1、河北工業大學城市學院本科畢業設計（論文）中期報告河北工業大學城市學院 2015 屆本科畢業設計（論文）中期報告畢業設計（論文）題目：超寬帶陷波天線設計與仿真專業（方向）：通信工程學生信息：學號：115338115338姓名： 張 釗班級：通信 C113C113指導教師信息：姓名：夏克文職稱：教授報告提交日期：20142014 年 4 4 月 2525 日內容要求：本課題中期任務主要研究了超寬帶（UWB，Ultra Wideband）脈沖設計與窄帶干擾抑制等問題。（1） UWB 的干擾來源和對象：由于UWB 脈沖持續時間非常短，其頻譜可能寬達數GHz,理論上它對現存所有電子系統都會產生干擾，同時

2、 UWB 系統也將受到來自其它無線通信系統的干擾。總體來說，與UWB 相互干擾的無線系統主要是：地面通信系統（固定點對點系統， 蜂窩通信和廣播）；GPS;衛星通信；無線電導航或是探測系統；工作在美國供應管理協會（the Institutefor Supply Management , ISM ）波段系統，比如 802.11a,802.11b，Bluetooth 等；其它業余無線電。這些無線系統相對于UWB 而言，都可以看成是窄帶系統。（2）UWB 系統對窄帶系統的干擾抑制：超寬帶陷波天線常用方案有兩個，第一，在天線前端添加具有帶阻特性的濾波器；第二，在天線輻射結構中引入輻射單元。本文依據陷波的

3、原理， 設計了 FIR 和 IIR 陷波器，現有的抑制干擾的脈沖成形算法主要是依據特定的脈沖成形算法來產生在某頻點或頻段上功率值為零的點。在現有脈沖成形算法的基礎上，使脈沖通過陷波器來達到在特定頻段上陷波的目的，從而使脈沖具有一定的抑制干擾能力。1.1.脈沖波形設計傳統采用高斯脈沖、Rayleigh 脈沖、PSWFs 脈沖、小波函數等以及它們的高次階脈沖，其能量主要集中在某段頻譜上，不能充分挖掘UWB 的潛力。新的脈沖波形設計既要符合FCC 的功率限制并盡可能逼進FCC 規定的功率最大限，同時也要考慮到與其它系統的共存問題。文獻1提出了采用 Doublet 脈沖的方式來避免對 GPS 等的干擾

4、， 但其脈沖頻譜上 的零點不是隨意可調的，脈沖頻譜零點的寬度也難于控制，因此學者們提出了另外的一些河北工業大學城市學院本科畢業設計(論文)中期報告解決方案， 其中很多思想都與軟頻譜自適應（SSA）設計方案接近， 即在時域上設計一組脈沖波形，每個脈沖波形能高效率地匹配上目標功率譜形狀的一部分，再通過組合脈沖合成河北工業大學城市學院本科畢業設計(論文)中期報告即使將來美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission.也很容易修改設計，同時也提供了動態回避窄帶干擾的可能。表示為矩陣形式即為:氣1L“0L煜不同的功率譜形狀,FCC)更改了譜形,1.11.1 基于特

5、征值分解的UWBUWB 脈沖設計方法假定頻率響應為H(f)，所求的脈沖信號呃)持續時間為Tm，它通過頻率響應為H(f)的濾波器時要求有最小的失真,即信號 呃)通過濾波器，輸出為入們，其中入為衰減系數。嘰 t)是時間有限信號2，具有如下形式:“pt七/2t0其他(1-1)其中 p (t)為滿足條件的 UWB 信號。濾波器的輸出為:QQ- t二-( Th(t - TdoO(1-2)在一定 t = .T；2- (Th(t一Td一Tm/2(1-3)上式的精確解即為熟知的長球面波函數，但得到函數的精確解是很困難的。因此可以使上式Tm抽樣 N 次，上式就化為如下形式:N/2n=、m二N/2Im lh In

6、 - mn=-N/2 ,，N/2(1-4)-N一2h0h1Mh-1h-Nh0h-N 1MhjhW一2j- 12M 0M(1-5)ylhNhN -1h0河北工業大學城市學院本科畢業設計(論文)中期報告式(1-5 )可以寫為入2=H則可以通過對矩陣 H 的特征值分解求出入和嘰根據長球面波函數的特性，特征值對應于特征向量的能量在頻譜模板H(f)中所占的比例，換言之，特征值越大，對應的特征向量的能量就越接近H(f)。因此，只有對應于較大特征值的特征向量可用于脈沖設計。此外，H 是一個 Hermitian 陣，它的特征值是實數，特征向量正交，因此可以在UWB 系統中應用多路正交 UWB 脈沖而相互之間不

