第8章 超宽带信号的抗截获设计课件.ppt

,第8章超宽带信号的抗截获设计,8.1超宽带通信的基本原理 8.2超宽带信号的功率谱分析 8.3超宽带信号的抗干扰能力分析 8.4超宽带信号的抗截获设计,8.1超宽带通信的基本原理 8.1.1超宽带通信系统的定义常见的关于超宽带的定义基于能量带宽和相对带宽的概念，因此在给出超宽带定义之前，首先介绍这两种带宽的概念。若发射信号瞬时波形的绝大部分能量（一般大于总能量的90%）都落入到(fL,fH)的频率范围内，则称fH-fL为该波形的能量带宽。从定义中可以看出，能量带宽实际上是信号波形的瞬时主要能量所占据的频率范围。,若能量带宽为fH-fL，那么该信号的中心频率应为(fH+fL)/2，则相对带宽可定义为能量带宽与中心频率的比值，即,(811),若一个信号的相对带宽大于0.2(无论产生该信号时所采用的是何种方法)，我们就认为该信号是超宽带信号。从超宽带信号的经典定义中可以看出，超宽带信号是相对于中心频率给出的。,在2002年4月，联邦通信委员会（FederalCommunicationsCommission，FCC）在UWB信号上述定义的基础上进一步作了修改和扩充，主要是将UWB信号能量谱的高、低端频率进行了严格的定义，即fH和fL分别表示低于UWB信号最大发射功率（包括天线的影响）10dB处的高端和低端频率，且在原有定义的基础上增加了如下内容：不论一个信号的相对带宽是多少，只要该信号的10dB带宽大于或等于500MHz，就认为该信号是超宽带信号。,从上述超宽带信号修改的定义描述中可以看出：修改后的超宽带定义是从信号的频谱带宽出发的，与其采用何种技术手段来实现是没有直接关系的，因此超宽带通信现有多种实现方式。其中，最典型的实现技术是采用冲激无线电（ImpulseRadio,IR，又称脉冲无线电（PulseRadio），它的典型实现方式是采用占空比极低的窄脉冲来作为信息的载体（宽度一般为纳秒级）而不是采用传统的正弦载波作为信息的载体。本章中，除特殊说明外，所有超宽带通信系统都是指基于窄脉冲实现的超宽带系统，即超宽带冲激无线电（UltraWidebandImpulseRadio）。,由于超宽带无线电是采用脉冲机制的实现方式，因此其与传统的无线电的发射信号是不同的。超宽带直接发射冲激脉冲串，不需要传统无线电所需的载波，它可以认为是不需要混频的，是基带信号；而从另一个方面看，由于超宽带直接发射基带的脉冲串，空间的频谱结构又与传统的无线电并无本质区别，因此可以认为超宽带信号既是基带信号，又是射频信号。而超宽带所具有的空间宏观频谱结构与其所采用的基带脉冲波形是紧密联系在一起的，其细微空间频谱结构是由采用的具体调制方式所决定的。超宽带信号的频谱无论从频谱幅度和频谱宽度上都与传统无线电信号的频谱有较大的区别。,从超宽带信号的时域上看，其信号的时域特性也与传统无线电信号的时域特性有着明显的差异：超宽带信号在时域上是没有载波的，发射的信号是一串低占空比的窄脉冲；而在传统通信体制下，发射的信号都需要载波作为信息的载体。超宽带信号在时域上呈现非连续特性（由于低占空比的因素）；而传统通信体制的发射信号一般在时域上呈现波形连续特性。,从上述对超宽带信号时域与频域的描述中可以看出：超宽带信号在时与频两个方面都与传统无线电信号有着较大差异，正因为这些显著的差异，直接导致了超宽带信号有着传统无线电信号不具备的特性或优点，这些特性主要表现在以下几个方面：（1）LPD/LPI特性。无线电信号的优点是其可借助空间的电磁特性，取代通信线缆来完成通信的功能。在早期的通信应用中，无线电信号的特性使通信双方便利地在基本自由的地点配置通信收发信机，这极大地刺激了人们的通信欲望，也使通信向其终极目标（无论何时、何地，都可以与任何通信终端进行通信）迈出了一大步。,然而随着现代通信的发展，尤其是通信在军事应用中的飞速发展，人们在考虑一种通信信号所具有的有效传递信息特性的同时，还不得不兼顾该种通信信号的LPD/LPI特性。近年来，通信信号的LPD/LPI特性更是作为一种通信信号是否可以成功应用的重要衡量指标，那些不具有LPD/LPI特性或在此方面有所欠缺的通信信号形式，必然被通信使用者所淘汰。而本章所介绍的超宽带通信信号，由于采用低占空比的极窄脉冲作为其射频信号，在频域上所占据的频带可以达到数吉赫兹，且所需平均功率很小，因此超宽带信号在单位频率上的能量非常小，一般都在噪声量级以下，被通信的环境噪声所淹没，即可隐蔽在环境噪声和其他信号中，难以被敌方所截获或检测。