基于高斯脈沖的超寬帶組合脈沖信號設計與研究

趙冰 秦丹陽 楊杰 齊琳 平義和

摘 要 超寬帶通信系統使用納秒級脈沖傳輸信息，具有共存性好、通信容量大、傳輸速率高等優點。本文通過分析脈沖形成因子和微分階數對高斯脈沖及其導函數的影響，設計一種滿足國內輻射掩蔽標準且具有較好頻譜利用率的組合波形，并利用matlab軟件進行仿真。

關鍵詞 超寬帶 高斯脈沖 組合脈沖 頻譜利用率

中圖分類號：TN914文獻標識碼：A

信息產業的迅速發展，帶動了無線業務需求的快速增長，頻譜資源仍處于嚴重匱乏的狀態，這也制約了無線通信業務的發展。超寬帶無線通信技術（Ultra Wide-band，UWB）是一種充分利用現有的頻譜資源的襯底式傳輸技術，以重疊共享方式與現有窄帶無線通信系統共同占用頻譜。超寬帶系統按實現方式可分為：脈沖超寬帶系統和多頻帶超寬帶系統。本論文主要研究的為脈沖超寬帶系統中的組合脈沖設計方法。

1超寬帶無線通信系統

美國軍方于1990年最先提出“超寬帶”的概念，其定義為信號的相對帶寬大于25%的任何波形。

式中：為信號上限截止頻率，為信號下限截止頻率，為信號的中心頻率。

2002年4月，聯邦通訊委員會FCC發布了關于超寬帶技術的“First Report and Order”，規定了超寬帶無線通信可使用的頻率范圍為3.1～10.6GHz，給出了“超寬帶”的兩種定義：定義和分別表示低于信號最大發射（包括天線的影響）10dB處的上限和下限頻率，信號的相對帶寬大于等于0.2;定義是信號的10dB帶寬大于等于500MHz。

2輻射掩蔽標準

超寬帶系統與很多現有的其他通信系統之間存在工作頻段重合的問題。美國通信權威機構FCC為了規避超寬帶信號對其他系統的干擾，制定了對超寬帶信號的輻射掩蔽要求來約束在不同頻段內超寬帶信號的最大功率。我國也在2008年出臺了《超寬帶（UWB）技術頻率使用規定》。

3組合脈沖設計方法

本文選擇高斯脈沖及其導函數設計組合脈沖。高斯函數可由如下公式表示：

式中：是脈沖形成因子，是方差。

其階導數可用下式的遞推方式來表示：

式中：為導函數階數，為階高斯導函數。

由階導數的傅氏變換性質可知，高斯導函數的峰值頻率隨階數的增高而向高頻頻段轉移，為了將能量搬移到更高頻段可以考慮對高斯脈沖進行微分。

當 較小時（ <0.3ns），可通過改變 或導函數階數k來大幅度、有效地改變各階導函數的峰值頻率，達到頻譜搬移的效果，當 =0.09ns時，各階導函數均達到改變 值所能達到的最大峰值頻率。

利用隨機選擇算法設計符合輻射掩蔽的組合波形的方法。利用個高斯導函數的線性組合，每個導函數由給定的 值表征。圖3為十五階高斯導函數的 值均為0.275ns時的組合脈沖波形。

從圖3可以看出，當 均為0.275ns時，組合波形的PSD最能逼近中國標準的輻射掩蔽，尤其是在6GHz到9GHz頻段有出色的表現。

4結論

本文研究了改變脈沖形成因子對組合波形PSD的影響，使用隨機選擇算法設計了一種符合中國標準規定的組合脈沖波形，得到了具有較好頻譜利用率。仿真表明組合波形可以通過對不同脈沖形成因子的靈活選擇能更好地提高頻譜利用率，并滿足輻射掩蔽。

基金項目：項目支持：本文的研究工作得到了黑龍江省教育廳科學技術研究項目：認知超寬帶軟頻譜適配技術及網絡泛在化研究（NO.12531492）的支持。

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