脉冲无线电抗干扰技术

《电讯技术}2oo~年第5期 ·毫盘遵评· 脉冲无线电抗千扰技术 ． 肇 莹 2 关键词 ：抗 干扰 通信技 术，跳 时调制 ，超 宽昔 朋 【摘要】作为二 超竞带扩频信号，脉冲无线电具有优异的抗干扰能力：本文描述 了 一 种利用现有的脉冲技术可以实现的调制方式并对它的抗干扰性能厦系统容量进行 号能量分布在从 DC到 几 GHz范围，这样 的 信号可 用超宽带天线低 失真 的辐射和接 收。 由于覆盖 了众 多 的通信 频 段 ，脉 冲无 线 电的应用必须满足与其它窄带信号之间互不 干扰 的要求 ，扩频技 术可 以满 足这样 的需要 。 时跳 调 制 是 一种 低 占空 比 的超 宽 带 扩频 技 术 ，它将 l bit信息包含到多个脉冲时跳问隙 中以实现 信号的脉 冲调制 。 脉 冲无 线电具有 1／IS的 多径分 辨率 ，它 具有 良好的抗多径干扰性能。同时超宽带的 扩频信号 可 以实现 更 高 的处理 增益 ，能兼 顾 抗干扰和高速率通信能力，并在多用户系统 具有很大的用户容量。此外 ，无 载频的脉 冲 无线 电设 备很 容易 实现 在具有以上特点 的同时，脉冲无线电技 术 同时也带 来 了技术 上的一些挑 战。无线 通 信的有关 条例 限制 了超宽带信号的发射功 率；而超窄的时间分辨力将 为同步捕获带来 巨大困难，增加捕获时问；需要多个相关器来 获得足够的信号电平 ，等等。 二 、复用技 术 1．脉冲 时跳信 号 在脉冲时跳调制中，第 k个发射机的发 r ～甜 ! (¨ 式中 t“ 是第 k个发射机的时钟 ； _r『是脉 冲重复时问 ； “)为单 个脉 I申的脉 冲波形 函数 。 为 了减 少多用户情 况下可能 的发射脉 冲 串 冲突 ，每个用 户分 配 了独 一的 时移 序 列码 ；c ． 。 。 它在每个脉冲序列的第 1个脉冲上加 入 了 c． 的时移 ，其 中 _r，为可分配 的单 位 时 延区间宽度。当 ～定时，码速率 R 决定 了在 ～个码 区间 内的脉 冲数 N ．即 = sec 阑 a的选择可使系统性能优化 为了方便 系统性能 的预测 ，{d 被 假 设为时 间平 稳 随机 量 ，所 含各码 元 出现 的 可能性相同。这里的脉冲调制假设信息码是 等概率 出现 的 ，这样 时钟 跟踪 环 的 S曲线 可 以维持稳定的跟踪点。若采用稍复杂的数据 调制格式 ，一个码元时间内脉 冲偏移的平衡 分布也是可以实现的。 ， 李 灿 信息产业郝 电子第十研 究所 博士研究生 成南 610036 阮成 礼 电子 科技 走学 博导 成 都 61005Z． 105 维普资讯 http://www.cqvip.com 《电讯技术~2ooo年第5期 ·毫题述评 · 2．信道码分 在多用户复用 系统中 ．当 N 个用户 同时 工作时 ，接收机所接收到的信号可示为 r(￡)： Z - ~ ^s (‘一 )+ ( ) (2) 式中 A 为接收到第 k个发射机发射的信 号的幅度 ； 随机变量 为发射机和接收机的时 钟偏 差 ； n(t)表示在相关接收机输入端的其它 非脉冲形式的干扰(如接机噪声)。 分析假设在脉冲干扰过程 中用户数 和信号幅度 AL保持不变。从发射到接收的 传输过程为理想情况，信号的传播 只有 幅度 上的衰减 和时延 。天线，传输 系统对脉冲波 形产生一定的改变 ，输 入的 W1 (t)波形经滤 波后成为 w (t)。图 1所示的是理想 的接收 v~ec(t)波形 ，它忽略了传播 中的多径影响和 色散 效应 等 。 髯 ≥ 图 1 天线输出的典型接收渡形 三、信号 的接收 处理 在高斯白噪声背景下，脉冲时跳调制信 号的最佳接收方式是相关接收机。它对一个 码元 的检测可以简单表示为 量r 。r(1) 一 一e 1'i S ) 0 ‘ 0 J l‘ r 式中 v(t)=w (t)一w (t一8) 在多用户环境下 ，如果知道所有发射机 的时跳序列设 置，最优化检测器的设计是复 杂的。但如果用户数量 巨大，这样的检测器 无法实现的话 ，将其它用户的时跳 干扰 的总 和信号看为高斯随机过程是合理的。因此 ， 这里用单信道 信号检测的算法(3)来掏造接 收机模 型 ，和实际实现 也一致 。 式(3)中判决因子 a是信号 v(t)和 N 个接收信号 r(t)在不同的时间偏移上相 关输出 之和。对应于判决式(3)的信号处 理过 程如图 2所示 。 图 2 第一个用户的接收框 图 四、系统 容量 按文献[4]所用的方法，用随机选择的时 跳序列对 脉冲无线电的复用性 能进行 了评 估 。