基于ＭＡＴＬＡＢ的ＵＷＢ通信系统抗干扰仿真研究

摘要:UWB技术实现了对有限频率资源的充分再利用,但同时也不可避免的成为其它通信系统一种潜在的干扰源,与传统系统的共存性是UWB研究中的一个重要课题。该文首先建立了DS-UWB信号模型,对信号功率谱密度进行了理论推导,在给定仿真条件下,运行了仿真程序,得到了预期的仿真结果。同时,利用建立的仿真系统,研究了抑制正弦干扰性能与系统信噪比的关系,结果表明,提高信噪比,系统可以有效抑制正弦信号干扰。

关键词:超宽带;信噪比;误码率;抗干扰

中图分类号:TN914 文献标识码:A 文章编码: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

超宽带技术又被称为脉冲无线发射技术,是指占用带宽大于中心频率的1/4 或带宽大于1. 5G的无线发射方案。该技术曾被广泛应用于雷达和遥感领域,作为商用无线通信技术目前正受到越来越多的关注。UWB技术既不同于传统的窄带无线传输技术,也不同于3G蜂窝通信中的扩频宽带技术,它不需载波,能直接调制脉冲信号,产生带宽高达几兆赫兹的窄脉冲波形。其带宽远远大于目前任何商业无线通信技术所占用的带宽。

UWB 信号的宽频带、低功率谱密度的特性,决定了UWB无线传输技术具有以下优势:易于与现有的窄带系统(如全球定位系统( GPS) 、蜂窝通信系统、地面电视等)共用频段,大大提高了频谱利用率;易于实现多用户的短距离高速数据通信;对多径衰落具有鲁棒性。UWB与其他窄带系统共用频段,必然存在与其他系统间的相互干扰,对UWB信号的合理规范和设计是应用UWB技术的前提。FCC目前正致力于对UWB发射功率的限制规范,使UWB既能与其他系统共用频带又不至于对其他系统产生破坏性干扰。目前,UWB技术在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面的应用前景已得到了专业界的普遍认可。

2 UWB无线传输系统模型

UWB无线传输系统的基本模型如图1所示。

可以看出,该模型与普通的数字通信系统具有明显差别,主要体现在UWB系统没有了射频调制模块,信道编解码也变得相当简单,所以整個系统非常简单,成本也很低。

图2和图3则描述了一个跳时UWB系统(TH-UWB)的典型收、发机模型。

在图2中,输入二进制数据流多路分解为约110Mbit/s的子数据流,每个数据子流由码率1/2卷积编码。然后这些数据流用来调制由脉冲产生器产生的时间偏移脉冲的相位(相当于BPSK)。同时时间偏移脉冲的相位也由伪随机序列调制。在该系统中利用了脉冲序列“不规则极性”性质来削减频谱的振幅,以在满足FCC的频谱要求的同时提高总发射功率。

图3为接收机模型。在接收机中利用已知的训练序列用来获取定时信息,然后进行信道估计,以确定RAKE接收机和均衡器的系数。

2.1 UWB信号模型

UWB脉冲无线通信中常用的多址调制方式有跳时(Time-Hopping—简称TH)方式与直接序列相位编码(DSC)方式,信息数据调制可采用脉位调制(PPM)或极性调制方式。PPMTH-UWB信号可以表示为

由(1)式与(2)式表达的UWB信号功率谱特征是以单脉冲()wt功率谱形为包络,内嵌频率间隔为1fT的梳状谱,数据与伪码调制将使梳状谱成为sinc(.)形状而平滑。

图4是对应(1)式脉冲波形为高斯型的TH-UWB信号功率谱。显然,充分利用信号的功率谱分布特征,在限制的辐射功率下,适当选择单脉冲波形,脉冲重复间隔fT,以及数据与伪码速率,可以有效地降低对UWB使用地区业已存在的常规无线调制方式的干扰。不难看出,信号功率谱分布包络的影响是主要的。本文重点讨论单脉冲波形对正弦波的干扰性能。

2.2 抑制正弦信号干扰的仿真模型

通过Monte Carlo仿真,研究UWB系统在抑制正弦信号干扰方面的问题。待仿真的系统方框图如图5所示。

用一个均匀随机数发生器(RNG)产生某个二进制信息符号序列,每个信息比特重复L次,L相应于每个信息比特的PN码片数。所得到的序列乘以PN序列,然后将高斯白噪声和形式为

的正弦干扰加到这个乘积序列上。解调器完成与PN序列的互相关,并在构成每信息比特的L个信号样本上求和(积分)。相加器的输出再返馈给检测器,差错计数器计算出由检测器产生的差错数。

2.3 仿真结果

图6为该系统对抑制正弦信号干扰的仿真结果图,对于L=20,可以从图中看到在3种不同的正弦干扰幅值下所得到的结果。在这些仿真过程中,加性噪声的方差都保持不变,而在每次仿真运行中,所期望的信号电平都加权到能够实现所需的SNR。

3 结束语

UWB通信以其较强的抗干扰、抗衰落、抗多径性能而成为第三代通信的核心技术,本文阐述了UWB通信的理论基础和实现方法,利用MATLAB提供的可视化工具箱Simulink建立了扩频通信系统仿真模型,详细讲述了各模块的设计,并给出了仿真建模中需注意的问题。在给定仿真条件下,运行了仿真系统,验证了所建仿真模型的正确性。通过仿真研究了UWB在抑制正弦干扰方面的有效性问题,结果表明,UWB对正弦干扰有着良好的抗干扰性,增大信噪比可以有效抑制正弦信号的干扰。

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