基于ＭＡＴＬＡＢ的ＵＷＢ通信系統抗干擾仿真研究

摘要:UWB技術實現了對有限頻率資源的充分再利用，但同時也不可避免的成為其它通信系統一種潛在的干擾源，與傳統系統的共存性是UWB研究中的一個重要課題。該文首先建立了DS-UWB信號模型，對信號功率譜密度進行了理論推導，在給定仿真條件下，運行了仿真程序，得到了預期的仿真結果。同時，利用建立的仿真系統，研究了抑制正弦干擾性能與系統信噪比的關系，結果表明，提高信噪比，系統可以有效抑制正弦信號干擾。

關鍵詞:超寬帶;信噪比;誤碼率;抗干擾

中圖分類號:TN914 文獻標識碼:A 文章編碼:1009-3044(2009)15-3892-02

MATLAB-based Anti-interference of UWB Communication Systems Simulation

YE Bin

(Electron Engineering Department， Shaanxi Energy Institute， Xianyang 712000，China)

Abstract: UWB technology has a limited frequency resources for the full re-use， but also the inevitable other communications systems become a potential source of interference with the traditional system is the coexistence of UWB research an important topic.In this paper， the establishment of DS-UWB signal model， signal power spectral density of the theoretical derivation， in a given simulation conditions， running a simulation program has been the simulation results is expected. At the same time， the use of the establishment of the simulation system to study the sinusoidal interference suppression system performance and the relationship between signal to noise ratio， results show that to improve the signal to noise ratio， the system can effectively suppress sinusoidal signal interference.

Key words: Ultra-Wideband; signal to noise ratio; bit error rate; antijamming

1 引言

超寬帶技術又被稱為脈沖無線發射技術，是指占用帶寬大于中心頻率的1/4 或帶寬大于1. 5G的無線發射方案。該技術曾被廣泛應用于雷達和遙感領域，作為商用無線通信技術目前正受到越來越多的關注。UWB技術既不同于傳統的窄帶無線傳輸技術，也不同于3G蜂窩通信中的擴頻寬帶技術，它不需載波，能直接調制脈沖信號，產生帶寬高達幾兆赫茲的窄脈沖波形。其帶寬遠遠大于目前任何商業無線通信技術所占用的帶寬。

UWB 信號的寬頻帶、低功率譜密度的特性，決定了UWB無線傳輸技術具有以下優勢:易于與現有的窄帶系統(如全球定位系統( GPS) 、蜂窩通信系統、地面電視等)共用頻段，大大提高了頻譜利用率;易于實現多用戶的短距離高速數據通信;對多徑衰落具有魯棒性。UWB與其他窄帶系統共用頻段，必然存在與其他系統間的相互干擾，對UWB信號的合理規范和設計是應用UWB技術的前提。FCC目前正致力于對UWB發射功率的限制規范，使UWB既能與其他系統共用頻帶又不至于對其他系統產生破壞性干擾。目前，UWB技術在商業多媒體設備、家庭和個人網絡方面的應用前景已得到了專業界的普遍認可。

2 UWB無線傳輸系統模型

UWB無線傳輸系統的基本模型如圖1所示。

可以看出，該模型與普通的數字通信系統具有明顯差別，主要體現在UWB系統沒有了射頻調制模塊，信道編解碼也變得相當簡單，所以整個系統非常簡單，成本也很低。

圖2和圖3則描述了一個跳時UWB系統(TH-UWB)的典型收、發機模型。

在圖2中，輸入二進制數據流多路分解為約110Mbit/s的子數據流，每個數據子流由碼率1/2卷積編碼。然后這些數據流用來調制由脈沖產生器產生的時間偏移脈沖的相位(相當于BPSK)。同時時間偏移脈沖的相位也由偽隨機序列調制。在該系統中利用了脈沖序列“不規則極性”性質來削減頻譜的振幅，以在滿足FCC的頻譜要求的同時提高總發射功率。

圖3為接收機模型。在接收機中利用已知的訓練序列用來獲取定時信息，然后進行信道估計，以確定RAKE接收機和均衡器的系數。

2.1 UWB信號模型

UWB脈沖無線通信中常用的多址調制方式有跳時(Time-Hopping—簡稱TH)方式與直接序列相位編碼(DSC)方式，信息數據調制可采用脈位調制(PPM)或極性調制方式。PPMTH-UWB信號可以表示為

由(1)式與(2)式表達的UWB信號功率譜特征是以單脈沖()wt功率譜形為包絡，內嵌頻率間隔為1fT的梳狀譜，數據與偽碼調制將使梳狀譜成為sinc(.)形狀而平滑。

圖4是對應(1)式脈沖波形為高斯型的TH-UWB信號功率譜。顯然，充分利用信號的功率譜分布特征，在限制的輻射功率下，適當選擇單脈沖波形，脈沖重復間隔fT，以及數據與偽碼速率，可以有效地降低對UWB使用地區業已存在的常規無線調制方式的干擾。不難看出，信號功率譜分布包絡的影響是主要的。本文重點討論單脈沖波形對正弦波的干擾性能。

2.2 抑制正弦信號干擾的仿真模型

通過Monte Carlo仿真，研究UWB系統在抑制正弦信號干擾方面的問題。待仿真的系統方框圖如圖5所示。

用一個均勻隨機數發生器(RNG)產生某個二進制信息符號序列，每個信息比特重復L次，L相應于每個信息比特的PN碼片數。所得到的序列乘以PN序列，然后將高斯白噪聲和形式為

的正弦干擾加到這個乘積序列上。解調器完成與PN序列的互相關，并在構成每信息比特的L個信號樣本上求和(積分)。相加器的輸出再返饋給檢測器，差錯計數器計算出由檢測器產生的差錯數。

2.3 仿真結果

圖6為該系統對抑制正弦信號干擾的仿真結果圖，對于L=20，可以從圖中看到在3種不同的正弦干擾幅值下所得到的結果。在這些仿真過程中，加性噪聲的方差都保持不變，而在每次仿真運行中，所期望的信號電平都加權到能夠實現所需的SNR。

3 結束語

UWB通信以其較強的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能而成為第三代通信的核心技術，本文闡述了UWB通信的理論基礎和實現方法，利用MATLAB提供的可視化工具箱Simulink建立了擴頻通信系統仿真模型，詳細講述了各模塊的設計，并給出了仿真建模中需注意的問題。在給定仿真條件下，運行了仿真系統，驗證了所建仿真模型的正確性。通過仿真研究了UWB在抑制正弦干擾方面的有效性問題，結果表明，UWB對正弦干擾有著良好的抗干擾性，增大信噪比可以有效抑制正弦信號的干擾。

參考文獻:

[1] 楊凱，安建平，卜祥元.傳輸參考超寬帶信號功率譜密度分析 [J].北京理工大學學報，2007(05).

[2] 謝寧，周淵平，侯曉微，溫文坤.在室內通信環境下UWB信號設計及性能分析 [J].通信學報，2005(10).

[3] 唐智.超寬帶無線通信系統同步技術研究 [D].哈爾濱工程大學，2006.

[4] Piazzo L ，and Ameli F.Performance analysi for impulse radio and direct-squence impulse radio in narrowband interference [M].IEEE Trans. Commun; 2005.

[5] 周曄.TH-UWB接收理論與抗干擾技術的研究 [D].蘇州大學; 2004.

[6] 張海英，鄭國莘.超寬帶(UWB)技術及其抗干擾性能分析 [J].電視技術，2004(11).