鉴于此，超宽带信号在军事中的应用有着极大的发展潜力。,（2）独特的抗多径特性。以常规无线通信方式发射的射频信号多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，例如扩频通信方式中的直接序列扩频和跳频方式，由于其发射的射频信号为全占空比的连续波信号，因此多径效应的影响不可忽视。大量多径分量的交叠造成了严重的多径衰落，尤其在室内，多径效应更为突出，严重地限制了通信质量和数据传输速率。而以超宽带无线通信方式发射的极低占空比的极窄脉冲信号是非连续的，脉冲信号的持续时间又很短，其发射的连续两个脉冲之间的静默时间一般远大于环境中的最大多径时延，且超宽带信号经过多径传播到达接收机后，由于最小多径时延一般比超宽带信号的脉冲持续时间要大，即多径距离（超宽带脉冲的持续时间乘以传播速度）是很小的，因此在超宽带接收机端，直达径信号不会与后续的多径信号发生交叠，如图81所示。,图81超宽带信号多径传播和接收示意图,（3）高传输速率。为了满足人们对丰富多彩的通信业务的需求，多媒体通信业务日益被人们所重视，它不再使人们只停留在语音通信的原始阶段，而是将“活动”的图像视频展现在人们的面前。多媒体通信业务的实现，要求数据的传输速率极高。然而常规通信体制受到带宽的限制，传输速率与多媒体业务的发展还有一定的距离。相比之下，超宽带通信技术所占据的频带极宽，在可以与现行的通信系统共存使用的基础上，对现有频谱资源进行了二次开发。根据香农定理，所使用的带宽越宽，其所能达到的信息容量也就越大，而且超宽带技术能有效减少多径传播的影响。综合以上因素，可以得出超宽带通信技术是一种潜在的高速传输技术。根据报道，目前的超宽带演示系统在近距离上（34m）的传输速率可达480Mb/s，其高数据传输率在军事信息化建设中具有广泛的应用前景。,（4）强的抗干扰能力。超宽带通信技术由于采用了非常规的脉冲通信体制，因此其在抗干扰方面有着出众的性能优势。前人研究的结果表明，超宽带通信技术比扩频通信技术有着更高的抗干扰能力。之所以有如此出众的抗干扰性能，主要有两方面的原因：超宽带通信技术所使用的极窄脉冲具有丰富的频率分量，因此所占据的带宽较大，在相同的基带信息（基带所使用的带宽一样）条件下，超宽带由于使用了比常规通信体制宽得多的频谱资源，从而具有了更高的处理增益，而处理增益可以间接地反映一种通信技术的抗干扰能力；超宽带通信技术使用占空比极低的极窄脉冲作为通信的载体，从而使其发射的射频信号具有非连续特性，因此它也可在时间上对干扰进行有效的屏蔽。,（5）大的空间容量。无线通信中的短距离传输是现今十分重要的应用场合，过去评价其系统容量的标准仅仅考虑了点对点的通信容量，而现今的评价标准不仅考虑了点对点的无线传输速率，而且还把空间容量（单位是b/(sm2)也纳入到了考虑范围内。在现今的标准下，超宽带通信技术的空间容量比起其他短距离无线通信技术来说，优势十分明显，详情如表81所示。,表81超宽带无线通信与几种无线通信技术的空间容量比较,（6）具有较强的穿透能力和综合一体化能力。系统实验证明，超宽带无线通信具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，很有希望填补常规超短波信号在丛林中不能有效传播的空白。除此之外，超宽带技术还能很容易地将测距、定位与通信合一，而常规无线电技术很难达到这一要求。,8.1.2超宽带信号的基本调制方式随着超宽带通信技术研究的不断深入，超宽带无线通信信号的调制方式从早期的基于冲激无线电的调制方式，发展到现今的基于频域处理的调制方式。在关于超宽带调制的众多方式中，本节重点讨论超宽带基于传统的冲激无线电的调制方式。这种调制方式一般包括：基于跳时体制的脉冲位置调制（UWBTHPPM）；基于跳时体制的脉冲幅度调制（UWBTHPAM）； 基于脉冲的直接序列调制（DSUWB）。,1.基于跳时体制的脉冲位置调制（UWBTHPPM）由于UWB利用非连续的脉冲串作为信息的载体，这与传统无线通信技术所利用的信息载体有着本质的区别，因此在调制方式中，基于脉冲的调制方式成为UWB调制方式中的首选。THPPM是在基于传统的冲激无线电的调制方式中提出最早和应用最广泛的一种调制方式。早在1993年R.A.Scholtz在军事通信会议上便提出了THPPM调制的最初原形，后有各国的学者和研究机构不断对其进行改进和完善，使其从最初的基于点对点的通信调制样式逐渐发展到适用于多用户，并将UWB系统与传统通信用户的共存问题进行了综合考虑。