115338_张钊_超宽带陷波天线设计与仿真_中期报告_1430210967224

河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计（论文）中期报告毕业设计（论文）题目：超宽带陷波天线设计与仿真专业（方向）：通信工程学生信息：学号：115338姓名：张钊班级：通信C113指导教师信息：姓名：夏克文职称：教授报告提交日期：2014年4月25日内容要求：本课题中期任务主要研究了超宽带(UWB，UltraWideband)脉冲设计与窄带干扰抑制等问题。（1）UWB的干扰来源和对象：由于UWB脉冲持续时间非常短，其频谱可能宽达数GHz，理论上它对现存所有电子系统都会产生干扰，同时UWB系统也将受到来自其它无线通信系统的干扰。总体来说，与UWB相互干扰的无线系统主要是：地面通信系统(固定点对点系统，蜂窝通信和广播)；GPS；卫星通信；无线电导航或是探测系统；工作在美国供应管理协会（theInstituteforSupplyManagement，ISM）波段系统，比如802.11a，802.11b，Bluetooth等；其它业余无线电。这些无线系统相对于UWB而言，都可以看成是窄带系统。（2）UWB系统对窄带系统的干扰抑制：超宽带陷波天线常用方案有两个，第一，在天线前端添加具有带阻特性的滤波器；第二，在天线辐射结构中引入辐射单元。本文依据陷波的原理，设计了FIR和IIR陷波器，现有的抑制干扰的脉冲成形算法主要是依据特定的脉冲成形算法来产生在某频点或频段上功率值为零的点。在现有脉冲成形算法的基础上，使脉冲通过陷波器来达到在特定频段上陷波的目的，从而使脉冲具有一定的抑制干扰能力。1.脉冲波形设计传统采用高斯脉冲、Rayleigh脉冲、PSWFs脉冲、小波函数等以及它们的高次阶脉冲，其能量主要集中在某段频谱上，不能充分挖掘UWB的潜力。新的脉冲波形设计既要符合FCC的功率限制并尽可能逼进FCC规定的功率最大限，同时也要考虑到与其它系统的共存问题。文献[1]提出了采用Doublet脉冲的方式来避免对GPS等的干扰，但其脉冲频谱上的零点不是随意可调的，脉冲频谱零点的宽度也难于控制，因此学者们提出了另外的一些解决方案，其中很多思想都与软频谱自适应(SSA)设计方案接近，即在时域上设计一组脉冲波形，每个脉冲波形能高效率地匹配上目标功率谱形状的一部分，再通过组合脉冲合成河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告不同的功率谱形状，即使将来美国联邦通讯委员会（FederalCommunicationsCommission,FCC）更改了谱形，也很容易修改设计，同时也提供了动态回避窄带干扰的可能。1.1基于特征值分解的UWB脉冲设计方法假定频率响应为H(f)，所求的脉冲信号ψ(t)持续时间为mT，它通过频率响应为H(f)的滤波器时要求有最小的失真，即信号ψ(t)通过滤波器，输出为λψ(t)，其中λ为衰减系数。ψ(t)是时间有限信号[2]，具有如下形式：/20tmpttT其他(1-1)其中p(t)为满足条件的UWB信号。滤波器的输出为：(τ)h(tτ)t=d(1-2)在一定的持续时间内，有：/2/2(τ)ht(t=τ)mmTdT（1-3）上式的精确解即为熟知的长球面波函数，但得到函数的精确解是很困难的。因此可以使上式离散化，来求得算术解。设每个脉冲持续时间mT抽样N次，上式就化为如下形式：/2/2[]=NmNmhnmnn=-N/2，…，N/2（1-4）表示为矩阵形式即为：[0][1][]22[1][0][1][1][1]22[][1][][0][0]222[][1][0][][]22NNhhhNhhhNNNNNNhhhhNhNhNNMMMMMMMM(1-5）设NNNψψ1ψ0ψ222LL,河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告[0][1][][1][0][1][][1][]222[][1][0]hhhNhhhNHNNNhhhhNhNhMMMM（1-6）式（1-5）可以写为λψ=Ηψ则可以通过对矩阵H的特征值分解求出λ和ψ。