黃志清，王衛(wèi)東

（1.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院指揮系，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.中國(guó)科技大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，合肥 230027）

基于隨機(jī)脈沖干擾的超寬帶通信系統(tǒng)性能分析

黃志清1，2，王衛(wèi)東2

（1.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院指揮系，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.中國(guó)科技大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，合肥 230027）

基于忽略背景熱噪聲影響的前提，建立了隨機(jī)脈沖干擾模型和調(diào)時(shí)-二相調(diào)制超寬帶（TH-BPM-UWB）通信系統(tǒng)模型.對(duì)軟判決檢測(cè)方式和硬判決檢測(cè)方式分別作了研究，確定出脈沖參數(shù)、跳時(shí)碼參數(shù)與超寬帶通信系統(tǒng)抗干擾性能之間的關(guān)系.理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真表明：軟判決的性能并不總是優(yōu)于硬判決；當(dāng)多脈沖接收機(jī)采用軟判決且信干比較小時(shí)，其性能反而不如單脈沖接收機(jī)；跳時(shí)碼調(diào)制對(duì)隨機(jī)脈沖干擾的影響很小.

超寬帶；隨機(jī)脈沖干擾；軟判決；硬判決；性能仿真

基于脈沖的超寬帶（ultra wide band，UWB）通信技術(shù)，又稱為脈沖無(wú)線電（impulse radio，IR），具有低檢測(cè)概率和低截獲概率特性好、系統(tǒng)復(fù)雜度低、耗電量小、速率高、抗多徑能力強(qiáng)、定位準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景[1-2].由于UWB信號(hào)的寬帶效應(yīng)，其會(huì)干擾其他現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)，文獻(xiàn)[3-6]研究了UWB通信系統(tǒng)與WLAN、CDMA、GSM和GPS等的共存性.在干擾現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)的同時(shí)，UWB通信系統(tǒng)也會(huì)受到各種干擾的威脅，對(duì)UWB抗各種干擾的能力進(jìn)行分析，是超寬帶通信研究領(lǐng)域面臨的重要課題，尤其是在軍事領(lǐng)域.文獻(xiàn) [7]分析了TH-IR在音頻干擾下的性能，并與直接序列擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行了比較，但其沒有考慮到跳時(shí)碼的影響.文獻(xiàn)[8]分析了MB-OFDM（多頻帶正交頻分復(fù)用）的抗音頻干擾、部分頻帶干擾、寬帶干擾的性能.脈沖干擾是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中較為常見的人為干擾樣式，是利用干擾機(jī)發(fā)射一系列脈沖信號(hào)或類似于被干擾設(shè)備的脈沖信號(hào)而形成的干擾.這種干擾作用時(shí)間短、脈沖功率大，通常用于干擾脈沖信號(hào)通信（如UWB通信）.因此，對(duì)UWB通信系統(tǒng)抗脈沖干擾性能進(jìn)行分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，但目前這方面的研究還很少.文獻(xiàn)[9]針對(duì)TH-PPM（time hopping-pulse position modulation）超寬帶體制，分析了不同參數(shù)的脈沖干擾信號(hào)對(duì)該通信體制的影響，運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真并給出了結(jié)果.文獻(xiàn)[10]分析了MB-OFDM超寬帶體制在不同的信道環(huán)境下對(duì)抗信道噪聲和干擾（脈沖干擾、寬帶干擾、部分頻帶干擾）的不同性能，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真.文獻(xiàn)[9-10]都僅給出了仿真結(jié)果，沒有理論結(jié)果進(jìn)行互相驗(yàn)證，對(duì)不同的接收方式?jīng)]有進(jìn)行比較，而且沒有考慮跳時(shí)碼的影響.本文針對(duì)TH-BPM（time hopping-binary phase data modulation）超寬帶體制進(jìn)行了分析，建立了隨機(jī)脈沖干擾和UWB通信系統(tǒng)模型，考慮多脈沖跳時(shí)碼影響，分別對(duì)軟判決接收和硬判決接收方式下系統(tǒng)的誤碼率進(jìn)行了嚴(yán)密的推導(dǎo)并給出了表達(dá)式，對(duì)不同的判決方式進(jìn)行了比較分析，并借助Matlab軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，為超寬帶通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了重要依據(jù).