,一般来讲，UWBTHPPM调制可分为二进制UWBTHPPM调制和多进制UWBTHPPM正交调制两种。下面首先介绍二进制UWBTHPPM调制方法，该调制方法的数学表达式如下:,（812）,式中：Ep为UWB信号所调制的单个脉冲的能量；Tf为脉冲的平均重复时间；cj是跳时码中的第j个码，一般取0 cjNmax;Tc是跳时码的单位时移，也是跳时码对第j个脉冲的附加时移；为2PPM的调制指数；dj/Ns0.1是待发送的二进制信息数据，Ns为每个信息比特含有的脉冲数，j/Ns为取整运算；W(t)代表发射的极窄脉冲波形。,脉冲的带宽一般约为该脉冲持续时间的倒数，从式（812）中可以看出，UWB系统的每个比特的持续时间为Tb=NsTf，则信息速率为Rb=1/Tb。通常，在进行UWBTHPPM调制的设计时，取NmaxTc+Tf，这是为了保证UWB发射信号每帧中的脉冲经过TH码调制后不会发生混叠，从而有利于UWB系统削弱信道中多径的影响。然而若NmaxTc+取得太小（对减弱多径影响有利），当系统中的用户较多时，容易发生多用户共址冲突，因此不利于UWB的多址系统。,UWB发射的脉冲波形可取Gaussian形（Gaussian脉冲的各阶微分波形和组合波形）和Rayleigh形等，但由于Gaussian形脉冲有接近于零的直流分量，便于天线发射，因此本书采用前者，又由于UWB接收机所接收的脉冲波形通常是UWB发射机发射波形的一阶微分，因此，此处取Gaussian形脉冲的一阶微分（主要是由于发射天线的影响），波形函数表达式为,（813）,图82UWB2THPPM系统发射脉冲波形示意图(采用一阶Gaussian脉冲),使用多进制THPPM正交调制方式是为了有效提高信息的传输速率。众所周知，多进制通信系统通过所调制信息与原始信息集合中元素的映射，使单一符号所具有的信息量成倍地提升，如MARY扩频通信系统就是这个原理。然而，事物都有两面性，信息速率提高了，系统实现的复杂度也加大了。正如MARY扩频通信系统所使用的伪随机码一样，2ARY只采用一个伪随机码就够了，而MARY（M2）就需要2M条伪随机码，而且选择自相关性和互相关性都较好的伪随机码也不是一件容易的事。但尽管如此，多进制THPPM方式还是具有它独特的魅力，毕竟它能提高大家都非常关心的信息速率指标。,多进制THPPM正交调制方式的一般数学表达式如下：,（814）,设此时是M进制，则对应的待发射符号每M个为一组，映射的待发射状态为2M个。可以看出，当M=1时，该调制方式退化为上面描述的2THPPM调制方式；当M1时，需要更多的脉冲调制位置来与待发射的信息状态对应。式（814）中的dj/Ns对应有2M个整数值，且是一一映射关系，为单位脉冲偏移。在M进制THPPM正交调制方式中，要求其基本的脉冲偏移大于等于脉冲的持续时长，这主要是为了保证同一用户用不同符号所发信号正交，避免彼此交叠。,图83M进制UWBTHPPM系统发射脉冲波形示意图(采用一阶Gaussian脉冲),2.基于跳时体制的脉冲幅度调制（UWBTHPAM）THPAM调制也是超宽带无线通信中的一种典型调制方式，它利用脉冲的幅度参量来进行信息的传输，也可分为二进制THPAM调制和多进制THPPM调制两种。这里只简要介绍二进制THPAM调制方式，多进制THPAM方式可结合上节中介绍的多进制THPPM调制方式进行考虑。,二进制UWBTHPAM调制信号的一般表达式如下：,（815）,式中，Aj/Ns（-1，+1），而其他参数的意义与式（812）中的相同。采用一阶Gaussian脉冲作为UWB系统发射脉冲波形的二进制UWB THPAM波形如图84所示。,图84二进制UWBTHPAM系统发射脉冲波形示意图(采用一阶Gaussian脉冲),3.基于脉冲的直接序列调制（DSUWB）基于脉冲的直接序列调制是超宽带无线通信的另一种调制方式，也是电气和电子工程师学会 (InstituteofElectrical&ElectronicEngineers，IEEE)关于UWB技术的几个竞选标准之一。它将传统扩频思想与UWB技术很好地融合在了一起，使各自的优势都得到了体现。