超寬帶通信系統的仿真與性能分析

韓夢雪

（山西興新安全生產技術服務有限公司， 山西 太原 030024）

引言

近年來，隨著無線網絡技術的發展，極大推動了無線傳輸技術的進步，總的歸結為傳輸速度越來越快、傳輸的安全性也越來越高。目前，較為廣泛應用的短距離無線傳輸技術包括有紅外線技術和藍牙技術；但是，上述兩種技術在實際應用中在標準和頻段兩方面存在一定的局限性，從而導致其在應用領域被局限。超寬帶通信技術具有較大的容量、降低的輻射功率以及安全性高等優勢彌補紅外線和藍牙技術的不足，其可作為未來無線通信領域重點發展的方向。雖然超寬帶通信技術在傳輸速度方面具有明顯的優勢，但是其隨著傳輸距離的增加對應傳輸速度下降嚴重，這也是導致超寬帶通信技術無法大范圍推廣應用的限值性因素[1]。本文將主要開展超寬帶通信技術的性能仿真研究

1 超寬帶通信技術信號容量的仿真研究

目前，超寬帶通信技術主要通過截止速率這一參數表征其信道容量；而且，在某種程度上截止速率是一種簡單且有效的表達信號容量的方式。超寬帶通信技術作為一種無載波通信技術，主要通過一定周期的窄帶脈沖對數據進行傳輸；也就是說，超寬帶通信技術具有較寬的頻譜。從理論上講，當超寬帶通信的信號容量，對應窄脈沖的帶寬與信噪比呈現相互互補的關系[2]。

雖然，截止速率可直接表達超寬帶通信信道的容量，這僅僅是定性分析；對于離散輸入的超寬帶通信技術而言，不能直接采用香農公式對超寬帶通信信號的容量進行定量分析。因此，開展關于影響截止頻率參數的仿真分析，為后續計算信號容量具有重要意義。

仿真設置：信噪比為20 dB，仿真對象為2 進制、4進制、8 進制和16 進制的PPM 接收機；對不同用戶數、不同擴展因子對應的截止頻率之間的關系仿真結果如圖1 所示。

圖1 中虛線對應的擴展因子為50，實線對應的擴展因子為250。

如圖1 所示，當用戶數量增加到一定范圍后，隨著用戶數量的增加對應截止速率下降；當用戶數量一定時，隨著擴展因子的增大對應截止速率降低；隨著PPM接收機進制數的增加對應截止速率增加。通過仿真分析可知：基于截止速率算法可準確、直觀地得出多用戶的信號容量[3]。

2 基于正交小波超寬帶脈沖設計及性能分析

為了確保信號傳輸的保真性，在基礎超寬帶脈沖中引入正交小波脈沖。正交小波主要包括有Haar 小波、Meyer 小波、db2 小波和coifl 小波。其中，Haar 小波在時域上的連續性偏差，因此排除將Haar 小波引入超寬帶脈沖中。其余三種小波的優劣勢分別如下：Meyer 小波具有較好的收斂速度，且可實現無限可微；db2 小波雖然不對稱，但其在時域上是有限支撐的；coifl 小波具有一定的對稱性，且其在時域上的有限支撐長度可達到6N-1[4]。

2.1 不同調制方式對應誤碼率的對比

基于超寬帶通信技術，需要對發射信號進行調制后才能夠傳輸，可采用的調制方式包括有TH-BPM和DS-BPSK；本節對不同用戶數量下，不同調制方式對應的2 進制、4 進制、8 進制、16 進制和32 進制的誤碼率進行對比，仿真對比結果如圖2 所示。

如圖2 所示，同一進制接收機且在同一調制方式下，隨著用戶數量的增加，對應接收機的誤碼率升高。總的來講，采用DS-BPSK 調制方式所接收信號的誤碼率均低于采用TH-BPM調制方式。因此，為保證數據傳輸與接收的保真性，采用DS-BPSK 方式對接收信號進行調制。

2.2 不同正交小波脈沖對誤碼率的影響

本小節將對不引入正交小波脈沖和分別引入Meyer 小波、db2 小波和coifl 小波后對接收信號的誤碼率進行對比，對比結果如圖3 所示。

如圖3 所示，在同一用戶數量下引入db2 正交小波和cdif1 正交小波后所得波形的誤碼率低于不引入正交小波的波形；而且，引入cdif1 正交小波所得波形的誤碼率低于引入db2 正交小波所得波形。此外，在同一用戶數量下引Meyer 正交小波后所得波形的誤碼率高于不引入正交小波的波形。

因此，為提升超寬帶通信系統信號傳輸過程的保真性可在發射信號中引入db2 正交小波和cdif1 正交小波。

3 超寬帶通信技術性能對比

一般情況下，超寬帶發射脈沖引入的為高斯脈沖信號；根據上述研究，在超寬帶發射脈沖中加cdif1 正交小波入可降低脈沖波形的誤碼率[5]。因此，本節將對比使用cdif1 正交小波發射的脈沖波形與傳統高斯脈沖波形的性能進行對比。

仿真條件設置如下：設定發射的脈沖寬度為2 ns，脈沖的重復周期時間為200 ns，脈沖波形中信號的占空比為0.01；接收機對脈沖波形的采樣頻率為0.25 ns，接收機功率為0.003 8 W，為直觀表達仿真結果對脈沖波形采用4 倍直序進行擴頻。仿真對比結果如4 所示。

如圖4 所示，對于單用戶而言，高斯發射波形和引入cdif1 正交小波波形的誤碼率相差不大；而多用戶而言，高斯發射波形對應的誤碼率明顯大于引入cdif1 正交小波波形的誤碼率。因此，引入cdif1 正交小波波形的性能優于引入高斯脈沖波波形的性能。

4 結語

超寬帶脈沖無線通信技術為未來無線通信領域的重要發展方向，雖然其具有較高的初始傳輸速率，但是由于隨著傳輸距離的增加對應傳輸速率下降明顯，嚴重影響其應用范圍。超寬帶脈沖通信技術作為一項尚不成熟的技術，開展其理論研究尤其是關于性能方面的研究非常重要。本文重點基于仿真手段對超寬帶通信技術不同情況下的性能進行研究，并得出如下結論：

1）為保證數據傳輸與接收的保真性，采用DS-BPSK 方式對接收信號進行調制。

2）為提升信號傳輸過程的保真性可在發射信號中引入db2 正交小波和cdif1 正交小波。

3）引入cdif1 正交小波波形的性能優于引入高斯脈沖波波形的性能。