连续谱波形的自适应分段及频率转换以利用不连续的空闲通信频段的制作方法

专利名称：连续谱波形的自适应分段及频率转换以利用不连续的空闲通信频段的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及通信系统，具体涉及一种连续宽带波形如超宽带(UWB)雷达信号在没有其它信号交互干扰下的传输方法。其中频谱的占用部分包含不连续空闲频谱区域，该空闲频谱区域的总的可用带宽至少等于连续宽带波形的带宽。
背景技术：
随着通信系统、元件、调制技术及波形的不断发展，需要越来越多的带宽，偶尔有时候需要传送一个波形，其带宽远远大于可用电磁频谱的任意可用连续空闲部分。举一非限制性的例子，如可能希望采用相当长的可被大量常规通信系统，如广播FM及电视发射器，UHF和VHF，蜂窝无线等等使用的波长来传送一个雷达波形，如一个甚宽频带(如500MHz)的线性调频信号。
这些具有较长波长的雷达信号具有叶丛(foliage)和文化(cultural)特征渗透特性，这些特性是具有很短的波长的雷达信号所不具备的。然而，对于一个映像对象的合理的可接受的空间分辨率，雷达信号的带宽必须非常宽，分辨率可以以信号带宽倒数的一半的形式来有效地定义。例如，一个500MHz带宽的雷达信号可以提供一英尺数量级的空间分辨率。不幸的是，这样的带宽远远大于稳定的电磁频谱的长波段的任意连续部分。也就是说，这样的雷达信号不适合在人们关注的频段内传输。
可以参考图1进行理解，图1的频谱图示出了多个华盛顿特区附近的通信系统用户对通信带宽(从0Hz到1.0GHz)中的1.0GHz部分的典型的“点式(punctuated)”占用率。粗略地检查图1就可以发现，在相邻的用户间根本没有空闲的或可能的可用“空隙”能够为一个甚宽频带(如500MHz)的波形提供空间。事实上，图1中最宽的空隙仅仅存在于70MHz的数量级上。

发明内容
根据本发明，通过应用等同转换滤波器(如sin(x)/x滤波器)进行相干分段或再分一个宽带波形(如一个超宽带雷达信号)的连续频谱为多个(各种窄的或宽的)频段或子带分量成功地解决了该问题。其中所述的多个频段或子带分量适合于部分占用的电磁频谱的空闲频率区域，空闲区域的总的可用带宽至少等于宽带波形的带宽。
sin(x)/x滤波器由于其简单及功率特性属于一种较好的等同转换滤波器。虽然无穷多的这样的滤波器族在数学上需要产生一个“精确”的等同转换，而实际上只需要很小数量的滤波器，尤其当信号(如一个线性调频信号)本身是带限信号的时候。一个sin(x)/x滤波器族与傅立叶变换密切相关，区别主要在于积分限不同。sin(x)/x滤波器的吸引人的特性在于它是一个简单的移动平均，并且其反变换可以通过将滤波器族的输出相加来实现。另外，滤波器族中的所有滤波器的正交性使得合成滤波器族可以响应于N个点独立成形，N是sin(x)/x滤波器的数量。
信号各段然后被独立的上或下变换至发送载频，该发送载频可以有选择地将发送各段置于频谱的空闲部分。在接收器方，处理过程相反，对任意相对运动进行校正(如通过采用洛仑兹变换(或一个可接受的逼近))。这样，原始频谱可被相干重构并采用常规的方法来进行后续处理。
正如所描述的，本发明具有很多重要的特点，包括明显采用几乎所有常规所期望的雷达信号(如一个线性调频信号)作为基本波形的超宽带(UWB)雷达信号的能力。本发明的相干分段的方法使得基本波形可以分段置于可用频谱位置，无需考虑它们自己的频率位置、各自的带宽及其它插入带隙。可以采用各个发送频率及带宽的动态再分配，只要总的可用频谱带宽等于或大于基本的UWB信号的带宽。在接收方，只有相对适度的处理需要根据分段后的频谱相干重构基本雷达波形，以允许采用常规的雷达波形处理方式。
