基于隨機脈沖干擾的超寬帶通信系統性能分析

黃志清，王衛東

（1.鎮江船艇學院指揮系，江蘇鎮江 212003；2.中國科技大學信息科學技術學院，合肥 230027）

基于隨機脈沖干擾的超寬帶通信系統性能分析

黃志清1，2，王衛東2

（1.鎮江船艇學院指揮系，江蘇鎮江 212003；2.中國科技大學信息科學技術學院，合肥 230027）

基于忽略背景熱噪聲影響的前提，建立了隨機脈沖干擾模型和調時-二相調制超寬帶（TH-BPM-UWB）通信系統模型.對軟判決檢測方式和硬判決檢測方式分別作了研究，確定出脈沖參數、跳時碼參數與超寬帶通信系統抗干擾性能之間的關系.理論分析和實驗仿真表明：軟判決的性能并不總是優于硬判決；當多脈沖接收機采用軟判決且信干比較小時，其性能反而不如單脈沖接收機；跳時碼調制對隨機脈沖干擾的影響很小.

超寬帶；隨機脈沖干擾；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，又稱為脈沖無線電（impulse radio，IR），具有低檢測概率和低截獲概率特性好、系統復雜度低、耗電量小、速率高、抗多徑能力強、定位準確度高等優點，在軍事和民用領域都有廣闊的應用前景[1-2].由于UWB信號的寬帶效應，其會干擾其他現有無線通信系統，文獻[3-6]研究了UWB通信系統與WLAN、CDMA、GSM和GPS等的共存性.在干擾現有無線通信系統的同時，UWB通信系統也會受到各種干擾的威脅，對UWB抗各種干擾的能力進行分析，是超寬帶通信研究領域面臨的重要課題，尤其是在軍事領域.文獻 [7]分析了TH-IR在音頻干擾下的性能，并與直接序列擴頻技術進行了比較，但其沒有考慮到跳時碼的影響.文獻[8]分析了MB-OFDM（多頻帶正交頻分復用）的抗音頻干擾、部分頻帶干擾、寬帶干擾的性能.脈沖干擾是戰場環境中較為常見的人為干擾樣式，是利用干擾機發射一系列脈沖信號或類似于被干擾設備的脈沖信號而形成的干擾.這種干擾作用時間短、脈沖功率大，通常用于干擾脈沖信號通信（如UWB通信）.因此，對UWB通信系統抗脈沖干擾性能進行分析具有重要的現實意義，但目前這方面的研究還很少.文獻[9]針對TH-PPM（time hopping-pulse position modulation）超寬帶體制，分析了不同參數的脈沖干擾信號對該通信體制的影響，運用Matlab進行仿真并給出了結果.文獻[10]分析了MB-OFDM超寬帶體制在不同的信道環境下對抗信道噪聲和干擾（脈沖干擾、寬帶干擾、部分頻帶干擾）的不同性能，并進行了實驗仿真.文獻[9-10]都僅給出了仿真結果，沒有理論結果進行互相驗證，對不同的接收方式沒有進行比較，而且沒有考慮跳時碼的影響.本文針對TH-BPM（time hopping-binary phase data modulation）超寬帶體制進行了分析，建立了隨機脈沖干擾和UWB通信系統模型，考慮多脈沖跳時碼影響，分別對軟判決接收和硬判決接收方式下系統的誤碼率進行了嚴密的推導并給出了表達式，對不同的判決方式進行了比較分析，并借助Matlab軟件進行了仿真驗證，為超寬帶通信系統的實際應用提供了重要依據.

1 隨機脈沖干擾模型

通信偵察是實施通信干擾的前提，下面對UWB通信系統抗干擾性能的分析都是在假定干擾機已經獲知UWB信號相關參數的基礎上進行的.假定干擾機偵察到UWB信號的帶寬（Ws）、脈沖寬度（Tp）、幀長（Tf）等參數后，每個Tf內隨機發一個干擾脈沖，為了分析方便令干擾的持續時間τ=Tp，干擾功率（PJ）在整個信號帶寬內均勻施放.

