超宽带软件无线电窄脉冲产生技术

摘要

本发明公开了一种利用软件无线电的方法来获得超宽带窄脉冲的技术，属于脉冲产生技术领域，特别是涉及冲激脉冲超宽带(IR-UWB)无线通信所需窄脉冲的产生。主要原理是：在给定信号相关参数(如中心频率、带宽等)的前提下，由可编程器件(FPGA、DSP等)来产生符合要求的窄脉冲时域波形，并将其波形采样值以离散数字形式保存在波形表中，当进行信息调制/解调等需要脉冲波形时，直接从此波形表中调出脉冲波形值，经过数/模转换即可得到所需模拟脉冲。本发明实现简单、易控制，产生的脉冲性能优良，能满足IR-UWB通信系统对窄脉冲的性能要求，克服了其它脉冲产生方法存在的一些缺点。本发明适用于通信中需要利用脉冲的场合，特别适合在软件无线电中使用。

说明书

一、技术领域

本发明属于脉冲产生技术领域，特别是涉及冲激脉冲超宽带(IR-UWB)无线通信所需窄脉冲的产生。

二、背景技术

超宽带通信是近年来发展较快的一种新型无线通信技术。本发明涉及的是冲激脉冲超宽带，其根本原理是利用窄脉冲来携带通信信息。IR-UWB调制信号与正弦窄带调制信号的主要区别在于调制信息的载体不同，IR-UWB将信息调制在脉冲信号上，而正弦窄带系统则调制在正弦载波信号上。

IR-UWB通信的显著特征是发射信号在空中能够淹没在噪声之中，因此IR-UWB信号很难被侦听、截获。同时IR-UWB信号在时域的占空比很低，具有突发性及隐蔽性等特点；在频域方面，IR-UWB信号的频谱远远宽于其它窄带信号，这使得IR-UWB信号很难被干扰。另外，IR-UWB还具有多径分辨率高，数据传输速率快等优点。IR-UWB在无线电通信、雷达跟踪、精确定位、成像、武器控制等众多领域都具有广阔的应用前景。

脉冲的产生是实现IR-UWB通信的基本前提。由于IR-UWB采用了脉宽极窄的可控窄脉冲作为信息载体，因此可控窄脉冲质量的优劣将直接关系到超宽带无线电通信系统的性能。在IR-UWB中作为信号源的脉冲必须具有脉冲定时准确、脉冲宽度小、脉冲重复频率高、波形稳定等特点。

目前国内外在超宽带脉冲产生技术的主要分为两个方向。一是开关元件产生法，即通过不同元器件的开关特性直接产生窄脉冲，如利用雪崩二、三极管的雪崩击穿时所具有的开关特性实现窄脉冲的产生；以及利用飘移阶跃恢复二极管和飘移阶跃恢复三极管具有较高的开关速率、较短的开关时间以及功率动态变化范围较大的特点，通过击穿效应产生脉冲。二是运算产生法，即采取抵消、微分等不同的运算方式对窄脉冲进行波形整形，从而得到符合要求的窄脉冲，如利用周期信号的周期性通过选用适当的延时线将周期信号延时并抵消形成脉冲信号；以及根据微分方程，通过DSP或FPGA等可编程器件对状态方程求解从而实现对脉冲波形的优化。

目前已知的脉冲产生方法几乎都是基于硬件产生的，基于软件方法获得脉冲的文献还未见报道。然而，基于硬件来产生脉冲具有一些先天性的缺点，首先，脉冲信号的频谱特性一般是由半导体自身属性来决定的，其可控性很差；其次，基于硬件产生的脉冲其重复频率受到限制；另外，在软件无线电系统中的灵活性不足。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种实现简单、易控制、性能优良的产生脉冲的方法，以满足IR-UWB通信系统对窄脉冲的性能要求，克服其它脉冲产生方法存在的一些缺点。

软件产生窄脉冲方法的基本原理是：在给定信号相关参数，如中心频率、带宽等的前提下，由可编程器件产生符合要求的窄脉冲时域波形，并将其波形采样值以离散数字形式保存在波形表中。当进行信息调制/解调等时，直接从此波形表中调出脉冲波形值，经过数/模转换即可得到所需模拟脉冲。