经典的DSUWB信号的信号波形表达式为,（816）,式中：dj(+1,-1)是所调制的信息数据;gn(+1,-1)是用户的伪随机序列中对应UWB信号每帧中第n个脉冲的序列值，借助扩频序列的作用，不仅可使UWB系统的抗干扰能力进一步提高，还可实现UWB的多址通信；Tf表示信息数据的周期，即一个信息符号所持续的时间长度；Tc表示脉冲重复周期，也可理解为所采用扩频码的一个chip(切普)宽度，且Tf=NsTc,即每个信息符号用Ns个脉冲表示。其他参数的意义与式（812）中的相同。采用一阶Gaussian脉冲作为UWB系统的发射脉冲波形的DSUWB波形如图85所示。,图85DSUWB系统发射脉冲波形示意图(采用一阶Gaussian脉冲),8.1.3超宽带通信系统的优缺点与潜在应用场合分析从上节对UWB系统基本调制方式的阐述中可以看出：UWB系统经典的调制方式都是结合脉冲来进行的，即将原始信息调制在脉冲的偏移位置、幅度以及极性上，而将多用户信息用TH码和扩频码来区分。总地来说，UWB是一个适合时域上处理的技术，它将对其的信号处理技术缩小到时域上，而非频域，这便大大降低了其系统实现的复杂度。所以UWB系统的一大优点就是容易实现。由于UWB系统调制的信号直接可以用来发射，因此它不需要变频，这就节省了传统电路中的混频器的应用，将电路的规模大为降低。而对UWB脉冲信号的接收则是采用特殊工艺的二极管来完成的，电路的复杂度也不高。,UWB系统的特殊载波样式决定了其在空间电磁环境中的宽频特性，从而使其在空间中辐射的功率谱密度很低，但由于UWB系统所占用的频率资源很丰富，通常与现行通信系统的频段相互交叠，因此，其在空间中最大的有效辐射功率谱密度被限制在一个范围内。该限制有美国FCC制定的标准（-41.3dBm/MHz），还有欧洲的限制标准（更加严格）。为了保证UWB系统的高系统吞吐量，并同时兼顾各个国家所制定的辐射掩蔽标准，UWB技术通常被用作所有超短距离和短距离的无线通信的场合；更由于超宽带通信设备可支持高速低功耗数据链路，并且其在抗外界干扰和抗多径干扰上相比传统的无线电通信技术有明显的优势，因此其已成为通信系统的主要技术标准之一。UWB系统主要应用于楼内通信系统、室内宽带蜂窝电话、保密无线电和无线宽带Internet接入等，典型场合有：,（1）室内短距离高速数据传输，包括具有抗干扰性能的室内高速数据和图像通信，如无线个域网（WirelessPersonalAccessNetwork，WPAN）；（2）智能家庭。智能家庭实际上是一个综合网络，如图86所示，其网络中各节点之间利用UWB通信技术作为传输信息的物理层技术。（3）无线USB和无线1394。由于UWB技术可提供的数据速率可达1Gb/s，因此未来UWB技术将使USB的连线消除，并使移动存储和常见的1394接口更加方便快捷，如图87所示。,图86利用UWB技术构造的智能家庭网络示意图,（4）公路信息服务系统。由于UWB技术具有一次突发大于100Mb/s的数据速率，因此利用它可完全将公路上的信息，如路况、建筑物、天气预报等信息一次突发给路过汽车内的乘客，从而使行车更加安全、方便，如图88所示。,图87无线USB和1394示意图,图88UWB公路信息服务系统示意图,由于UWB技术具有LPI/LPD特性以及较高的系统数据传输速率，因此其从产生就开始被军方注意。IEEEMILCOM会议近些年来的文章中有关UWB的就占20%，其在远距离和超远距离中的应用也开始被广泛地关注。典型的应用有：（1）多谱公司（MultispectralSolutions）开发的系统UWB电台。它主要分为三种：第一种为无线多跳网络电台系统，它主要服务于战场自组织网络通信；第二种为非视距UWB电台，它主要用于海军舰艇通信；第三种为战术/战略通信电台。,（2）UAV中的数据接力和空中防撞预警系统（如图89所示）。其主要功能是远距离的信息传输，包括侦察所获得的静态图像、视频等需要高速数据传输技术支持的范围，具体有UAV中的数据传输、地面传感器所获得信息的传递、空中侦察机所获得的信息的传递以及空中飞行器与地面的数据传输等。,图89UAV中的数据接力和空中防撞预警系统,（3）飞机内部通信，如有效取代电缆的头盔。例如美军在其AWICS(AircraftWirelessInterCommunicationsSystem)系统中使用UWB头盔主要是为了避免飞机工作仓内操作人员之间的无意电缆缠绕，最大程度地降低对驾驶员以及工作人员的自由度限制，如图810所示。