本发明允许使用几乎所有常规的雷达波形，包括单脉冲波形。可以很容易地提供60至500MHz数量级的UWB带宽，及20至600MHz的工作频率。通过用户选定的基本波形(如线性调频信号)，可以自动包括任意的PRF和占空周期。占用带宽部分的范围从不到10％至100％。不存在对频段宽度或间距的基本限制。此处所描述的技术允许对频谱使用和基本波形选择进行每天、每小时或毫秒级的改变。


图1是表示华盛顿特区附近的通信系统用户对通信带宽中的1.0GHz部分的典型的“点式”占用率的频谱图；图2是一个任意的线性调频波形的频谱图；图3是与将图2中的线性调频波形应用于三个理想的矩形滤波器有关的频谱图；图4是图3中的三个理想滤波器应用的滤波器处理框图；图5是表示一个包含各种可变带宽的空闲带隙的用户点式频谱的一个实施例的频谱图，其中空闲带隙的总带宽至少能够完全包含图2中波形的带宽；图6是包含多个矩形带通滤波器的频谱分段运算器图，其中各矩形带通滤波器具有分别与图5中同等宽度的频谱带隙相关的带宽；图7是与图6的频谱分段运算器相关的频谱分段图；图8是表示图6的滤波器输出频率转换以适应图5的频谱中的可用RF频率带隙的频谱图；图9是用于恢复由图6的频谱分段运算器产生的宽带波形的接收机框图；图10表示堆叠各滤波器以产生等同转换滤波器族；
图11表示为减小转换误差而增加滤波器的数量产生的效果，间接地表明仅仅利用滤波器族中相对很小数目的滤波器即可以有效再生频带的中心；图12是实现一个sin(x)/x滤波器族的函数流程图；图13是与图12的函数流程图相关的减低了复杂度的频谱累加分组处理框图。
具体实施例方式
在详细地描述本发明的新的改进的频谱分段原理之前，应该看到本发明主要属于对常规的通信电路及相关信号处理元件及附带的用于控制这样的电路和元件操作的监控电路的特定组合。在一个实际的便于它们与现有的通信设备结合的实施例中，例如但不仅限于一个宽带雷达系统，这些组合可作为现场可编程门阵列(FPGA)、应用专用集成电路(ASIC)芯片组、可编程数字信号处理器或通用处理器很容易地实施。
因此，这样的电路和元件的组合的配置及它们与其它通信设备的接口，很大部分已经通过容易理解的框图表示出，框图中仅示出了与本发明相关的具体细节，以防止该公开与本领域技术人员可从此处的描述中容易得出的细节相混淆。因此，框图的图解主要目的是以常规的功能性分组的方式给出本发明的主要内容，以更便于理解本发明。
正如前面的简要描述，用于本发明的分段方法的基本元件是一个“等同转换”滤波器。这样的滤波器可以由大量现有类型的滤波器，包括sin(x)/x、傅立叶变换、特定双工器、语音扬声器系统中常见的互换网络、产生滤波器族的大量小波变换来实现。为了提供一种非限制性的较好的实施例，本发明将以采用sin(x)/x函数的形式进行描述。
为了便于理解本发明的分段方案，考虑应用称为“理想矩形”带通滤波器的数学符号来选择性地滤波或再分一个任意的波形，如一个线性调频信号，在最初是有用的，该信号的频谱在图2中标记为20。如图3中的频谱及图4的滤波处理框图的进一步表示，该信号可通过三个任意指定的“理想矩形”滤波器41，42和43进行频谱分段或再分为任意的三个连续的子带B1，B2和B3系列。在求和单元44中对滤波器的输出简单的相加或求和可以精确恢复原始信号。应该注意，每一子带的任意的一个频率转换不会改变等同转换特性，只要在求和之前进行频率反变换。