7、產生干擾。FCC 頻譜限制被看成是一個濾波器的頻譜特性H ( f)=fd其他fu10其他其中，fd= 3.1GHz;fu= 10.6GHz。令h(t)為H f的傅里葉反變換，入為衰減系數，要產生的 UWB 脈沖波形 s(t)應當滿足：冷(t) . (f)h(t - f)df(1-8)為了限制 UWB 脈沖的持續時間，S(t)必須滿足：|t|Tm/2 時，S(t)= 0。這里，Tm 為脈沖持續時間。將 Tm 平均分為 N 等分，則式(2)可被離散化為N/2 sn = skh(n -k)(1-9)k=_N/2其中，sn=s(nTm/ N), hn=h(nTm/ N), n=-N/2 , -N/2+

8、 1 ,，N/2。將式(1-9)轉換為矩陣形式，得到2Hs(1-10)其中，向量 s s 表示離散化的 UWB 脈沖，其第 k 個元素為 sk-N/2;H 為(N+ 1) (N+ 1)維的矩 陣，其第i 行第 j 列的元素為 hi-j;k , i, j= 0 ,1，N。用 H 的最大特征值對應的特征向量就能生成滿足 FCC 限制的 UWB 脈沖。h0h1JhNh1h Nh0 . hN 1MNNhq-1.hMhN-1.h0(1-6)(1-7)河北工業大學城市學院本科畢業設計(論文)中期報告1.21.2 抑制單窄帶干擾的 UWBUWB 脈沖下文將基于特征值分解法構造能夠抑制單個窄帶干擾的UWB 脈

9、沖。假設在 UWB 頻帶范圍內有通信系統，其中心頻率為f0，帶寬遠遠小于 UWB 信號帶寬。為了使所設計的 UWB 脈沖在滿足 FCC 限制的條件下，與這個窄帶系統之間的干擾能 夠得到有效抑制，一個最佳的方案就是讓UWB 脈沖的功率譜在f0處形成零點。在討論具體方法之前，先給出矩陣H 的幾個重要性質。定義 1 如果向量X滿足，則稱 x 為奇向量；如果向量X滿足，則稱X為偶向量。這里，X表 示將向量X的元素倒序排列生成的向量。定理 1：H 的所有非零特征值對應的特征向量要么是奇向量要么是偶向量。定理 2： 由 H 的偶特征向量構造的 UWB 脈沖的頻譜只有實部；由奇特征向量構造的 UWB 脈沖的

10、頻譜只有虛部。另外，采用特征值分解法構造的UWB 脈沖功率譜有快速下降的上下邊帶2。利用上述性質，就可以構造出滿足條件的UWB 脈沖。具體方法如下：1在(fd,fu)的頻段范圍內劃分一個低頻段(fd,S2(t)和一個高頻段(fd2,0(2 個頻段可以有交疊)。以這 2 個頻段為基礎，根據式(1)(4)構造 2 個矩陣H和。2從H和耳中各選擇一個特征向量，使它們具有相同的奇偶性，且對應的特征值盡可能大。再用它們分別構造一個滿足 FCC 限制的子脈沖S (t)和S(t)。通過調節參數fd1、fd2和脈沖幅度，使得 2 個子脈沖的頻譜0(f)和S2(f)滿足S1(f0S2(f0)。圖中給出了由 2

11、個偶向量構造的子脈沖頻譜。3將這 2 個子脈沖疊加就得到了在f0處功率譜為 0 的 UWB 脈沖。可以通過改變參數fu1、fd2和Tm，調整所得到的 UWB 脈沖在f0附近的干擾抑制能力。做以下幾點說明：1由定理 2 可知，具有相同奇偶性向量構造的脈沖頻譜要么是實數，要么是虛數，因此，通過適當調整參數能夠使S( fo ) = -S2(fo)，保證子脈沖疊加后的頻譜在fo處形成零點。2通過大量仿真可知，H2(或H2)的最大 2 個特征值對應的特征向量總是具有不同的河北工業大學城市學院本科畢業設計(論文)中期報告奇偶性。因此，分別從 H,和耳的最大 2 個特征值所對應的特征向量中選出一個向量組成一

12、河北工業大學城市學院本科畢業設計(論文)中期報告對具有相同奇偶性的向量。3因為 S(f)=S2(fo)+S2(f)=0,且在較窄的頻帶范圍內，S和S2(f)的值變化很小，產生 UWB 脈沖的功率譜密度在f0附近幾乎等于零。4高頻脈沖在低頻段的頻譜接近于零， 則低頻段 UWB 脈沖的頻譜S(f)：、S2(f)；同理，在高頻段，S(f):S2(f)。因此，只需要讓低頻脈沖滿足FCC 對低頻的限制，高頻脈沖滿足 FCC 對高頻的限制就可以使所設計的UWB 脈沖滿足 FCC 頻譜限制。利用上述方法，設計了一個能夠有效抑制f0=6.88GHz 的窄帶系統與 UWB 系統之間相互干擾的 UWB 脈沖波 形