,图810AWICS系统,8.2超宽带信号的功率谱分析 8.2.1THPPMUWB功率谱分析为了简化对THPPMUWB调制信号的功率谱分析，可将THPPMUWB调制信号重新表示为,（821）,式中:p(t)为基本的脉冲波形；传输一个信息比特的时间为Tb，可表示为Tb=NsTs；cjTc定义了脉冲的随机性，即采用跳时码后，脉冲位置相对于Ts整数倍时刻的抖动，抖动的基本单位时间为Tc；,aj（0，1）是与信息数据相对应的，其对应关系由信息速率与Ts共同决定;为PPM调制所带来的单位时间抖动，与aj共同决定了该时刻下信息数据对UWB信号的附加时间偏移。 如果用随机抖动j来表示由TH编码cjTc引起的时间上的位移，并假定j在0和T（Ts)之间分布，则式（821）可进一步表示为,（822）,式中，由信息所引起的时间偏移通常远远小于由跳时码所带来的时间偏移，即j通常远大于。将式（822）中由这两个分量共同作用而产生的时间偏移可视为一个分布在0和T+Ts之间的随机时间抖动，用j表示，则可将式（822）重写如下：,（823）,式（823）表示的信号与模拟PPM调制器的输出信号基本相同，因此可借鉴成熟的模拟PPM调制的相关理论进行推导。设调制信号为c（t），模拟PPM调制波形是由一串严格不相重叠、形状相同的脉冲构成的，这些脉冲的间隔不再是均匀的，而是随着调制信号抽样值c(jTs)的改变而偏移。模拟PPM调制下信号的表达式为,（824）,式中，c(jTs)Ts/2。式（824）看似简单，但PPM调制具有非线性特性，因而要精确计算PPM调制信号的功率谱密度不是一件容易的事。,设c(t)是周期为Tp的周期信号，即对所有的t，有c(t+Tp)=c(t)，并且对所有的t，c(t)的傅立叶级数存在，则c(t)可以表示为,（825）,式中，第n项所对应的频率为n/Tp，cn是第n个傅立叶系数，并可由下式给出：,（826）,若c(t)是实函数，则有cn=c*-n，并根据上述对c(jTs)的约束条件，可得出，则可令 。,Bennett和Rowe提出的多级傅立叶级数法以及对其的改进方法，可将xPPM(t)在受周期信号调制的信号形式表示如下：,（827）,经过上述的重写，周期调制PPM信号的功率谱密度可以方便地导出，具体表示如下：,（828）,(f)是p(t)的傅立叶变换，即,（829）,(f)与所采用的具体脉冲形式有关；而Jb(x)则表示第b类贝塞尔函数。对于贝塞尔函数的性质及曲线，许多通信系统书籍中都有介绍，这里就不再详细说明了，只给出贝塞尔函数的一般表达式和一些重要性质，即,（8210）,有了以上理论基础，现在考虑UWBTHPPM信号的功率谱，主要是将调制信号过程c(jTs)和式（823）的PPM信号表达式中的时间抖动之间建立某种关系，包含了TH码引起的时间偏移和由PPM调制所引起的时间偏移。,考虑一般比小很多，所以可以将看做是准周期的。由于近似忽略了的效果，因此的周期性非常接近TH码的周期性，即由引起的偏移对最终信号的功率谱密度的影响比由引起的小很多。通过上述的近似分析，式（823）所示的信号可合理地假设为被一个周期信号所调制，因此最终功率谱密度也可由式（828）表示，也即功率谱密度是离散的，主要由位于基波频率、脉冲重复频率以及它们的谐波及和频或差频上的功率组成。调制波形的基波频率为1/Tp，而TpNpTs，Np是TH码周期，Ts是脉冲间隔。,首先考虑脉冲的重复频率1/Ts为调制波形基波频率的整倍数，则此时调制波形的功率谱密度包含1/Tp及其谐波处的谱线。如果不考虑采用TH码，即Np=1，则此时产生的调制信号的功率谱线位于频率1/Ts及其谐波处。能量过分集中在一些谱线上，会产生不希望出现的谱线峰值，这不利于UWB信号的反侦察。,在实际应用中，一般取Np=Ns，即TH码周期等于每信息比特所含有的脉冲个数。此时，调制信号的谱线会出现在1/Tb及其谐波处，虽然最终的谱密度还是离散的。但因为1/Tb1/Ts，所以谱线出现的频率比以上论述的要大，谱线的间隔变小了。TH码对信号功率谱的白化效果是显著的，因为UWB信号的总能量被分配在一个更大的谱线范围内，谱线的峰值也变低了。若TH码取较长的周期，TH码对最终信号的功率谱密度的平滑作用则更加明显。,详细的数学分析如下：合理假设：PPM时间偏移对最终UWB信号的功率谱密度的影响是可以被忽略，并在Np=Ns时，考虑式（822），再忽略的影响，则可定义一个信号如下：,（8211）,式（8211）的傅氏变换为,（8212）,式（8211）中，y(t)可以理解为是用于发射的基本多脉冲（将TH码的影响考虑进去），再加上受调制信息影响的的偏移，可得到最终的UWB发射信号为,（8213）,式（8213）是一个PPM调制的波形，它的偏移是由数据符号b引入的，而b又是由信息源产生的。