图5的频谱图类似于图1，给出了一个包含各种可变带宽的空闲带隙的用户点式频谱的一个实施例，其中空闲带隙的总带宽至少能够完全包含图2中波形的带宽。作为一个非限制性的实施例，利用一个常规的扫描子系统，部分占用的带宽中的关注的频谱内容很容易测量，扫描子系统的输出被选择性分类并存储在本发明所使用的宽带信号系统(如雷达系统)中的一个相关的频率存储数据库中。
对于每一带隙Bi，存在一个相关的中心频率wi。图6表示一个包含多个矩形带通滤波器61，62，…，6n的频谱分段运算器，这些带通滤波器可以数字方式实现，以使得可以通过一个相关的控制处理器50根据测量到的如上所述的部分占用的带宽的感兴趣的频谱内容进行选择性编程。这些滤波器具有各自的带宽，B1，B2，…，Bn，分别与图5的频谱图中尺寸相当的带隙BG中的一个相关。如图7的频谱分段图所示，总带宽相当于图2中的宽带信号带宽。
应用图2中的波形于图6中的分段滤波方案，将宽带波形分割为“n”个独立的频道，每一频道有效地符合或者理想地匹配图5的频谱图中的各空闲带隙BG的带宽间隔。滤波器61，62，…，6n的输出连至各频率转换器71，72，7n，它们在处理器的控制下，用于独立地转换滤波后的信号，这样，如图8的频谱图所示，它们可以符合以频率w1，w2，w3，…，Wn为中心的空闲RF频隙。转换后的频率信号然后在求和单元80中进行求和，然后在发射器85中进行发射。以这种方式，几乎所有的UWB雷达信号都可以以其相对紧凑的频谱映射至一个“实际可用”的不连续RF频谱。
在接收方，如图9的方框图所示，接收器90的输出连接至一组可选择性调谐的带通滤波器91-1，91-2，91-n，其中心频率对应于频率w1，w2，w3，…，wn，各通带宽度B1，B2，…，Bn对应于由系统控制处理器所定义的滤波器61，62，6n的带宽。滤波器91的输出通过混频器93-1，93-2，93-n进行频率转换，然后应用至各反相等同转换滤波器95-1，95-2，…，95-n以恢复宽带波形的原始频谱分量。这些频谱分量然后在求和单元97中合并，输出原始宽带波形。
虽然前述技术是应用于一个静态、线性、非分散传输路径，而一个实际的雷达设备(如合成孔径雷达设备(SAR))，其信号传播路径可能是非静态的，因此为了使接收方能够成功地再合并分段频谱，必须进行校正。从质量上讲，根据相邻信号的多普勒频移效应，在不连续子带中不存在多普勒频移。通过对各反相滤波器的每一子带接收器信道进行洛仑兹变换，该效应可以被精确地校正。应该注意，洛仑兹变换甚至以非相对性的速率准确地以区别于参考帧的移动的时间的方式描述了多普勒频移效应。这点很重要，因为从多普勒频移的数据中获得的信息对于图像的生成是至关重要的。
该处理过程从数学的角度描述如下。
等同转换滤波器族滤波后的信号S(ω，t)可定义如下S(ω,t)=Σnfi(ω,t)----(1)]]>其中fi表示滤波器的各输出。各子带进行频率转换变为可用于传输的RF信号后，信号变为STX(ω,t)=Σnfi(ω,t)ejωit----(2)]]>由于相对运动，接收到的信号(反射的雷达返回信号)可能受到数字映像的目标场景中的每一像素的不同程度的影响。从一个给定的像素在t时刻接收到的信号可以使用洛仑兹变换来表达。
实质上，可以进行简单的替换t γi(t+τi)，其中γ＝(1+v/c)/(1-v2/c2)1/2，τ是时间延迟，二者都与关注的像素(假定的双向参数)有关。从第j个像素接收到的信号为SRXj(ω,t)=Σnfi(ω,γi(t+τi))ejωiγi(t+τi)----(3)]]>
