蔡新梅

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院 葫蘆島 125105)

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基于UWB技術(shù)的船舶避碰系統(tǒng)抗干擾研究*

蔡新梅

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院 葫蘆島 125105)

為了保證船舶航行安全,在船舶上采用基于UWB技術(shù)的船舶避碰系統(tǒng),分析了UWB信號(hào)傳輸?shù)男诺篮统瑢拵ㄐ畔到y(tǒng)存在的窄帶干擾,針對(duì)UWB系統(tǒng)和窄帶系統(tǒng)的共存問(wèn)題,提出了適用于發(fā)射信號(hào)譜會(huì)在窄帶系統(tǒng)工作頻段處形成陷帶的方法,仿真結(jié)果表明,使用經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的TH序列,UWB系統(tǒng)的BER性能得到了提高,解決了UWB信號(hào)和窄帶信號(hào)的相互干擾。

抗干擾; 無(wú)線通信系統(tǒng); UWB; 陷波技術(shù)

Class Number U675

1 引言

UWB信號(hào)具有多徑分辨率高、通信頻譜廣泛、不易受到干擾、較低速率時(shí)可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn),因此采用UWB通信技術(shù)配合計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的船舶避碰系統(tǒng)能有效地判斷對(duì)方船舶的位置和方向,從而能夠有效地減少船舶避碰。但是船舶上用于通信的窄帶信號(hào)如地面通信系統(tǒng)、GPS、衛(wèi)星通信、無(wú)線電導(dǎo)航或探測(cè)系統(tǒng)等都會(huì)對(duì)UWB收發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,為了讓UWB系統(tǒng)和窄帶系統(tǒng)的共存,要采取方法來(lái)解決UWB信號(hào)和窄帶信號(hào)的相互干擾。

2 UWB信道模型

UWB信號(hào)在海上進(jìn)行發(fā)射時(shí),可以認(rèn)為是在自由空間進(jìn)行發(fā)射,因此可以采用Friis傳輸信道。UWB信號(hào)在自由空間里向三維空間傳播是以波為形式的。并且以球狀向外擴(kuò)散。假設(shè)天線增益為Gt,信號(hào)發(fā)射功率為Pt,發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離為r,則我們可以根據(jù)上面的理論得到以r為半徑的球面均勻分割的有效的全向輻射功率Pd的表達(dá)式為

(1)

將全向輻射功率用EIPR來(lái)表示,即EIRP=PtGt,則式(1)又可以表示為

(2)

但是在發(fā)射端與接收端距離為r處,接收天線的有效面積并不是球體的整個(gè)表面積,假設(shè)有效截面為Ae,則距離r處的接收信號(hào)功率Pr為

(3)

根據(jù)天線截面和天線增益關(guān)系式G=4πAe/λ2可以得到接收天線的增益Gr和接收信號(hào)的功率Pr的關(guān)系式如下

(4)

將有效全向輻射功率帶入表達(dá)式(4),就得到自由空間Friis傳輸方程如下

(5)

所謂路徑損耗指的就是發(fā)射功率和接收功率的比值,則根據(jù)上式可以得到路徑損耗LP(r)為

(6)

對(duì)路徑損耗取對(duì)數(shù),用衰減的形式來(lái)表示為如下

(7)

同樣的,對(duì)于單位增益天線,即Gr=Gt=1,用對(duì)數(shù)表示的路徑損耗模型為

(8)

由式中的λ可以看出路徑損耗與頻率有關(guān),也就是天線效應(yīng)。對(duì)于上面的自由空間Friis傳輸方程,設(shè)置一個(gè)參考點(diǎn)距離為r0,這樣用Pr(r0)來(lái)表示參考點(diǎn)r0處的接收信號(hào)功率,再定義一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)距離rf,也就是說(shuō)與發(fā)射天線距離超過(guò)rf的區(qū)域就被稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。則綜上所述可以得到Friis傳輸方程的參考點(diǎn)表達(dá)式:

(9)

(10)

相應(yīng)地,可以得到其對(duì)數(shù)表達(dá)式為

(11)

3 干擾源

與UWB相互干擾的無(wú)線系統(tǒng)主要是:地面通信系統(tǒng)(固定點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)、蜂窩通信和廣播)、GPS、衛(wèi)星通信、無(wú)線電導(dǎo)航或探測(cè)系統(tǒng),以及工作在ISM、UII波段的系統(tǒng)(如802.11a,802.11b,Bluetooth等)和其他業(yè)余無(wú)線電系統(tǒng)。這些無(wú)線系統(tǒng)相對(duì)于UWB面議,都可以看成是窄帶系統(tǒng)。UWB與現(xiàn)有窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)間干擾的研究熱點(diǎn)在于如何避免頻譜上相互重疊,如UWB與802.11a(5.15GHz～5.825GHz)、UWB概念股WIMAX(其中的5GHz頻段)等。圖給出了DS-CDMA(即DS-UWB)頻譜方案?？梢钥闯?為避免與802.11a的干擾,DS-CDMA并沒(méi)有使用5.15GHz～5.825GHz這一頻段。當(dāng)然,實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該盡量提高頻譜利用率,這種為避開(kāi)頻譜重疊而放棄干擾頻段的頻譜利用方式并不是最佳選擇。

4 抗干擾方法

超寬帶系統(tǒng)中,用跳時(shí)序列來(lái)控制發(fā)射信號(hào)頻譜,用直接序列尋址,則單用戶的BPSK調(diào)制的發(fā)射信號(hào)可以表示為

(12)

單位能量的比特波形可以表示為

(13)