假设b是一个严格平稳离散随机过程，则由b抽取的不同随机变量bk可认为是统计独立，并具有相同的概率密度函数Q，因此式（8213）所示的信号具有如下的功率谱密度形式：,（8214）,式中，Q（f）是概率密度函数Q的傅氏变换，并且等于Q的特征函数在-2f处的值，即,（8215）,式中,代表集合平均运算；Q(f)的计算应由式（8212）中的多脉冲功率谱密度确定，如果多脉冲重复率为Tb，可得UWBTHPPM信号的频谱如下：,（8216）,从式（8216）中可以看出，TH码通过Py（f）影响最终信号的功率谱密度大小；另一方面，信息源则通过Q（f）来影响最终信号的功率谱密度大小。频谱的离散部分在1/Tb处有谱线，其谱线的幅度大小则受信源统计特性加权的影响，即受|Q（f）|2的加权影响。现进一步考虑信源的加权影响。信源发射比特0（没有偏移）的概率为9，发射比特1（有偏移）的概率为19，则有,（8217）,若信号源发射0和1的概率相同，则式（8217）可进一步简化为,（8218）,例8.1产生一个没有PPM调制和TH编码的UWB信号，信号参数为：发射功率为-30dBm,脉冲间隔为10ns,每比特含有5个脉冲,脉冲持续宽度为0.5ns。产生的调制脉冲序列的时域信号如图811所示，功率谱密度如图812所示,其信号功率谱密度的放大图如图813所示。,图811无PPM调制、无TH编码的UWB信号时域图,图812无PPM调制、无TH编码的UWB信号功率谱示意图,图813无PPM调制、无TH编码的UWB信号功率谱放大示意图,例8.2考虑增大TH码的周期。取TH码周期与每比特含有的脉冲个数相同，其他参数与例8.1相同。产生的调制脉冲序列的时域信号如图814所示，功率谱密度如图815所示，其信号功率谱密度的放大图如图816所示。,图814无PPM调制、有TH编码的UWB信号时域图,图815无PPM调制、有TH编码的UWB信号功率谱示意图,图816无PPM调制、有TH编码的UWB信号功率谱放大示意图,例8.3考虑PPM调制的影响。取调制度为0.25ns，其他参数与例8.2相同，产生的调制脉冲序列的功率谱密度如图817所示。从图817中可以看出：TH编码和PPM调制都对最终UWB信号的功率谱密度的高斯形状产生了扭曲。,图817有PPM调制、有TH编码的UWB信号功率谱示意图,8.2.2THPAMUWB功率谱分析对THPAMUWB信号功率谱的分析采用类似上节的分析方法，用一个由1组成的序列去调制一个跳时脉冲串，其最终产生的信号就是UWBTHPAM信号形式，即,（8219）,式中，ak是待调制的信息序列，p(t)是发送脉冲波形函数。假设UWB THPAM采用的TH码的周期等于每比特脉冲所含有的脉冲数，则满足该条件的基本多脉冲波形y(t)有如下的表达式：,（8221）,例8.4考虑产生UWBTHPAM时域波形，并分析其功率谱密度的主要特征。仿真中采用：信号发射功率为-30dBm，每比特含有5个脉冲；脉冲持续宽度为0.5ns，TH编码的最大值为10，周期与每比特含有的脉冲个数相同。产生的调制脉冲序列的时域信号如图818所示，功率谱密度如图819所示,其信号功率谱密度的放大图如图820所示。,图818有PAM调制、有TH编码的UWB信号时域示意图,图819有PAM调制、有TH编码的UWB信号功率谱示意图,图820有PAM调制、有TH编码的UWB信号功率谱放大示意图,8.2.3DSUWB功率谱分析直接序列超宽带（DSUWB）信号的功率谱密度较THPPMUWB容易推导，这主要是因为DSUWB中脉冲出现的位置是在Ts的整倍数处，是相对固定的，没有由TH码所带来的时间抖动。然而分析如下DSUWB的信号表达式的功率谱密度还是有困难的，因为该式所表示的信号不是广义平稳的。,（8222）,式中，dk(-1,+1)是信息源数据，p(t)是所采用的脉冲波形函数，Ts是脉冲的重复时间间隔。由于式(8222)的信号不是广义平稳的，必须对该式进行改进，通过某种方法将其变为广义平稳的。常用的方法是：增加一个随机相位，使其服从0，Ts上的均匀分布，且与数据变量d独立。通过上述修改，实际上是增加了信号相位的不确定性。修改后DSUWB信号可表示为,（8223）,式（8223）中SDSUWB（t）功率谱密度的推导，可以通过以下步骤进行：计算函数SDSUWB（t）的自相关函数； 计算其自相关函数的傅氏变换。