发送的分段频谱恢复至其原始形式是通过将各子带分别进行频率反变换实现的。该运算得到SRXj(ω,t)=Σnfi(ω,γi(t+τi))ejωiγi(t+τi)e-jωict+φic----(4)]]>如果恢复的波形等价于直接传送的未调制的基本雷达波形，指数部分必须去除。明确的讲，必须使ωi，γi(t+τi)＝ωict+ωic(5)必要的频率校正被看成是只是将子带的额定偏移加一个多普勒频移ωic＝ωiγi(6)如果不存在相对运动，则γ＝1，表示频率转换回基本值将恢复原始波形。相位校正的一个类似的表达式是ωic＝ωiγiτi(7)应该注意，上述校正与子带偏移频率转换特别相关，该子带偏移频率转换对于放置子带于可用于传输的任意的频率中是必要的。实际子带波形中的频谱已经被校正过。
每一子带经过独立的频率和相位校正之后，对于第j个像素接收到的信号恰好位于获得的波形中，当基本雷达波形通过等同转换滤波器进行直接传送时SRXj(ω,t)=Σnfi(ω,γi(t+τi))----(8)]]>从实际的角度讲，上面所讨论的过程可以很容易的地数字执行的像素级的图像处理算法结合起来，进行类似的处理。根据频带分段、场景的范围及相对运动的特性，或者也可在合成的接收信号级充分逼近校正，其中一个“平均”子带频率及相位校正应用于每一像素而不是一个特定场景的像素。举一非限制性的例子，对于一个300米/秒的航空SAR图像，10公里的场景范围会在100公里的宽边范围内产生大约50Hz的多普勒频移。对于1.0米方位的方案，图像需要有1000个多普勒方位接收器。实现满意的数据恢复所需的子带频移的数目取决于频谱的分段。对于合理的分段，该数目的范围是20至100。2000公里范围内的LEO空间SAR会产生类似的结果。
正如前面的简单描述，由于其简单性及功率特性，sin(x)/x滤波器是一种较好的等同转换滤波器。虽然这样的滤波器的一个无穷集合数学上需要产生一个“精确”的等同转换，实际上，实际应用中仅需要很少的滤波器，尤其当信号(如线性调频信号)本身是带限的时候。
图10表示重叠各滤波器以产生等同转换滤波器族，而图11表示为减小转换误差而增加滤波器的数量产生的效果，间接表明仅仅利用滤波器族中相对很小数目的滤波器即可以有效地再生频带的中心。当然，最大误差发生在频带边缘滤波器族中断的位置。
一个sin(x)/x滤波器族与傅立叶变换密切相关，区别主要在于积分限的不同(对于傅立叶变换是从0到T，对于sin(x)/x是从t到(t+T))。sin(x)/x滤波器的吸引人的特性在于它是一个简单的移动平均，并且其反变换可以简单的通过将滤波器族的输出相加来实现。另外，滤波器族中的所有滤波器的正交性使得合成滤波器族可以响应于N个点独立成形，N是sin(x)/x滤波器的数量。Sin(x)/x滤波器族的基带波形需要进行频率变换为DC和反向变换，这样做的优点是获得一致的滤波器-滤波器性能。然而，通常推荐复杂的无源的另一IF带通滤波器，即使在精确的等同滤波器可能不能实现的时候。
这种类型的滤波器在通信系统中的应用已经超过了10年，种类从RF到IF到基带到数字式。信号带宽的变换范围从KHz到几GHz，一个完整的滤波器族中的滤波器的数量已经达到了几百。主要应用于自适应分散补偿，其中频域校正较之更常见的时域横向滤波器是引人注目的备选方案。常规的系统中，一个色散信号(或多个信号)输入至一个sin(x)/x滤波器族。各滤波器的输出然后分别进行幅度和相位的加权(通常自适应的)，然后通过简单的相加进行重新合并，从而通过“展平”色散信号频谱来直接补偿色散信号。频谱的独立调节在N个点处实现，其中N是sin(x)/x滤波器的数量。该独立的调节是由sin(x)/x函数直接产生的，该函数在所有其它滤波器的峰点处为零。