假设链路要满足误码率性能指标所需的 最小信噪 比为 SNF．一。在功率控制的假设条 件下 ，文献[5]给出了脉冲无线电系统在加性 高斯白噪声下对给定的传播码速率所能支撑 的用户数 ，由下式表示 ● ” ． ( 州 l} S lI 尸 > 二 = = d 撇 维普资讯 http://www.cqvip.com 《电讯技术)2ooo年第5期 ·专髓述评· 式 中 M是 调制 因子 ； AP是当存在 N 一1个用户干扰情况 下 ，要 维 持信 噪 比 SNR～ 所 需 要 的发 射功 率增 量 。 从式 (4)可 看 出 ，N 是 随 AP单 诃 增 长 的。 而 Ⅳ (△P)≤ l ira ( P) ： [M s^ ：+1 ～ (5) 因此、对给定了基于 BER的 sN 指标，对 于固定的调制速率 ，用户数具有上边界，采用 式(3)检 测方 法 的脉 冲无线 电系统 用户 量 不 能超 过此 界 限。 以下是多用户环境下 的系统性 能的实 例 ，这里 T =N t。式(1)中的参数 8将对模 板波形 v(t)产生 影 响 ，从 而 改变 M。对 于图 1所示 的脉冲波形 ，8的最佳值为 0．156 rls， 当 Tf=100 ns时 ，对于 Rs：19 2 kbps速 率的 系统 ，M一1的值为 2 63×l 。图 3所示的 是在理想的功率控制 的情况下，对几个典型 的 BER值 ，用户数和额外功率增量需求 AP 的关 系 曲线 。 BER=I 厂 BER=10-5 额外功率需求Jd B) 囝 3 用 户数和功率增量的变化曲线 在没有纠错处理的情况下，通信系统为 维持 10一、10 、10。的 BER，所需 sNR一 相 应 的值为 12．8 dB、14．4 dB和 15．6 dB。可 以 看出，当 △P在 0～10 dB范围变化时 ，用户数 急剧增长，而在 lO～，f】dB范围变化时 ，增长 变得缓慢 一超 出 20 dB后 ，用 户 数 随 功率 增 长而得 到 的增 长 可 忽 略 ，Nu趋 近 于 Nmax。 实际的工作范围应使用户数随功率的增长而 迅 速 增 长 范 围 ：对 于 lO 、lO 、l0。’的 BER．算得最大的用户数分别为 27488 19017 和 【4426 五 、序列设计 以上的性能 指标 是基 于时跳序列 随机选 取所得。实际上 ，对每个通信链路发射和接 收，特定的伪 随机序 歹fi事 先必须取 得一致。 具有 良好相关特性的序列选择方法 已为人所 熟知 。它们 可 以移植 到时跳调 制的应用上 以 提供 准正交的信 号形式 = 接 收机抵抗 窄带干扰和发 射机 避免干 扰 其它通 信系统 的关键所在是 时跳脉 冲串的功 率谱密度(PSD)的分布。由伪随机序列{c 所决定 的时跳脉 冲串在没有 数据 调制时的 PSD可由下式表示 s (，] 其 中 C(f)= c(，)∑ 。(，一 ／ ) (6) j2z：f( + c ) (7) 可以发现产生线谱的冲击函数已经分散到 1／ T^ 上 ， 为伪随机序列的重复周期 。长的重 复周期使线谱 的间隔非常窄 ，可以把信号的 能量分布得更平均 ，每个谱线的功率密度更 小。而不相关的数据调制将进一步使功率的 分布变得平坦 。 另外 2个决定线谱包络 的频率函数是 1 w(f)} 和 c(f)，后者由伪随机序列决定。可 以注意到，当 是 的整数倍时，c(f)在频 率分布上以 l／T,为周期变化。因此 ，通过伪 随机序列的设置改变频谱一部分分布时，频 谱的另一部分也随着改变。若使 C(f)一1／I W(f)l 时 ，将得到比平坦分布 c(f)更好的效 果 。 · l07 维普资讯 http://www.cqvip.com 《电讯技术5200o年第5期 ·言墨 评 · 功率谱密度中有时有的线谱密度不能用 设 置时跳序 列的方法降 低 。比 如 ：当 L = m ，n ，而 I111 和 13． 不相约时 ，线谱 C(f)= 将 在所 有 n'／T 的整倍 数频率上 出现 ，而线 谱 的 高度与时跳序列的选择无 关。只决定于单脉 冲的功率谱分布 IW(f)I 。 七 、结 束 语 脉 冲无线 电具 有 良好 的抗 干扰 性 能 和 比扩频通信更 多的用户容量 ，能在复杂的多 径 环境下 工作 ，在抗 干 扰通 信上 具 有 银 广泛 的应用前 景 。 参 考 文 献 六 、脉冲辐射的电磁导弹效应 当适当的辐射器中脉冲时域波形满足下 式 时 ㈩ f 8) L4一 式中 K．(t)是第二类修正贝塞尔函数，0