,首先推导式（8223）的自相关函数表达式，过程如下：,（8224）,式中，代表集合平均运算，*代表共轭。因和d是独立的，所以可得：,（8225）,式中，第一项反映的是序列d的自相关函数Rd(a)，而第二项中的因为是均匀分布的，所以第二项可表示为,（8226）,因此，式（8225）可写为,（8227）,式中，后一项是函数p(t)的自相关函数的积分，该式与时间t是独立的，因此只需对该式进行傅氏变换就可得到信号的功率谱密度。,由于p（t）的自相关函数积分的傅氏变换为|p（f）|2，因此有,（8228）,式中，Pcode（f）为码频谱，即d的自相关函数的离散时间傅氏变换。由于Rd（a）是偶函数，于是可得,（8229）,例8.5考虑产生DSUWB时域波形，并分析其功率谱密度的主要特征。仿真中采用：信号发射功率为-30dBm，码重复间隔时间为2ns，随机码周期为10，脉冲持续宽度为0.5ns。产生的调制脉冲序列的时域信号如图821所示，功率谱密度如图822所示。,图821DSUWB信号时域示意图,图822DSUWB信号功率谱示意图,8.3超宽带信号的抗干扰能力分析,8.3.1UWB与DSSS抗干扰能力的分析比较UWB利用一串低占空比的脉冲，将信号的能量扩展至很宽的频带（从直流（零赫兹）可以到几吉赫兹），从而使发射信号的功率谱更加平坦，具有较高的抗侦听和抗截获能力。由于UWB所占用的频带基本覆盖了现行的各种通信系统所使用的频带，因此会对已经存在的各种通信系统产生影响。众多的文献已对其进行了大量的分析，并且美国FCC在公开认可该调制技术的同时，规定了其发射功率谱密度的最高限值（-41dBmMHz），以减小其对频带共享的通信系统的干扰。,UWB在干扰现行通信系统的同时，也同样受到各种干扰的威胁。对UWB抗各种干扰的能力进行分析，对其实际的应用具有重要意义。近些年来，UWBTHPPM的抗干扰性能已在众多的文献中被阐述，这些文献分别从频域的角度对UWBTHPPM抗单频干扰、部分频带干扰和阻塞干扰的性能进行了分析，还对UWBTHPPM抗单个频带干扰的能力和UWBTHPPM与扩频调制技术的抗多用户干扰的性能进行了分析比较。本节重点分析在多个频带干扰条件下，UWBTHPPM调制技术的抗干扰能力指标的通用数学表达式，并对UWBTHPPM与直接序列扩频方式（DSSS）和跳频方式（FHSS）进行性能分析比较，从而进一步了解UWB信号的抗干扰能力。,此处分析采用2PPM调制。2PPM结合跳时码调制的单用户UWBTHPPM信号可表示为,（831）,（832）,式中，幅度AG的取值应使该脉冲具有单位能量。该Gaussian形脉冲的时间宽度Tp=7（该时长的脉冲能量占有总能量的99.99%），功率谱如图823所示，取-3dB带宽作为Gaussian形脉冲的有效带宽，B-3dB=0.1853/。,图823UWB调制所使用的脉冲信号功率谱, UWBTHPPM的解调使用脉冲相关接收原理，将接收信号与本地模板信号进行相关处理。针对2PPM的本地模板信号为,（833）,设接收的信号为,（834）,式中，STHPPM(t)为接收的UWB有用信号，J(t)为干扰信号，则相关处理的判决量为,（835）,假设接收机定时没有偏移，即=0，则可通过下式进行信息数据的恢复：,（836）,为了使分析UWBTHPPM抗干扰特性的过程变得简化，作如下假设：UWBTHPPM调制不采用跳时码。在UWB中，跳时码的主要作用是作为多用户的标志码字，在衡量UWBTHPPM调制的抗干扰能力方面，可合理假设UWB系统为单用户系统，也即UWBTHPPM调制中可假设不采用跳时码，即cj=0。 2PPM的调制指数=Tp。 每个比特信息只含有1个脉冲，即Tf=Tb，Tb为传输1比特信息所占用的时长。,（837）,式中,其功率谱密度如图824所示，干扰信号的自相关函数为,（838）,在1个信息比特间隔内，即jTbt（j+1）Tb时，接收的信号可写为,（8-3-10）,设干扰信号的平均功率为PJ，UWB信号的平均功率为Ps=Ep/Tb， 则输入的信干比为,从式（8-3-9）中可以看出， 相关处理后的信干比为,其中,(8-3-11),则UWB调制的处理增益为,(8-3-12),有了上面的理论基础, 对UWB抗多个频带干扰的性能分析如下。,首先UWB通信系统的抗干扰能力需要用一个具体的指标来衡量, 这里引入指标JR来描述系统的抗干扰能力， 定义JR=PG-SIRD，SIRD为满足系统要求所需的最小信干比值（此处可取10 dB）。 