＝0.48ghz，fc2＝1.28ghz，fc3＝2.35ghz，fc11＝11.3ghz；而第4部分，則應(yīng)首先找到其中心頻率點fc4＝6.85ghz(即fc4＝(3.1+10.6)/2)，然后以此點為中心1ghz為間距在3.1-10.6ghz內(nèi)向兩端延伸，得到各中心頻率點為：fc5＝5.85ghz，fc6＝7.85ghz，fc7＝4.85ghz，fc8＝8.85ghz，fc9＝3.85ghz，fc10＝9.85ghz。

所述最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)通過rs算法取得，所述rs算法為隨機選擇算法，具體步驟為：

5.1)用隨機函數(shù)產(chǎn)生一組加權(quán)系數(shù)，記為a；

5.2)檢驗超寬帶脈沖x(t)的功率譜密度是否滿足fcc頻譜限制；

5.3)如果不滿足，返回步驟5.1)；如果滿足，令s＝a；

5.4)重新選擇新的一組加權(quán)系數(shù)a，檢驗新的超寬帶脈沖的頻譜密度是否滿足比加權(quán)系數(shù)為s的超寬帶脈沖的頻譜密度更接近頻譜掩模，如果滿足，令s＝a；

5.5)如果不滿足，判斷超寬帶脈沖x(t)的功率譜密度是否達到最優(yōu)條件，如果達到最優(yōu)條件，則s即為一組所求最優(yōu)加權(quán)系數(shù)，如果沒達到最優(yōu)條件，返回步驟5.4)。

所述rs算法的最優(yōu)條件是指當選取a的數(shù)量足夠多時，也就是a的迭代次數(shù)足夠大時，結(jié)果會呈現(xiàn)一個收斂的狀態(tài)，根據(jù)實際收斂情況選取一個比收斂數(shù)值要求更高的最優(yōu)條件值，這樣就完成了收斂數(shù)值的選定。

而rs算法中最優(yōu)條件值的設(shè)定決定了程序的運行時間以及結(jié)果的精確度，用一種簡化的形式來替換最優(yōu)條件值，設(shè)置一個迭代次數(shù)，迭代次數(shù)為100～200之間的一個數(shù)。

所述最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)通過lse算法取得，所述lse算法為leastsquareerror算法，具體步驟為：

6.1)用隨機函數(shù)產(chǎn)生一組加權(quán)系數(shù)，記為a；

6.2)產(chǎn)生若干組加權(quán)系數(shù)a，代入目標函數(shù)：

求出合成脈沖頻譜密度與fcc輻射掩蔽之間的最小分散度e，其中m(t)是fcc制定室內(nèi)uwb頻譜掩模規(guī)范轉(zhuǎn)化成電壓掩蔽，m(t)獲得過程是將經(jīng)過歸一化的功率輻射掩蔽與自由空間阻抗相除，取其平方根，然后進行傅里葉逆變換而得出；p(t)為基脈沖函數(shù)，a＝[a1,a1,…,an]是加權(quán)系數(shù)，每個子頻帶對應(yīng)一個系數(shù)an；f＝[fc1,fc1,…fcj]是調(diào)制正弦載波子頻帶中心頻率，fcj為0～12ghzuwb頻譜范圍內(nèi)第j個子頻帶中心頻率；

6.3)把取得最小分散度e時的這一組加權(quán)系數(shù)a記為s，此時s為最優(yōu)加權(quán)系數(shù)。

求取最優(yōu)分散度e這個公式是lsqlin函數(shù)的變形，lsqlin函數(shù)本身就是求解目標函數(shù)的最小值，所以lsqlin函數(shù)的可求出最優(yōu)分散度；

現(xiàn)有技術(shù)高斯脈沖求取加權(quán)系數(shù)調(diào)整過程計算復(fù)雜，誤差過大，嚴重時會導(dǎo)致得出的超寬帶脈沖不能滿足fcc的頻譜掩蔽要求。

將對0～12ghzuwb頻譜劃分5個子頻帶再劃分中心頻率，超寬帶脈沖的時域表達式可以具體描述為：

由圖3可以看出，本發(fā)明采用rs與lse算法取得加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解帶入超寬帶脈沖時域表達式所產(chǎn)生超寬帶脈沖rs-ssgw與lse-ssgw，比高斯導(dǎo)函數(shù)組合方法產(chǎn)生脈沖rs-gaussian與lse-gaussian，功率譜密度利用率更高，更加符合fcc頻譜掩模，其中在頻率高于4ghz時，本發(fā)明產(chǎn)生脈沖的功率譜密度更加接近掩模規(guī)范，具有更高的頻譜利用率。

由圖4可以看出，本發(fā)明采用rs與lse算法取得加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解帶入超寬帶脈沖時域表達式所產(chǎn)生超寬帶脈沖rs-ssgw與lse-ssgw在改進頻移高斯波形方法系統(tǒng)鏈路性能上，比高斯導(dǎo)函數(shù)組合方法的rs-gaussian與lse-gaussian、頻移高斯波形方法ssgw所產(chǎn)生超寬帶脈沖改進頻移高斯波形方法系統(tǒng)鏈路性能強，本發(fā)明的效果更優(yōu)。尤其是當傳輸數(shù)據(jù)速率均為40mb/s時，采用本發(fā)明rs與lse算法取得加權(quán)系數(shù)最優(yōu)解帶入超寬帶脈沖時域表達式所產(chǎn)生脈沖與同樣采用上述兩種算法的高斯導(dǎo)函數(shù)組合方法相比，在傳輸距離方面分別增加約8米與6米，取得的效果更好。