根据长球面波函数的特性，特征值对应于特征向量的能量在频谱模板H(f)中所占的比例，换言之，特征值越大，对应的特征向量的能量就越接近H(f)。因此，只有对应于较大特征值的特征向量可用于脉冲设计。此外，H是一个Hermitian阵，它的特征值是实数，特征向量正交，因此可以在UWB系统中应用多路正交UWB脉冲而相互之间不产生干扰。FCC频谱限制被看成是一个滤波器的频谱特性:01dufffHf其他（1-7）其中，df=3.1GHz;uf=10.6GHz。令h()t为Hf的傅里叶反变换，λ为衰减系数，要产生的UWB脉冲波形s(t)应当满足:λs(t)()()fhtfdf（1-8）为了限制UWB脉冲的持续时间，()St必须满足:|t|Tm/2时，()St=0。这里，Tm为脉冲持续时间。将Tm平均分为N等分，则式(2)可被离散化为/2/2]()s[n][NkNkhsnk（1-9）其中，s[n]=s(n/N)mT，h[n]=mh(nT/N)，n=-N/2，-N/2+1，…，N/2。将式(1-9)转换为矩阵形式，得到λs=Hs（1-10）其中，向量s表示离散化的UWB脉冲，其第k个元素为s[k-N/2];H为(N+1)×(N+1)维的矩阵，其第i行第j列的元素为h[i-j];k，i，j=0，1，…，N。用H的最大特征值对应的特征向量就能生成满足FCC限制的UWB脉冲。河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告1.2抑制单窄带干扰的UWB脉冲下文将基于特征值分解法构造能够抑制单个窄带干扰的UWB脉冲。假设在UWB频带范围内有通信系统，其中心频率为0f，带宽远远小于UWB信号带宽。为了使所设计的UWB脉冲在满足FCC限制的条件下，与这个窄带系统之间的干扰能够得到有效抑制，一个最佳的方案就是让UWB脉冲的功率谱在0f处形成零点。在讨论具体方法之前，先给出矩阵H的几个重要性质。定义1：如果向量x满足，则称x为奇向量;如果向量x满足，则称x为偶向量。这里，x表示将向量x的元素倒序排列生成的向量。定理1：H的所有非零特征值对应的特征向量要么是奇向量要么是偶向量。定理2：由H的偶特征向量构造的UWB脉冲的频谱只有实部;由奇特征向量构造的UWB脉冲的频谱只有虚部。另外，采用特征值分解法构造的UWB脉冲功率谱有快速下降的上下边带[2]。利用上述性质，就可以构造出满足条件的UWB脉冲。具体方法如下:①在udff（，）的频段范围内划分一个低频段2()dStf（，）和一个高频段2duff（，）(2个频段可以有交叠)。以这2个频段为基础，根据式(1)～(4)构造2个矩阵1H和2H。②从1H和2H中各选择一个特征向量，使它们具有相同的奇偶性，且对应的特征值尽可能大。再用它们分别构造一个满足FCC限制的子脉冲1()St和2()St。通过调节参数1df、2df和脉冲幅度，使得2个子脉冲的频谱1()Sf和2()Sf满足1020()()SfSf。图中给出了由2个偶向量构造的子脉冲频谱。③将这2个子脉冲叠加就得到了在0f处功率谱为0的UWB脉冲。可以通过改变参数1uf、2df和mT，调整所得到的UWB脉冲在0f附近的干扰抑制能力。做以下几点说明:①由定理2可知，具有相同奇偶性向量构造的脉冲频谱要么是实数，要么是虚数，因此，通过适当调整参数能够使1020()()SfSf，保证子脉冲叠加后的频谱在0f处形成零点。②通过大量仿真可知，2H(或2H)的最大2个特征值对应的特征向量总是具有不同的奇偶性。因此，分别从1H和2H的最大2个特征值所对应的特征向量中选出一个向量组成一河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告对具有相同奇偶性的向量。