将式（8-3-8）代入式（8-3-11）可得,（8-3-13）,（8-3-14）,式中,则将式（8-3-14）代入式（8-3-12）可得,（8-3-15）,为了将UWB通信系统与DS-SS系统的抗干扰能力进行比较, 下面对DS-SS抗多个频带干扰的性能进行分析。 设DS-SS调制的每比特信息时长也为Tb，PN码片时长为Tc， Lc=Tb/Tc，则在0tTb 内，发射信号可表示为,（8-3-16）,式中： d0=1为信息数据； ck=1为PN码序列；p(t)为PN码片波形；Eb=LcEc为单个比特能量，Ec为单个码片的能量；fc为载波频率。假设DS-SS接收在完全同步的条件下进行， 则经过解扩后， 在Tb时刻相关处理器给出的判决量为,（8-3-17）,（8-3-18）,式中,（8-3-19）,（8-3-21）,（8-3-20）,（8-3-22）,（8-3-23）,则DS-SS解扩输出的信干比为,（8-3-24）,式中,则DS-SS的处理增益为,（8-3-25）,最后对UWB TH-PPM与DS-SS进行抗干扰性能仿真并进行比较和分析。,UWB TH-PPM 调制与DS-SS调制都取相同的信息传输速率、 基本相同的Gaussian 脉冲波形和相同的脉冲宽度（Tp=Tc=1 ns）， 频带干扰数分别选1个和3个（各频带干扰的中心频率间隔固定）， 且各频带干扰的功率谱的宽度与幅值相同；=Lc=100； 分别取=0.1 和0.01两个值来分别代表宽带干扰与窄带干扰； 在UWB中， 代表各频带干扰在超宽带脉冲时长内的周期数。 在DS-SS中， m=fmTc为各频带干扰的相对频偏相对于DS-SS调制带宽的比例大小。 由于UWB没有载频， 若将UWB的中心频率定义为“载频”（等于W/2）， 则可以得到下式：,（8-3-26）,图8-25UWB TH-PPM与DS-SS在抗窄频带干扰时的性能比较,图8-26UWB TH-PPM 与DS-SS在抗宽频带干扰时的性能比较,8.3.2UWB 与 FH-SS 抗干扰能力的分析比较 跳频方式采用PN码构成跳频指令来控制频率合成器， 从而使发射信号的载频随PN码而变化， 其在瞬时是一个窄带调制， 而在一段观测时间， 则是一个宽带调制。 跳频通信系统的抗干扰本质为主动“躲避”，但如果干扰频率与跳频通信系统的瞬时频率发生碰撞时， 则跳频通信系统的性能出现急剧恶化， 因此如果用处理增益来描述跳频抗干扰性能， 跳频方式的处理增益应为该系统所能使用的有效频道数， 即,（8-3-27）,式中，N为系统可用的有效频道数。 一般为了克服信道间的邻近干扰， 信道的间隔应至少为2/Tb，Tb为单个信息比特的传输时长。 当存在多个频带干扰时（各频带不相互重叠， 且各频带干扰的功率足以干扰有用信号），被击中的频率数为,（8-3-28）,式中, 为取整运算。那么此时有效的频率数（未发生碰撞的频率数）为 Nvalid=Ntotal-Nhit，Ntotal为系统可使用的频道总数， 则FH-SS在多频带干扰条件下的处理增益可写为,（8-3-29）,图8-27UWB TH-PPM 与FH-SS的抗多个频带干扰性能比较,图8-28UWB TH-PPM 与FH-SS的抗干扰性能随干扰数的变化比较,8.3.3 UWB系统的抗干扰技术为了有效解决UWB通信频段中存在的共存干扰以及人为和非人为实施的强窄带干扰对UWB通信系统性能的影响问题，近年来众多技术文献围绕该热点进行了较为深入的探讨，并取得了一些研究成果。 截至目前， 有关UWB通信系统干扰抑制技术的研究主要集中在以下三方面： （1）UWB通信抗干扰性能分析。该方面的研究内容主要围绕UWB通信系统在各种现行共谱用户干扰下的性能分析， 把重点放在与UWB通信系统有潜在共存区域配置的IEEE 802.11a WLAN和窄带数据通信系统的室内无线通信领域。, UWB所占用的频带范围内分布着大量的现行窄带通信系统， UWB在此“噪声”环境中的性能分析是该技术应用中一个不可回避的问题。由于共谱用户对UWB通信系统的干扰与双方配置的距离有直接关系， 因此在UWB通信技术的发展中， 围绕UWB系统在各种现行共谱用户干扰下的性能分析， 主要集中在与UWB通信系统有潜在共存区域配置的IEEE 802.11a WLAN和窄带数据通信系统的室内无线通信领域。 B. Firoozbakhsh等给出了UWB接收机(采用二阶Gaussian脉冲和PP