超寬帶脈沖信號(hào)及對(duì)窄帶通信系統(tǒng)的干擾分析

摘要：超寬帶通信的優(yōu)良特性使其成為繼CDMA與藍(lán)牙技術(shù)之后倍受人們重視的通信技術(shù)，但是其極寬的頻譜分布對(duì)常規(guī)通信系統(tǒng)的干擾也成為人們擔(dān)憂(yōu)的問(wèn)題。首先對(duì)UWB通信常用的幾種高斯型極窄脈沖進(jìn)行了時(shí)域與頻域的分析，盡管幾種波形都有極寬的頻譜，但是功率譜分布規(guī)律卻不相同，對(duì)頻域中業(yè)已存在的常規(guī)通信系統(tǒng)構(gòu)成干擾的程度也不相同。通過(guò)仿真分析表明，適當(dāng)?shù)剡x擇極窄脈沖波形及相關(guān)信號(hào)參數(shù)可有效地降低這種干擾。

關(guān)鍵詞：超寬帶；極窄脈沖；窄帶；干擾

引言

超寬帶（UltraWideband－簡(jiǎn)稱(chēng)UWB）通信技術(shù)是一種新的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。該技術(shù)以納秒量級(jí)極窄脈沖為傳輸載體，通過(guò)脈沖的時(shí)位調(diào)制或極性調(diào)制來(lái)傳輸信息，特別適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線(xiàn)接入和軍事通信應(yīng)用中UWB極窄脈沖占據(jù)極寬的頻帶，典型UWB無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)具有GHz以上的帶寬。其極寬的頻譜范圍同時(shí)覆蓋了許多常規(guī)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，包括GPS、蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、PCS、衛(wèi)星射頻通信以及各種無(wú)線(xiàn)互連系統(tǒng)，UWB信號(hào)將不可避免地對(duì)常規(guī)窄帶通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。本文對(duì)幾種不同的極窄脈沖波形進(jìn)行了時(shí)域與頻域的分析，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，比較了不同脈沖波形及脈沖寬度對(duì)常規(guī)QPSK方式的通信系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。這種影響極大地依賴(lài)于UWB信號(hào)的頻譜特性及QPSK系統(tǒng)的中心頻率。

極窄脈沖信號(hào)的波形分析

UWB脈沖信號(hào)是基于極窄脈沖的超寬帶信號(hào)。可以用來(lái)產(chǎn)生UWB信號(hào)的極窄脈沖大多是高斯型脈沖。這里對(duì)高斯脈沖（Gaussian pulse）、高斯單周脈沖（Gaussian monocycle）、Scholtz單周脈沖（Scholtz’smonocycle）、高斯偶脈沖（Gaussian Doubletpulse）四種極窄脈沖波形進(jìn)行分析和比較。以下分析中，以各脈沖表達(dá)式所對(duì)應(yīng)的零均值高斯函數(shù)的2πτ區(qū)間[-πτ,πτ]來(lái)定義脈沖寬度Tp。fp為脈沖頻譜峰值頻率點(diǎn)，即是脈沖頻譜峰值幅度。

(1)高斯脈沖

高斯脈沖時(shí)域和頻域表達(dá)式分別為

式中，A為脈沖峰值幅度，為脈沖寬度參數(shù)，pE為脈沖能量。脈沖寬度，脈沖頻譜峰值頻率點(diǎn)fp=0。，可知高斯脈沖直流分量不為零，且在0～幾GHz范圍內(nèi)頻譜分布比較平坦均勻。

(2)高斯單周脈沖

高斯單周脈沖波形是高斯函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)形式，其時(shí)域[1]和頻域表達(dá)式分別為