Sin(x)/x滤波器族可以很容易的配置成图12所示的功能流程图及图13所示的减低了复杂度的频谱累加分组处理框图的形式，以根据如上图5-8所述的原理对一给定的UWB进行分段。信号波形110应用于一个均一滤波器族111，其中sin(x)/x滤波器的带宽不大于可用频谱的最小带宽。(为确保满足可允许的UWB雷达色散的技术要求，必须使用甚至更窄的滤波器带宽)。然后，在允许的范围内，从滤波器族111的各相邻滤波器组或族中的输出在各合并器或求和单元112中合并，其中滤波器族的总的组带宽符合“下一可用”频隙或带隙，以提供一个滤波后的波形信号在该频隙内传送。各频率乘法器113将该滤波后的信号置于可用频谱中需要的位置。宽带波形频率转换后的分段然后在求和单元114中进行求和并连接至发射器。应该注意，在这种“内部”sin(x)/x滤波器组中频带的边缘效应并不重要，因为接收器对基本波形的重构将恢复必要的滤波器-滤波器的重叠。
数字信号处理的使用便于独立的滤波器的电子或数字式的切换成组，及如上所述的子带的数量和宽度的动态及自适应调整。而且，每一子带可被独立的转变(转换)为任意传送频率。甚至不必在传送期间保持频谱项的阶数，因为接收器的频率反变换将恢复原始的频谱。
在实施本发明的过程中，实际问题必须提出来。例如，基本UWB波形的宽度是300MHz，最窄的可用VHF频隙是3KHz，需要100000个sin(x)/x滤波器。如果基本的UWB波形是一个线性调频信号，还可进行大量的简化，因为滤波器的响应可进行数字化预算。类似的，大多数线性调频信号的瞬时带宽远远小于总带宽的事实使得可允许“忽略”在一给定的瞬间没有“有效参与”的滤波器。
或者，不同类型的等同转换滤波器(除了sin(x)/x滤波器)在可用带宽的最窄比最宽比很大时，可能更合适。特别的，可以使用双工滤波器，虽然在进行动态调整时可能更困难。另一可选滤波器配置是使用小波变换滤波器族来捕获多尺寸频带，从而产生一个可编程动态双工器。最后，滤波器还可配置成不使用特别窄的带宽，因为这将导致为了获得有用的雷达解决方案不得不合并非常大数量的滤波器。
还应看到，用RF功率放大器发送合成分段及转换后的信号具有很高的线性。即使原始信号可能包括一个恒定模波形(如前面所述的线性调频信号)，一旦这种基本信号被分段在可用频隙内传输，它将不再是恒定模。因此，饱和RF功率放大器会产生严重的交调失真，这将使得信号不适合进行处理。幸而VHF及UHF频率范围内的高功率RF线性放大器是可以买得到的。还应该注意，可以使用多个窄带放大器，只是它们必须是线性的。
虽然根据本发明已经表示并描述了一个具体实施例，但是应该理解本发明并不仅限于此，本领域技术人员可以对其进行大量的改变和修改，因此我们不希望限制在此处表示及描述的细节，而是希望包括对于一个本领域普通技术人员显而易见的所有这样的改变和修改。
权利要求
1.一种连续宽带波形在与其它通信信号间无交互干扰情况下的发送方法，所述其它通信信号占用一个具有不连续的空闲频谱区域的部分占用的频谱的一部分，该部分占用的频谱的总的可用带宽至少等于该连续宽带波形的带宽，该方法包括以下步骤(a)相干再分所述宽带波形的连续频谱为多个频段，这些频段能够符合所述部分占用的频谱的空闲频谱区域；(b)频率转换所述多个频段，以产生分别落入所述部分占用频谱的空闲频率区域的频率转换后的频段，这是必要的；(c)合并步骤(b)中产生的所述频率转换后的频段并进行传输。