1 隨機(jī)脈沖干擾模型

通信偵察是實(shí)施通信干擾的前提，下面對(duì)UWB通信系統(tǒng)抗干擾性能的分析都是在假定干擾機(jī)已經(jīng)獲知UWB信號(hào)相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的.假定干擾機(jī)偵察到UWB信號(hào)的帶寬（Ws）、脈沖寬度（Tp）、幀長(zhǎng)（Tf）等參數(shù)后，每個(gè)Tf內(nèi)隨機(jī)發(fā)一個(gè)干擾脈沖，為了分析方便令干擾的持續(xù)時(shí)間τ=Tp，干擾功率（PJ）在整個(gè)信號(hào)帶寬內(nèi)均勻施放.

對(duì)信號(hào)脈沖來(lái)說，在某個(gè)Tf內(nèi)干擾脈沖何時(shí)出現(xiàn)是完全隨機(jī)的，即在（kTf，（k+1）Tf）內(nèi)有干擾存在的時(shí)刻X是一個(gè)服從均勻分布的連續(xù)型隨機(jī)變量，X的概率密度函數(shù)為：

為了便于進(jìn)行理論分析，假設(shè)每個(gè)信號(hào)脈沖要么全部受到干擾，要么不受到干擾，即不考慮干擾脈沖和信號(hào)脈沖發(fā)生部分碰撞的情況.若某個(gè)Tf內(nèi)信號(hào)脈沖的起始時(shí)刻為t，因?yàn)楦蓴_的持續(xù)時(shí)間τ=Tp，信號(hào)脈沖和干擾脈沖完全碰撞，也就意味著X全部落在（t，t+Tp）內(nèi)，X落在（t，t+Tp）內(nèi)的概率為：

因?yàn)槿藶楦蓴_產(chǎn)生的功率通常遠(yuǎn)大于背景熱噪聲，所以可忽略背景熱噪聲的影響.當(dāng)無(wú)干擾出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率為零；當(dāng)有干擾出現(xiàn)時(shí)，可以將其看作是均值為零、瞬時(shí)功率為PJ/ρ的高斯白噪聲.

2UWB通信系統(tǒng)模型

考慮二進(jìn)制通信系統(tǒng)，以跳時(shí)-二相調(diào)制（THBPM）為例，僅研究單用戶超寬帶通信方式，接收端采用相關(guān)接收并假定沒有同步誤差.假設(shè)忽略信號(hào)傳輸過程中時(shí)延的影響，接收到的信號(hào)為：

式中：s（t）是有用信號(hào)；J（t）為干擾信號(hào).s（t）與J（t）是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的.有用信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

式中：Ep為單脈沖攜帶的能量；W（t）是基本脈沖經(jīng)過能量歸一化之后的波形；Cj為用戶跳時(shí)序列的第j個(gè)碼元；Tc是由跳時(shí)序列控制的單位發(fā)射脈沖時(shí)延；dj∈{-1，1}表示發(fā)送的數(shù)據(jù)比特；“[]”表示取整運(yùn)算，每Ns個(gè)脈沖表示1個(gè)比特[11].

3 UWB通信系統(tǒng)抗隨機(jī)脈沖干擾性能分析

3.1 無(wú)跳時(shí)碼調(diào)制時(shí)UWB通信系統(tǒng)抗干擾性能分析

首先研究在沒有跳時(shí)碼調(diào)制的情況下，UWB通信系統(tǒng)抗隨機(jī)脈沖干擾的性能，分別分析硬判決檢測(cè)（hard decision）和軟判決檢測(cè)（soft decision）的性能并進(jìn)行比較.

3.1.1 硬判決檢測(cè)

當(dāng)采用硬判決檢測(cè)時(shí)，接收機(jī)對(duì)Ns個(gè)脈沖進(jìn)行Ns次獨(dú)立的檢測(cè)判決，然后送到合并器，最終的判決結(jié)果根據(jù)大數(shù)判決定律得到.由于干擾脈沖在每個(gè)Tf內(nèi)都是隨機(jī)出現(xiàn)的，因此Ns個(gè)信號(hào)脈沖中每個(gè)脈沖受到干擾的概率是相同的，即P（jammed）=ρ.單個(gè)脈沖信號(hào)受到干擾時(shí)，相當(dāng)于在信號(hào)上疊加了一個(gè)是均值為零、方差為NJ/2ρ（NJ=PJ/WS）的高斯隨機(jī)變量，接收機(jī)接收到的是均值為，發(fā)-1時(shí)為方差為NJ/2ρ的高斯隨機(jī)變量.假定發(fā)1和-1的先驗(yàn)概率是相等的，則單脈沖受干擾時(shí)的錯(cuò)判概率為：