對信號脈沖來說，在某個Tf內干擾脈沖何時出現是完全隨機的，即在（kTf，（k+1）Tf）內有干擾存在的時刻X是一個服從均勻分布的連續型隨機變量，X的概率密度函數為：

為了便于進行理論分析，假設每個信號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脈沖發生部分碰撞的情況.若某個Tf內信號脈沖的起始時刻為t，因為干擾的持續時間τ=Tp，信號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，X落在（t，t+Tp）內的概率為：

因為人為干擾產生的功率通常遠大于背景熱噪聲，所以可忽略背景熱噪聲的影響.當無干擾出現時，系統的誤碼率為零；當有干擾出現時，可以將其看作是均值為零、瞬時功率為PJ/ρ的高斯白噪聲.

2UWB通信系統模型

考慮二進制通信系統，以跳時-二相調制（THBPM）為例，僅研究單用戶超寬帶通信方式，接收端采用相關接收并假定沒有同步誤差.假設忽略信號傳輸過程中時延的影響，接收到的信號為：

式中：s（t）是有用信號；J（t）為干擾信號.s（t）與J（t）是統計獨立的.有用信號的時域表達式為：

式中：Ep為單脈沖攜帶的能量；W（t）是基本脈沖經過能量歸一化之后的波形；Cj為用戶跳時序列的第j個碼元；Tc是由跳時序列控制的單位發射脈沖時延；dj∈{-1，1}表示發送的數據比特；“[]”表示取整運算，每Ns個脈沖表示1個比特[11].

3 UWB通信系統抗隨機脈沖干擾性能分析

3.1 無跳時碼調制時UWB通信系統抗干擾性能分析

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

3.1.1 硬判決檢測

當采用硬判決檢測時，接收機對Ns個脈沖進行Ns次獨立的檢測判決，然后送到合并器，最終的判決結果根據大數判決定律得到.由于干擾脈沖在每個Tf內都是隨機出現的，因此Ns個信號脈沖中每個脈沖受到干擾的概率是相同的，即P（jammed）=ρ.單個脈沖信號受到干擾時，相當于在信號上疊加了一個是均值為零、方差為NJ/2ρ（NJ=PJ/WS）的高斯隨機變量，接收機接收到的是均值為，發-1時為方差為NJ/2ρ的高斯隨機變量.假定發1和-1的先驗概率是相等的，則單脈沖受干擾時的錯判概率為：

假設信道是無記憶的，Ns個脈沖中每個脈沖受到干擾的事件是相互獨立的，當Ns為奇數時系統總的誤碼率為：

當Ns為偶數時，有個以上的脈沖被誤判時，最終判決的比特肯定是錯誤的；有個脈沖被誤判時，最終判決的比特可能是正確的也可能是錯誤的.系統總的誤碼率為：

3.1.2 軟判決檢測

采用軟判決檢測時，接收機將Ns個脈沖形成的信號當作一個單獨的多脈沖信號.到達接收機的Ns個信號脈沖有k（k是整數，0≤k≤Ns）個受到干擾，由概率論的知識可知進入合并器的是均值為（發1時為方差為kNJ/2ρ的高斯隨機變量.當分別發1和-1時，假定先驗概率P（H1）=P（H-1）=1/2，隨機變量r的概率密度函數分別為：

判決門限為0，則Ns個信號脈沖中有k個脈沖受到干擾時的錯誤概率為：

每個脈沖受到干擾的事件是獨立的且概率都為ρ，Ns個脈沖中有k個脈沖受到干擾的概率為：

k的取值為：1，2，3，Ns，所以軟判決時系統的平均誤碼率為：

3.2 有跳時碼調制時UWB通信系統抗干擾性能分析

跳時序列Cj是一個碼長為Np的Nh（碼元的取值范圍）元序列，其只是改變了信號脈沖在每個幀長內的出現時刻，對于一個特定的超寬帶通信系統來說，跳時序列是確定的.因為脈沖干擾是隨機的，所以與無跳時碼調制時相比，有跳時碼調制時每個信號脈沖受干擾的概率并沒有改變，多個信號脈沖受干擾的概率與無跳時碼調制時也是一樣的，跳時碼調制對超寬帶通信系統抗隨機脈沖干擾性能的提高是沒有貢獻的.

4 UWB通信系統抗隨機脈沖干擾性能仿真

4.1 仿真條件及參數

采用Matlab7.1軟件進行仿真，調制方式為THBPM，假定跳時碼的碼長Np=Ns，信號脈沖為二階高斯波形，Tp=0.5 ns，Tf=5 ns，Tc=0.5 ns.仿真時取樣間隔為dt，總的發射脈沖數目numpulses=Ns*numbits.首先用randn函數產生一個長度為（numpulses*Tf）/dt的高斯白噪聲序列，然后用rand函數產生一個隨機數，在這個隨機數控制下從高斯白噪聲序列中每間隔Tf/dt個點從Tf/dt中隨機連續取Tp/dt個樣本點得到隨機脈沖干擾序列，隨機脈沖干擾的功率由高斯白噪聲的方差控制.