2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤(d)发射步骤(c)中产生的所述的频率转换后的频段。
3.如权利要求2所述的方法，还包括步骤(e)接收步骤(d)中发射的所述合并的频率转换后的频段；步骤(f)处理接收到的信号以恢复所述的宽带波形。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述的接收信号的处理包括校正所述发射及接收信号的反射波的相对运动，以使得所述宽带波形能够被相干重构。
5.如权利要求4所述的方法，其中对相对运动的校正包括对所述的接收信号进行洛仑兹变换。
6.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包括利用多个频谱不同的等同转换滤波器对所述的宽带波形进行等同转换滤波，从而相干再分所述宽带波形的连续频谱为能够符合所述的部分专用频谱的空闲频谱区域的所述多个频段。
7.如权利要求6所述的方法，其中各等同转换滤波器包括一个sin(x)/x滤波器。
8.如权利要求1所述的方法，所述的宽带波形包括一个线性调频信号，该信号具有一个与受联合通信委员会管理的通信系统重叠并超出的带宽，包括广播FM和电视发射器，UHF和VHF，及蜂窝无线频谱。
9.一种连续宽带波形的发送方法，该连续宽带波形的带宽落入电磁频谱的部分占用部分，并超出所述部分占用的电磁频谱的任意空闲部分，该方法包括以下步骤(a)识别所述电磁频谱的部分占用部分的空闲频谱区域，所述部分占用的电磁频谱的总的合并带宽至少等于所述连续宽带波形的带宽；(b)相干再分所述宽带波形的连续频谱为多个频段，这些频段能够符合所述部分占用的电磁频谱的空闲频谱区域；(c)频率转换所述大量频段以产生分别落入所述部分占用电磁频谱的空闲频率区域的频率转换后的频段；(d)合并步骤(c)中产生的所述频率转换后的频段以产生一个合并波形；(e)发送步骤(d)中产生的合并波形。
10.如权利要求9所述的方法，还包括步骤(f)接收步骤(e)中发送的所述的合并的频率转换后的频段；步骤(f)处理接收到的合并波形以恢复所述的宽带波形。
11.如权利要求10所述的方法，所述的接收到的合并波形的处理包括对相对接收到的波形进行洛仑兹变换，以校正所述发射及接收信号的反射波的相对运动，以使得所述宽带波形能够被相干重构。
12.如权利要求9所述的方法，其中步骤(b)包括利用多个频谱不同的等同转换滤波器对所述的宽带波形进行等同转换滤波，从而相干再分所述宽带波形的连续频谱为能够符合所述的部分占用的电磁频谱的空闲频谱区域的所述多个频段。
13.如权利要求12所述的方法，其中各等同转换滤波器包括一个sin(x)/x滤波器。
14.如权利要求9所述的方法，所述的宽带波形包括一个线性调频信号，该信号具有一个与受联合通信委员会管理的通信系统重叠并超出的带宽，包括广播FM和电视发射器，UHF和VHF，及蜂窝无线频谱。
全文摘要
使用等同转换滤波器(如sin(x)/x滤波器)来进行一个宽带波形如超宽带雷达信号的连续频谱的相干分段，分成能够符合部分占用的电磁频谱的空闲频率区域的多个频段。该宽带波形的带宽落入该部分占用频谱的空闲频率区域。该空闲频率区域的总的可用带宽至少等于宽带波形的带宽。
文档编号G01S13/00GK1481509SQ01820544
公开日2004年3月10日 申请日期2001年12月14日 优先权日2000年12月15日
发明者盖尔·P·马丁, 约翰·希普利, 希普利, 盖尔 P 马丁 申请人:哈里公司