假設(shè)信道是無(wú)記憶的，Ns個(gè)脈沖中每個(gè)脈沖受到干擾的事件是相互獨(dú)立的，當(dāng)Ns為奇數(shù)時(shí)系統(tǒng)總的誤碼率為：

當(dāng)Ns為偶數(shù)時(shí)，有個(gè)以上的脈沖被誤判時(shí)，最終判決的比特肯定是錯(cuò)誤的；有個(gè)脈沖被誤判時(shí)，最終判決的比特可能是正確的也可能是錯(cuò)誤的.系統(tǒng)總的誤碼率為：

3.1.2 軟判決檢測(cè)

采用軟判決檢測(cè)時(shí)，接收機(jī)將Ns個(gè)脈沖形成的信號(hào)當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的多脈沖信號(hào).到達(dá)接收機(jī)的Ns個(gè)信號(hào)脈沖有k（k是整數(shù)，0≤k≤Ns）個(gè)受到干擾，由概率論的知識(shí)可知進(jìn)入合并器的是均值為（發(fā)1時(shí)為方差為kNJ/2ρ的高斯隨機(jī)變量.當(dāng)分別發(fā)1和-1時(shí)，假定先驗(yàn)概率P（H1）=P（H-1）=1/2，隨機(jī)變量r的概率密度函數(shù)分別為：

判決門限為0，則Ns個(gè)信號(hào)脈沖中有k個(gè)脈沖受到干擾時(shí)的錯(cuò)誤概率為：

每個(gè)脈沖受到干擾的事件是獨(dú)立的且概率都為ρ，Ns個(gè)脈沖中有k個(gè)脈沖受到干擾的概率為：

k的取值為：1，2，3，Ns，所以軟判決時(shí)系統(tǒng)的平均誤碼率為：

3.2 有跳時(shí)碼調(diào)制時(shí)UWB通信系統(tǒng)抗干擾性能分析

跳時(shí)序列Cj是一個(gè)碼長(zhǎng)為Np的Nh（碼元的取值范圍）元序列，其只是改變了信號(hào)脈沖在每個(gè)幀長(zhǎng)內(nèi)的出現(xiàn)時(shí)刻，對(duì)于一個(gè)特定的超寬帶通信系統(tǒng)來(lái)說，跳時(shí)序列是確定的.因?yàn)槊}沖干擾是隨機(jī)的，所以與無(wú)跳時(shí)碼調(diào)制時(shí)相比，有跳時(shí)碼調(diào)制時(shí)每個(gè)信號(hào)脈沖受干擾的概率并沒有改變，多個(gè)信號(hào)脈沖受干擾的概率與無(wú)跳時(shí)碼調(diào)制時(shí)也是一樣的，跳時(shí)碼調(diào)制對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)抗隨機(jī)脈沖干擾性能的提高是沒有貢獻(xiàn)的.

4 UWB通信系統(tǒng)抗隨機(jī)脈沖干擾性能仿真

4.1 仿真條件及參數(shù)

采用Matlab7.1軟件進(jìn)行仿真，調(diào)制方式為THBPM，假定跳時(shí)碼的碼長(zhǎng)Np=Ns，信號(hào)脈沖為二階高斯波形，Tp=0.5 ns，Tf=5 ns，Tc=0.5 ns.仿真時(shí)取樣間隔為dt，總的發(fā)射脈沖數(shù)目numpulses=Ns*numbits.首先用randn函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為（numpulses*Tf）/dt的高斯白噪聲序列，然后用rand函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，在這個(gè)隨機(jī)數(shù)控制下從高斯白噪聲序列中每間隔Tf/dt個(gè)點(diǎn)從Tf/dt中隨機(jī)連續(xù)取Tp/dt個(gè)樣本點(diǎn)得到隨機(jī)脈沖干擾序列，隨機(jī)脈沖干擾的功率由高斯白噪聲的方差控制.

4.2 仿真結(jié)果及分析

試驗(yàn)墩柱的位移延性能力如表2[5]所示：(1) 4個(gè)鋼筋混凝土矩形空心墩抗震性能良好；(2) 配箍率不變的情況下，空心墩柱的極限承載力和延性能力隨剪跨比的減小而有所提高；(3) 剪跨比相同，配箍率的提高使空心墩的極限承載力與墩柱位移延性能力都有提高。

4.2.1 無(wú)跳時(shí)碼調(diào)制時(shí)UWB通信系統(tǒng)的抗干擾性能

圖1給出了ρ=0.1時(shí)，UWB通信系統(tǒng)在隨機(jī)脈沖干擾下的軟硬判決性能曲線，從圖1可以看出理論推導(dǎo)與仿真實(shí)驗(yàn)非常吻合.

