基于UWB技術的船舶避碰系統抗干擾研究*

蔡新梅

(渤海船舶職業學院 葫蘆島 125105)

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基于UWB技術的船舶避碰系統抗干擾研究*

蔡新梅

(渤海船舶職業學院 葫蘆島 125105)

為了保證船舶航行安全,在船舶上采用基于UWB技術的船舶避碰系統,分析了UWB信號傳輸的信道和超寬帶通信系統存在的窄帶干擾,針對UWB系統和窄帶系統的共存問題,提出了適用于發射信號譜會在窄帶系統工作頻段處形成陷帶的方法,仿真結果表明,使用經過設計的TH序列,UWB系統的BER性能得到了提高,解決了UWB信號和窄帶信號的相互干擾。

抗干擾; 無線通信系統; UWB; 陷波技術

Class Number U675

1 引言

UWB信號具有多徑分辨率高、通信頻譜廣泛、不易受到干擾、較低速率時可以遠距離傳輸的特點,因此采用UWB通信技術配合計算機技術設計的船舶避碰系統能有效地判斷對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如地面通信系統、GPS、衛星通信、無線電導航或探測系統等都會對UWB收發系統產生干擾,為了讓UWB系統和窄帶系統的共存,要采取方法來解決UWB信號和窄帶信號的相互干擾。

2 UWB信道模型

UWB信號在海上進行發射時,可以認為是在自由空間進行發射,因此可以采用Friis傳輸信道。UWB信號在自由空間里向三維空間傳播是以波為形式的。并且以球狀向外擴散。假設天線增益為Gt,信號發射功率為Pt,發射機與接收機之間的距離為r,則我們可以根據上面的理論得到以r為半徑的球面均勻分割的有效的全向輻射功率Pd的表達式為

(1)

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

(2)

但是在發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表面積,假設有效截面為Ae,則距離r處的接收信號功率Pr為

(3)

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

(4)

將有效全向輻射功率帶入表達式(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射功率和接收功率的比值,則根據上式可以得到路徑損耗LP(r)為

(6)

對路徑損耗取對數,用衰減的形式來表示為如下

(7)

同樣的,對于單位增益天線,即Gr=Gt=1,用對數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,也就是天線效應。對于上面的自由空間Friis傳輸方程,設置一個參考點距離為r0,這樣用Pr(r0)來表示參考點r0處的接收信號功率,再定義一個遠場區距離rf,也就是說與發射天線距離超過rf的區域就被稱為遠場區。則綜上所述可以得到Friis傳輸方程的參考點表達式:

(9)

(10)

相應地,可以得到其對數表達式為

(11)

3 干擾源

與UWB相互干擾的無線系統主要是:地面通信系統(固定點對點系統、蜂窩通信和廣播)、GPS、衛星通信、無線電導航或探測系統,以及工作在ISM、UII波段的系統(如802.11a,802.11b,Bluetooth等)和其他業余無線電系統。這些無線系統相對于UWB面議,都可以看成是窄帶系統。UWB與現有窄帶無線通信系統間干擾的研究熱點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。可以看出,為避免與802.11a的干擾,DS-CDMA并沒有使用5.15GHz～5.825GHz這一頻段。當然,實際應用中應該盡量提高頻譜利用率,這種為避開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

超寬帶系統中,用跳時序列來控制發射信號頻譜,用直接序列尋址,則單用戶的BPSK調制的發射信號可以表示為

(12)

單位能量的比特波形可以表示為

(13)

則發射信號可以簡化為

(14)

假設窄帶干擾信號是一個單音信號,即一個正弦波信號,可以表示為

(15)

En表示干擾信號功率,fn是干擾信號載波頻率,θn表示干擾信號相位。

UWB系統匹配濾波器可以表示為

(16)

假設接收機的接收信號為

(17)

我們認為窄帶干擾信號通過瑞利慢衰落信道,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和加性白高斯噪聲的干優項是條件高斯分布的,因而,UWB系統的條件誤比特率可以表示為

(18)

(19)

根據式(18)～(19),在窄帶信號干擾的條件下提高超寬帶通信系統的BER性能等同于增加SINRcon。通過分析式(19),分母中的|H0(fn)|可以影響超寬帶通信系統的BER性能,而|H0(fn)|是由超寬帶通信系統的發射信號所決定的。分析式(19)可知,通過減小|H0(fn)|來增大SINRcon,在窄帶干擾頻率fn處,使|H0(fn)|盡可能地小。也就是說,就是|H0(fn)|在窄帶信號工作頻率處形成陷帶,從而提高UWB系統的BER性能。可以通過設計TH序列,來使|H0(fn)|在窄帶信號工作頻率處形成陷帶,以改善UWB系統的性能。

5 仿真結果

在UWB通信系統中,以抑制窄帶干擾為目的,對TH序列設計算法的有效性。我們使用高斯二階導函數脈沖作為UWB系統的發射脈沖,如下式所示:

(20)

該脈沖的能量是1/Ns,τp是和脈沖寬度相關的歸一化系數,具體的仿真參數設置如下: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,假設在UWB設備屮,可以根據周圍的頻譜環境來實施TH序列設計算法,則此時可得到TH序列為CTH=[4,3,8,1,0,5,4,14,13,12,5,10,9,2,7,0]。

UWB信號通過簡化的Nakagami衰落信道,假設,有條服從Nakagami分布的隨機吋延路徑。信道的仿真參數為,L=8,ε=3,y=4,m=3。

圖1 分別使用經過設計的TH序列和普通的TH序列時,DS-IR-UWB系統的誤比特率性能比較

圖1是在中心頻率為2.412GHz的窄帶信號干擾下,仿真了DS-IR-UWB系統使用經過設計的TH序列時的BER性能,同時仿真了DS-IR-UWB系統使用普通TH序列時的BER性能,作為對比,也仿真了AWGN信道中無窄帶干擾的DS-IR-UWB系統的BER性能。從圖中可以看出,在窄帶信號干擾下,使用經過設計的TH序列的DS-IR-UWB系統的BER性能遠好于使用普通TH序列的DS-IR-UWB系統的BER性能,而且隨著窄帶干擾功率的增大,DS-IR-UWB系統的BER性能的提高就越明顯。在不同的SIR值下,可以看出,AWGN信道中無窄帶干擾的DS-IR-UWB系統的BER性能曲線與使用經過設計的TH序列的DS-IR-UWB系統的BER性能曲線相比,幾乎是重疊的,因而,在簡化的Nakagami衰落信道環境下,使用經過設計的TH序列的DS-IR-UWB系統幾乎可以消除窄帶干擾信號的影響。

6 結語

本文主要分析了船舶窄帶通信設備對超寬帶通信系統的BER性能的影響,多個設備對UWB系統的影響會更大些。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備對UWB系統產生干擾。

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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 基金項目:遼寧省教育廳科技研究項目(編號:L2012485)資助。

蔡新梅,女,碩士,講師,研究方向:船舶電子設備與通信技術。

U675

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.017