則發(fā)射信號(hào)可以簡(jiǎn)化為

(14)

假設(shè)窄帶干擾信號(hào)是一個(gè)單音信號(hào),即一個(gè)正弦波信號(hào),可以表示為

(15)

En表示干擾信號(hào)功率,fn是干擾信號(hào)載波頻率,θn表示干擾信號(hào)相位。

UWB系統(tǒng)匹配濾波器可以表示為

(16)

假設(shè)接收機(jī)的接收信號(hào)為

(17)

我們認(rèn)為窄帶干擾信號(hào)通過(guò)瑞利慢衰落信道,并且衰減相位φn服從[0,2π]上的均勻分布的,所以在瑞利慢衰落信道的條件下,式(5)～式(7)中包括窄帶干擾信號(hào)和加性白高斯噪聲的干優(yōu)項(xiàng)是條件高斯分布的,因而,UWB系統(tǒng)的條件誤比特率可以表示為

(18)

(19)

根據(jù)式(18)～(19),在窄帶信號(hào)干擾的條件下提高超寬帶通信系統(tǒng)的BER性能等同于增加SINRcon。通過(guò)分析式(19),分母中的|H0(fn)|可以影響超寬帶通信系統(tǒng)的BER性能,而|H0(fn)|是由超寬帶通信系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)所決定的。分析式(19)可知,通過(guò)減小|H0(fn)|來(lái)增大SINRcon,在窄帶干擾頻率fn處,使|H0(fn)|盡可能地小。也就是說(shuō),就是|H0(fn)|在窄帶信號(hào)工作頻率處形成陷帶,從而提高UWB系統(tǒng)的BER性能?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)TH序列,來(lái)使|H0(fn)|在窄帶信號(hào)工作頻率處形成陷帶,以改善UWB系統(tǒng)的性能。

5 仿真結(jié)果

在UWB通信系統(tǒng)中,以抑制窄帶干擾為目的,對(duì)TH序列設(shè)計(jì)算法的有效性。我們使用高斯二階導(dǎo)函數(shù)脈沖作為UWB系統(tǒng)的發(fā)射脈沖,如下式所示:

(20)

該脈沖的能量是1/Ns,τp是和脈沖寬度相關(guān)的歸一化系數(shù),具體的仿真參數(shù)設(shè)置如下:Nh=16,Ns=16,τp=0.5ns,Tc=1ns,Tf=TcNh=16ns,Tb=NsTf=256ns,DS序列直接置為CDS=[1,1,-1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1],窄帶干擾中心頻率fn=2.412GHz,假設(shè)在UWB設(shè)備屮,可以根據(jù)周圍的頻譜環(huán)境來(lái)實(shí)施TH序列設(shè)計(jì)算法,則此時(shí)可得到TH序列為CTH=[4,3,8,1,0,5,4,14,13,12,5,10,9,2,7,0]。

UWB信號(hào)通過(guò)簡(jiǎn)化的Nakagami衰落信道,假設(shè),有條服從Nakagami分布的隨機(jī)吋延路徑。信道的仿真參數(shù)為,L=8,ε=3,y=4,m=3。

圖1 分別使用經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的TH序列和普通的TH序列時(shí),DS-IR-UWB系統(tǒng)的誤比特率性能比較

圖1是在中心頻率為2.412GHz的窄帶信號(hào)干擾下,仿真了DS-IR-UWB系統(tǒng)使用經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的TH序列時(shí)的BER性能,同時(shí)仿真了DS-IR-UWB系統(tǒng)使用普通TH序列時(shí)的BER性能,作為對(duì)比,也仿真了AWGN信道中無(wú)窄帶干擾的DS-IR-UWB系統(tǒng)的BER性能。從圖中可以看出,在窄帶信號(hào)干擾下,使用經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的TH序列的DS-IR-UWB系統(tǒng)的BER性能遠(yuǎn)好于使用普通TH序列的DS-IR-UWB系統(tǒng)的BER性能,而且隨著窄帶干擾功率的增大,DS-IR-UWB系統(tǒng)的BER性能的提高就越明顯。在不同的SIR值下,可以看出,AWGN信道中無(wú)窄帶干擾的DS-IR-UWB系統(tǒng)的BER性能曲線與使用經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的TH序列的DS-IR-UWB系統(tǒng)的BER性能曲線相比,幾乎是重疊的,因而,在簡(jiǎn)化的Nakagami衰落信道環(huán)境下,使用經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的TH序列的DS-IR-UWB系統(tǒng)幾乎可以消除窄帶干擾信號(hào)的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了船舶窄帶通信設(shè)備對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)的BER性能的影響,多個(gè)設(shè)備對(duì)UWB系統(tǒng)的影響會(huì)更大些。在窄帶干擾頻率fn處,合理地采用UWB傳輸序列,在窄帶信號(hào)工作頻率處形成陷帶,這種方法可以很好地避免船舶窄帶設(shè)備對(duì)UWB系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

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Anti Interference of Ship Collision Avoidance System Based on UWB

CAI Xinmei

(Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao 125105)

Focusing on the safe navigation of the ship, the ship collision avoidance system based on UWB is used in ship. The interference between UWB and the wireless system is analyzed, and a notch technology is put forward to solve the coexistence problem of the UWB and narrowband system, leading to the solution of the mutual interference.

anti interference, wireless system, UWB, notch technology

2014年7月11日,

2014年8月29日 基金項(xiàng)目:遼寧省教育廳科技研究項(xiàng)目(編號(hào):L2012485)資助。

蔡新梅,女,碩士,講師,研究方向:船舶電子設(shè)備與通信技術(shù)。

U675

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.017