    式中，，且易知該脈沖直流分量為零，頻譜分布的平坦性比高斯脈沖更好。

(3)Scholtz單周脈沖

Scholtz單周脈沖波形類(lèi)似于高斯函數(shù)二階導(dǎo)數(shù)形式，其時(shí)域[1]和頻域表達(dá)式分別為

式中，且可知該脈沖直流分量為零，其頻譜分布平坦性與高斯單周脈沖相似。以上三種脈沖波形及其頻譜如圖1所示。

(4)高斯偶脈沖

高斯偶脈沖由兩個(gè)幅度相等，極性相反，時(shí)間間隔 Td的高斯脈沖構(gòu)成。其時(shí)域和頻域表達(dá)式分別為

式中。該脈沖直流分量為且以間隔1/Td為周期作sin(□)分布變化，出現(xiàn)間隔1dT的周期零點(diǎn)。高斯偶脈沖波形及其頻譜如圖2所示。

對(duì)以上四種極窄脈沖的分析可以看出：除高斯脈沖外，其余三種脈沖均無(wú)直流分量。高斯偶的頻譜包絡(luò)形狀和高斯脈沖的頻譜形狀相同，但存在頻譜零點(diǎn)，k為非負(fù)整數(shù)。對(duì)高斯脈沖、高斯單周脈沖和Scholtz單周脈沖，在Tp相等時(shí)，其fp依次向高頻方向移動(dòng)。高斯單周脈沖與Scholtz單周脈沖的3dB帶寬大于高斯脈沖的3dB帶寬。從幾種脈沖波形的表達(dá)式還可以看出，在pE相等的情況下，對(duì)于高斯脈沖、高斯單周脈沖和Scholtz單周脈沖，當(dāng)pT減小時(shí)，其頻譜展寬，減��；對(duì)于高斯單周脈沖和Scholtz單周脈沖，當(dāng)Tp減小時(shí)，fp向高頻方向移動(dòng)。

UWB信號(hào)模型

UWB脈沖無(wú)線(xiàn)通信中常用的多址調(diào)制方式有跳時(shí)（Time-Hopping—簡(jiǎn)稱(chēng)TH）方式與直接序列相位編碼（DSC）方式，信息數(shù)據(jù)調(diào)制可采用脈位調(diào)制（PPM）或極性調(diào)制方式。PPMTH-UWB信號(hào)可以表示為

式中，k代表第k個(gè)用戶(hù)；()wt是極窄脈沖（脈沖寬度Tp）波形表達(dá)式；Tf是脈沖重復(fù)間隔為PN跳時(shí)碼，周期為Pc，即為PN碼產(chǎn)生的附加時(shí)移。
為數(shù)據(jù)符號(hào)產(chǎn)生的附加時(shí)移，d為固定值。設(shè)數(shù)據(jù)速率為，則每個(gè)二元數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)應(yīng)sN個(gè)窄脈沖。

數(shù)據(jù)采用極性調(diào)制的DSC-UWB信號(hào)可表示為

由(5)式與(6)式表達(dá)的UWB信號(hào)功率譜特征是以單脈沖()wt功率譜形為包絡(luò)，內(nèi)嵌頻率間隔為1fT的梳狀譜，數(shù)據(jù)與偽碼調(diào)制將使梳狀譜成為sinc(.)形狀而平滑。

圖3是對(duì)應(yīng)(5)式脈沖波形為高斯型的TH-UWB信號(hào)功率譜[3]。顯然，充分利用信號(hào)的功率譜分布特征，在限制的輻射功率下，適當(dāng)選擇單脈沖波形，脈沖重復(fù)間隔fT，以及數(shù)據(jù)與偽碼速率，可以有效地降低對(duì)UWB使用地區(qū)業(yè)已存在的常規(guī)無(wú)線(xiàn)調(diào)制方式的干擾。不難看出，信號(hào)功率譜分布包絡(luò)的影響是主要的。本文重點(diǎn)討論單脈沖波形對(duì)窄帶系統(tǒng)的干擾性能。

    圖3  TH-UWB信號(hào)功率譜分布

對(duì)窄帶系統(tǒng)的干擾仿真
     UWB信號(hào)對(duì)常規(guī)窄帶通信系統(tǒng)的影響主要由UWB信號(hào)的功率譜及窄帶通信系統(tǒng)的中心頻率決定。本文針對(duì)加性高斯白噪聲（AWGN）信道中的TH-UWB信號(hào)對(duì)常規(guī)QPSK系統(tǒng)的干擾進(jìn)行仿真分析，通過(guò)窄帶系統(tǒng)的誤碼率性能來(lái)討論UWB干擾的影響。

QPSK信號(hào)的一般表達(dá)式為

其中， Eb為比特能量，T為符號(hào)間隔，fc為載波頻率。當(dāng)存在UWB信號(hào)干擾時(shí)，在窄帶接收機(jī)的輸入端，接收到的信號(hào)有如下形式