③因为S(0f)=2S(0f)+2S(0f)=0，且在较窄的频带范围内，2S(f)和2S(f)的值变化很小，产生UWB脉冲的功率谱密度在0f附近几乎等于零。④高频脉冲在低频段的频谱接近于零，则低频段UWB脉冲的频谱2()()SfSf;同理，在高频段，2()()SfSf。因此，只需要让低频脉冲满足FCC对低频的限制，高频脉冲满足FCC对高频的限制就可以使所设计的UWB脉冲满足FCC频谱限制。利用上述方法，设计了一个能够有效抑制0f=6.88GHz的窄带系统与UWB系统之间相互干扰的UWB脉冲波形，如图所示。其中，1uf=7GHz，2df=6.88GHz，N=128，Tm=1ns。该脉冲是由1H和2H中具有最大特征值的2个奇特征向量构造而成的。由图可知，其功率谱不仅满足FCC限制，而且在0f附近的功率谱也被有效抑制了。经计算，在以6.88GHz为中心的100MHz带宽内，其功率谱密度的最大值小于-75dBm/MHz;在10MHz带宽内，其功率谱密度的最大值小于-96dBm/MHz。文献[3]给出了在给定频率点实现陷波的算法，以PSWFs脉冲为例，简述如下：（1）将整个频带划分为两个子带（a，1Hf）和（2Lf，b），且1Hf2Lf。陷波点0f=（2Lf+2Lf）/2是窄带通信系统的中心频率。（2）分别在两个子带里用数值解法求PSWF脉冲，各选一个脉冲1()St、2()St，两个脉冲的奇偶性必须相同，所选的脉冲对应的特征值尽可能大。（3）将1()St、2()St相加得到12()()()StStSt，()St的频谱12()()()SfSfSf即能实现在指定频率点0f的陷波。若将整个频带划分为多个子带，按照同样的步骤即可实现多点陷波。抑制单点窄带干扰算法仿真：将（3.1-10.6GHz）的频段划分成（3.1-6.88GHz）、（6.88-10.6GHz）两个频段，分别求每一频段内的脉冲响应，然后将两个脉冲叠加。仿真条件为n=1ns，N=128，如图：河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告图1.(a)3.1~6.88GHz的脉冲响应(b)6.88~10.6GHz的脉冲响应(c)叠加后的脉冲波形(d)该频段的功率谱密度1.3抑制多窄带干扰的UWB脉冲假设在UWB带宽内有N个窄带系统，把UWB带宽分成了N+1个子带(频率间隔较近的窄带系统可看作是同一个窄带系统)。首先，利用特征值分解构造出满足FCC限制的N+1个子脉冲，然后调整各子带的频率范围和脉冲幅度等参数，使其在频域上相邻子脉冲的频谱在各窄带系统的中心频率处大小相等，符号相反。图中给出了一个能够抑制中心频率为5.6GHz和8.1GHz的窄带系统与UWB系统之间相互干扰的UWB脉冲波形和功率谱密度，其中，N=128，mT=1ns。它是由3个奇特征向量构造而成的。3个子带的频率范围依次为:(3.1GHz，5.9GHz)，(5.3GHz，8.4GHz)和(7.8GHz，10.6GHz)。由图可知，该脉冲的功率谱在5.6GHz和8.1GHz附近被有效地抑制了。将（3.1-10.6GHz）的频段划分成（3.1-5.9GHz）、（5.3-8.4GHz）、（7.8-10.6GHz）三个频段，分别求每一频段内的脉冲响应，然后将三个脉冲叠加。仿真条件为=1ns，N=128，如图：河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告图2.(a)3.1~5.9GHz的脉冲响应(b)5.3~8.4GHz的脉冲响应(c)7.8~10.6GHz的脉冲响应(d)叠加后的脉冲波形图3.该频段的功率谱密度河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告总结：利用以上的方法设计的UWB脉冲不仅具有很短的持续时间，而且能够在满足FCC频谱限制的基础上，有效地抑制UWB