软件产生脉冲波形值的方法一般都是对一些特殊函数进行截断，如Sa函数、高斯函数、升余弦函数等。可以根据通信实际需要，分析比较各种函数的频谱特性以及时域波形特点来选择某一种合适的函数。在选定某一种函数类型后，首先使其函数表达式在基带处的带宽等于脉冲所要求的带宽，然后再将其乘以余弦函数以移频到所要求的中心频率处，最后再将其进行截断移位，再采样即可得到所需参数的脉冲波形值。这个过程是由可编程器件来完成的。

在采样前要进行截断移位，此截断时间的长短应根据对脉冲衰减的要求来确定。移位指的是将截断后的函数沿时间轴向正方向平移，目的是使采样时间为正，一般移位长度为截断时间的二分之一。

在调制/解调时，由于产生的脉冲是一些离散的值，因此可能需要经过数/模转换器来得到模拟脉冲波形。

本发明产生的脉冲具有如下优点：产生的脉冲波形可灵活控制，便于产生任意给定中心频率、任意带宽的窄脉冲；能产生负脉冲，在进行直扩调制时方便产生脉冲，有利于相关接收；硬件开销更小，可去掉脉冲控制开关部分；便于软件无线电的实现，有利于增加其他抗干扰方法，比如与认知无线电的结合、干扰对消等。

四、附图说明

图1是软件产生脉冲方法的原理框图

图2是可编程器件中脉冲产生流程图

图3是Sa函数时域波形图

图4是截尾移位后的Sa函数时域波形

图5是带宽为13M、中心频率为36.5M的脉冲时域波形

图6是带宽为13M、中心频率为36.5M的脉冲波形频谱图(补100个0)

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作一个说明。

图1给出了本发明产生脉冲波形值的原理框图。由外部提供相关参数给可编程器件，经可编程器件处理后输出脉冲波形的采样值，并保存到波形表中，以后需用脉冲波形时就从波形表中提取，然后经数/模转换即可得模拟的脉冲波形。

图2给出了本发明可编程器件产生脉冲的详细流程图。

下面结合本发明内容给出一个由软件产生脉冲的实施方法，并给出相关步骤所得的结果。

对多种函数进行分析比较后，本实施方法决定选用Sa函数来产生脉冲波形值，因为Sa函数的时域波形及频谱特性都较好。

Sa函数的表达式为：Sa(t)＝sin(c*t)/(c*t)。此函数是关于Y轴左右对称的，时域波形如图3所示。从图中明显可以看到，Sa函数的主瓣幅度比旁瓣大很多，即旁瓣衰减较快，而常数c的值控制着主瓣的宽度，从而控制着脉冲的带宽。

截断移位后的Sa函数时域波形如图4所示。此图中截断时间较短，除了主瓣外约只保留了第一个旁瓣，实际上第二个旁瓣的幅度与主瓣相比较非常小，可以忽略。

设要求产生带宽为13MHz，中心频率为36.5MHz，截断时间为200ns的脉冲波形值。

带宽为13MHz的Sa函数的表达式为：

Sa(π*13MHz*t)＝sin(π*13MHz*t)/(π*13MHz*t)

移位100ns后的Sa函数表达式为：

Sa(π*13MHz*(t-100ns))＝sin(π*13MHz*(t-100ns))/(π*13MHz*(t-100ns))

然后再对上述函数进行移频，使其中心频率处于36.5MHz，则满足上述参数要求并移位100ns的脉冲波形的Sa函数表达式为：

Sa[π*13MHz*(t-100ns)]×cos[2π*36.5MHz*(t-100ns)]

最后，对上述函数表达式，可编程器件在0到200ns时间段内采样即可得脉冲波形值。

在上述参数条件下，当采样频率为60M时，脉冲的时域波形如图5所示。此时脉冲波形值只有约13个点，脉冲波形符合要求。

对应脉冲波形的频谱示意图如图6所示。从图中可以看到，脉冲的过渡带较窄，频谱能量集中，比较符合实际需要。