4.2 仿真結果及分析

試驗墩柱的位移延性能力如表2[5]所示：(1) 4個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 無跳時碼調制時UWB通信系統的抗干擾性能

圖1給出了ρ=0.1時，UWB通信系統在隨機脈沖干擾下的軟硬判決性能曲線，從圖1可以看出理論推導與仿真實驗非常吻合.

圖1 UWB系統在隨機脈沖干擾下的性能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于硬判決，當信干比小于7 dB（干擾功率較大）時，硬判決的性能反而優于軟判決.其原因是Ns個脈沖中被干擾的脈沖個數是隨機的，當被干擾的脈沖數目較少但干擾情況又很嚴重時，軟判決可能使比特判決出錯；而采用硬判決時只有被嚴重干擾的少數脈沖判決會出錯，但在而后的大數判決時比特仍有可能被正確判決.

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

4.2.2 有跳時碼調制時UWB通信系統的抗干擾性能

圖2給出了有跳時碼調制時UWB通信系統性能的仿真曲線，并和無跳時碼調制時的性能進行了比較.

圖2 有跳時碼時系統受隨機脈沖干擾時的性能Fig.2 Performance of UWB system modulated by TH code under random pulse jamming

由圖2可以看出，無論是硬判決接收方式還是軟判決接收方式，采用跳時碼調制后系統的性能與無跳時碼調制時相差都很小，與前面的理論分析是一致的.

5 結論

本文研究了超寬帶通信系統抗隨機脈沖干擾的性能，對軟判決接收方式和硬判決接收方式，單脈沖接收機和多脈沖接收機，有跳時碼和無跳時碼時的系統性能進行了分析比較.理論分析與仿真實驗的吻合度好，所得結論一致：軟判決的性能并不總是優于硬判決；當多脈沖接收機采用軟判決且信干比較小時，其性能反而不如單脈沖接收機；跳時碼調制對隨機脈沖干擾的影響很小.

[1]PERE Duenas J，WANGUEMERT Perez J G，MOLINA Fernandez I.Novel modulation scheme and six-port based RAKE receiver for DS-UWB[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8（7）：3628-3633.

[2]ZENG Liaoyuan，MCGRATH Sean，CANO Eduardo.Multiuser spectral efficiency maximization in cognitive ultra wideband radio systems[C]//2010 Sixth Advanced International Conference on Telecommunications.Spain：IEEE，2010：118-123.

[3]CHIANI M，GIORGETTIA.Coexistence between UWB and narrow-band wireless communication systems[J].Proceedings of the IEEE，2009，97（2）：231-254.

[4]MANZI G，FELIZIANI M，BEECKMAN P A，et a1.Coexistence between ultra-wideband radio and narrow-band wireless LAN communication systems[J].IEEE Transactions On Electromagnetic Compatibility，2009，51（2）：382-390.

[5]齊麗娜，干宗良，朱洪波.存在CDMA干擾時超寬帶系統性能分析[J].微波學報，2009，25（3）：92-96.

[6] 蔣磊，王永生，郭建新.超寬帶通信中干擾抑制方法[J].空軍工程大學報，2007，8（2）：52-56.

[7] LI Zhao.Performance of ultra-wideband communications in the presence of interference[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2002，20（9）：1684-1691.

[8]陳思.MB-OFDM超寬帶技術的抗干擾性能研究[J].系統仿真學報，2008，20（1）：121-123.

[9] 覃振江，王昌寶.脈沖干擾對超寬帶通信干擾效果分析研究[J].艦船電子工程，2011，31（10）：69-72.

[10]侯運林.多載波超寬帶系統在干擾條件下的性能研究[J].無線通信技術，2008，17（3）：25-28.

[11]YVES Paul Nakache.Spectral shaping of UWB signal for timehopping impulse radio[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2006，24（4）：738-744.

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

：中國科學院知識創新工程重大方向性項目（KGCX2-WY-415-2）

黃志清（1978—），男，碩士研究生，講師.

王衛東（1967—），男，教授，博士生導師.E-mail：wdwang@ustc.edu.cn