式中，s(t)為接收到的QPSK信號(hào)，u(t)為UWB干擾信號(hào)，n(t)為加性高斯白噪聲。

不同脈沖寬度pT的三種波形的干擾
    現(xiàn)分別選取CDMA下行鏈路的一個(gè)頻點(diǎn)890.67MHz和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備等共用頻段的一個(gè)頻點(diǎn)2.4GHz作為研究的QPSK通信系統(tǒng)的中心頻率。QPSK信號(hào)的數(shù)據(jù)速率為7210符號(hào)/秒。

圖4給出了基于不同脈沖波形的UWB信號(hào)干擾下的QPSK系統(tǒng)誤碼率性能曲線(xiàn)。三種脈沖波形分別為：高斯脈沖，高斯單周脈沖，Scholtz單周脈沖。在仿真中選取 Tf=50ns，Ns=1，在一個(gè)fT間隔內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)位移對(duì)應(yīng)cjTc+δdj值。

從圖4中可以看到，三種脈沖產(chǎn)生的干擾不同。對(duì)同一種脈沖來(lái)說(shuō)，Tp不同干擾也不同。當(dāng)fc=890.67MHz時(shí)，Tp值愈小的脈沖波形對(duì)窄帶系統(tǒng)的干擾較小。而當(dāng)fc=2.4GHz時(shí)，Tp=2ns三種脈沖對(duì)窄帶系統(tǒng)的干擾均較小。這是由于QPSK調(diào)制的中心頻率fc處于UWB信號(hào)頻譜中心區(qū)域（以fp為中心的區(qū)域）內(nèi)，pT值愈小，功率譜分布愈均勻，則對(duì)QPSK調(diào)制起干擾作用的譜強(qiáng)度愈弱。而fc遠(yuǎn)離fp時(shí)，主要看UWB信號(hào)功率譜下降程度。顯然，Tp愈大，隨著頻率升高，功率譜下降也愈大，故干擾也愈小。

不同時(shí)間間隔dT的高斯偶脈沖的干擾   

圖5給出了不同Td的高斯偶脈沖干擾下的窄帶系統(tǒng)誤碼率性能曲線(xiàn)。fc分別取890.67MHz和2.4GHz。 Tp=0.5ns，Td分別取1.1228ns，0.8333ns和1ns。其它仿真參數(shù)同3.1節(jié)。

由式(4c)知，當(dāng)Td=1.1228ns時(shí)，1/ Td=890.67MHz，該脈沖頻譜在f=890.67MHz處存在零點(diǎn)。當(dāng)Td=0.8333ns時(shí)，2/Td=2.4GHz，該脈沖頻譜在f=2.4GHz處存在零點(diǎn)。圖5表明，在這兩種情況下UWB信號(hào)對(duì)常規(guī)通信系統(tǒng)誤碼率性能影響甚小。

身的吞吐量也不高僅為1.12921Mbps�？梢�(jiàn)WNR在分配帶寬的友好性方面要?jiǎng)儆赪estwood。

由以上仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析可見(jiàn)：在有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，WNR-TCP不僅比Westwood、NewReno有更高的帶寬利用率，而且在公平性和友好性方面也具有較好的表現(xiàn)。
   
   

結(jié)論

本文比較了四種高斯型極窄脈沖的波形和頻譜。在此基礎(chǔ)上，分別針對(duì)不同波形，不同脈沖寬度和不同時(shí)間間隔Td的UWB脈沖信號(hào)對(duì)QPSK調(diào)制窄帶通信系統(tǒng)的干擾進(jìn)行了誤碼率性能仿真。仿真結(jié)果表明，不同波形和不同脈寬產(chǎn)生的干擾不同。這種干擾極大地依賴(lài)于UWB信號(hào)的頻譜特性和窄帶系統(tǒng)的中心頻率。值得注意的是，若采用高斯偶脈沖作為UWB信號(hào)的傳輸載體，適當(dāng)?shù)剡x擇Tp和Td值，使窄帶系統(tǒng)的載波頻率處在高斯偶脈沖頻譜零點(diǎn)處，可以有效地避免干擾。由于極窄脈沖的波形和寬度決定了UWB信號(hào)頻譜的包絡(luò)形狀和位置，因此研究脈沖頻譜及其對(duì)窄帶系統(tǒng)的影響具有一定的意義，為進(jìn)一步的研究工作奠定了基礎(chǔ)。