圖1 UWB系統(tǒng)在隨機(jī)脈沖干擾下的性能Fig.1 Performance of UWB system under random pulse jamming

從圖1可以看出軟判決的性能并不總是優(yōu)于硬判決，當(dāng)信干比小于7 dB（干擾功率較大）時(shí)，硬判決的性能反而優(yōu)于軟判決.其原因是Ns個(gè)脈沖中被干擾的脈沖個(gè)數(shù)是隨機(jī)的，當(dāng)被干擾的脈沖數(shù)目較少但干擾情況又很嚴(yán)重時(shí)，軟判決可能使比特判決出錯(cuò)；而采用硬判決時(shí)只有被嚴(yán)重干擾的少數(shù)脈沖判決會(huì)出錯(cuò)，但在而后的大數(shù)判決時(shí)比特仍有可能被正確判決.

由圖1還可以看出，當(dāng)多脈沖接收機(jī)采用硬判決時(shí)，性能比單脈沖時(shí)有很大的改善；但是當(dāng)采用軟判決時(shí)，在信干比小于-1 dB時(shí)，其性能反而不如單脈沖接收機(jī).原因是用多個(gè)脈沖表示1個(gè)比特時(shí)，雖然接收端信號(hào)功率增大了，但是信號(hào)脈沖被干擾的概率也增大了，當(dāng)干擾功率很大時(shí)，接收端的信干比反而下降了.

4.2.2 有跳時(shí)碼調(diào)制時(shí)UWB通信系統(tǒng)的抗干擾性能

圖2給出了有跳時(shí)碼調(diào)制時(shí)UWB通信系統(tǒng)性能的仿真曲線，并和無(wú)跳時(shí)碼調(diào)制時(shí)的性能進(jìn)行了比較.

圖2 有跳時(shí)碼時(shí)系統(tǒng)受隨機(jī)脈沖干擾時(shí)的性能Fig.2 Performance of UWB system modulated by TH code under random pulse jamming

由圖2可以看出，無(wú)論是硬判決接收方式還是軟判決接收方式，采用跳時(shí)碼調(diào)制后系統(tǒng)的性能與無(wú)跳時(shí)碼調(diào)制時(shí)相差都很小，與前面的理論分析是一致的.

5 結(jié)論

本文研究了超寬帶通信系統(tǒng)抗隨機(jī)脈沖干擾的性能，對(duì)軟判決接收方式和硬判決接收方式，單脈沖接收機(jī)和多脈沖接收機(jī)，有跳時(shí)碼和無(wú)跳時(shí)碼時(shí)的系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析比較.理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)的吻合度好，所得結(jié)論一致：軟判決的性能并不總是優(yōu)于硬判決；當(dāng)多脈沖接收機(jī)采用軟判決且信干比較小時(shí)，其性能反而不如單脈沖接收機(jī)；跳時(shí)碼調(diào)制對(duì)隨機(jī)脈沖干擾的影響很小.

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Performance analysis of UWB communication system based on random pulse jamming

HUANG Zhi-qing1，2，WANG Wei-dong2
（1.Department of Commandment，Zhenjiang Watercraft College，Zhenjiang 212003，China；2.School of Information Science and Technology，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China）

Random pulse jamming model and TH-BPM(Time Hopping-Binary Phase Data Modulation)UWB communication system model were established with the background noise being neglected.Soft decision detection and hard decision detection were studied respectively,and the relation between anti-jamming performance and two parameters of pulse and TH code was found.Both theoretical analysis and simulation results show that the performance of soft decision is not always better than hard decision,the performance of multi-pulses receiver is actually not as good as mono-pulse receiver when soft decision is applied with low SJR,and TH code has a slight impact on random pulse jamming.

ultra wide band；random pulse jamming；soft decision；hard decision；performance simulation

TN973.3

：A

：1671-024X（2013）01-0066-04

2012-08-30

：中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大方向性項(xiàng)目（KGCX2-WY-415-2）

黃志清（1978—），男，碩士研究生，講師.

王衛(wèi)東（1967—），男，教授，博士生導(dǎo)師.E-mail：wdwang@ustc.edu.cn