13、，如圖所示。其中，fu1=7GHz，fd2= 6.88GHz，N= 128，Tm= 1 ns。該脈沖是由H1和H2中具有最大特征值的 2 個奇特征向量構造而成的。由圖可知，其功率譜不僅滿足 FCC 限制，而且在f0附近的功率譜也被有效抑制了。經計算，在以 6. 88GHz 為中心的 100MHz 帶寬內，其功率譜密度的最大值小于 -75 dBm /MHz;在 10 MHz 帶寬內，其功率譜密度的最大值小于-96dBm/MHz。文獻3給出了在給定頻率點實現陷波的算法，以PSWFs 脈沖為例，簡述如下：(1 )將整個頻帶劃分為兩個子帶(a，fH1)和(fL2,b)，且fH1(t)，兩個脈沖 的奇偶

14、性必須相同，所選的脈沖對應的特征值盡可能大。(3) 將Sjt)、S2(t)相加得到S(t) = s(t) S2(t)，S(t)的頻譜S(f)二S1(f) S2(f)即 能實現在指定頻率點f。的陷波。若將整個頻帶劃分為多個子帶，按照同樣的步驟即可實現多點陷波。抑制單點窄帶干擾算法仿真：將(3.1-10.6GHZ )的頻段劃分成(3.1-6.88GHZ )、( 6.88-10.6GHz )兩個頻段，分別求 每一頻段內的脈沖響應，然后將兩個脈沖疊加。仿真條件為n=1ns， N=128，如圖:河北工業大學城市學院本科畢業設計(論文)中期報告(c)疊加后的脈沖波形(d)該頻段的功率譜密度1.31.3 抑

15、制多窄帶干擾的 UWBUWB 脈沖假設在 UWB 帶寬內有 N 個窄帶系統，把 UWB 帶寬分成了 N+ 1 個子帶(頻率間隔較近 的窄帶系統可看作是同一個窄帶系統)。首先，利用特征值分解構造出滿足 FCC 限制的 N+ 1 個子脈沖，然后調整各子帶的頻率范圍和脈沖幅度等參數，使其在頻域上相鄰子脈沖的頻譜在各窄帶系統的中心頻率處大小相等，符號相反。圖中給出了一個能夠抑制中心頻率為5.6 GHz 和 8.1GHz 的窄帶系統與 UWB系統之間相互干擾的 UWB 脈沖波形和功率譜密度，其中， N= 128，Tm=1 ns。它是由 3 個 奇特征向量構造而成的。3 個子帶的頻率范圍依次為：(3. 1

16、 GHz， 5. 9 GHz)，(5. 3GHz，8.4GHz)和(7.8GHz，10.6GHz)。由圖可知，該脈沖的功率譜在5.6 GHz 和 8. 1GHz 附近被有效地抑制了。將(3.1-10.6GHZ )的頻段劃分成(3.1-5.9GHZ )、( 5.3-8.4GHZ )、( 7.8-10.6GHz )三個頻段，分別求每一頻段內的脈沖響應，然后將三個脈沖疊加。仿真條件為=1ns, N=128，如oo1X(a)10-o1X1111st/n圖 1.(a)3.16.88GHz 的脈沖響應(b)6.8810.6GHz 的脈沖響應藝apn七豆Esmpw_dEsmpa(ZH乏rlumPMl一cnu

17、ap -E芯ads河北工業大學城市學院本科畢業設計(論文)中期報告圖:河北工業大學城市學院本科畢業設計(論文)中期報告0.23vpw_dEwap=一一dEJI oo 143-sa一一dE5t/s (cj-10 x 10圖 2. (a)3.15.9GHz 的脈沖響應5 .2- o.一1o.o-Jt/s0 6t/s (d)15 0 50-O. wcupnl一一duu11ii-I*1 J.di14IIi-F !A A 4 411i11j511015f/GHz圖 3該頻段的功率譜密度河北工業大學城市學院本科畢業設計(論文)中期報告總結：利用以上的方法設計的UWB 脈沖不僅具有很短的持續時間，而且能夠在

18、滿足FCC 頻譜限制的基礎上，有效地抑制 UWB 系統與多個窄帶系統之間的干擾。特別是由于此方法主要抑制窄帶系統頻段附近的UWB 脈沖功率譜，而不需要在整個頻段范圍內降低其功率譜，這意味著可使所產生的UWB 脈沖的功率譜在各個窄帶系統的工作頻段范圍內滿足FCC 限制(甚至更低)，而在其他頻段高于 FCC 劃定的上界，從而提高 UWB 系統的發射功率，突破 UWB 系統的短距離限制。參考文獻：1 Foerster,J.R .In terfere nee modeli ng of pulse-based UWB waveforms on n arrow band systemsJ,VTC Spri ng.14(10),1931-1935,.2 Parr B,Cho B,Wallace K,et al.A novel ultra-wideba nd pulse design algorithm. CommunicationsLetters IEEE, 2003, 7(5):219 - 221.3 LUO Zhe ndong, GAO Ho ng , LIU Yua nan. A new UWB pulse desig n method for n arrowba