满足中国辐射掩蔽的UWB脉冲成形算法

纪元法 杨政权 孙希延

摘 要： 针对目前缺乏满足中国辐射掩蔽标准的超宽带（UWB）脉冲设计方案的问题，提出一种基于修正Hermite多项式（MHP）功率谱频移组合的UWB脉冲成形算法。分析了MHP时频特性，选择其为UWB脉冲基函数；用高频正弦波实现基函数的功率谱频移，以满足中国辐射掩蔽标准为约束条件，采用随机数法选取权重系数进行线性组合形成脉冲；最后，通过迭代正弦波频率，对脉冲波形进行优化。Matlab仿真结果表明，该成形脉冲不仅满足中国辐射掩蔽，且在整个频段都有较好的频谱利用率，与用高斯函数迭代算法组合脉冲比较，抗多用户干扰性能更强。

关键词： 中国辐射掩蔽； 超宽带； 修正Hermite多项式； 功率谱频移； 随机数法； 多用户干扰

中图分类号： TN929.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）19?0001?05

Abstract： Since the current ultra?wideband （UWB） pulse design scheme can′t satisfy the China radiation masking standard， a UWB pulse shaping algorithm based on frequency?shift combination of power spectrum of modified Hermite polynomial （MHP） is proposed. The time and frequency characteristics of MHP are analyzed， and the MHP is chosen as the basis function of UWB pulse. The high?frequency sine wave is used to realize the frequency shift of frequency spectrum of the basis function， so as to satisfy the constraint condition of China radiation masking standard. The random number method is adopted to select the weight coefficient for the linear combination， so as to form the pulse waveform. The pulse waveform is further optimized by adjusting the iteration of sine wave frequency. The simulation results of Matlab show that the shaped pulse can not only satisfy China radiation masking， but also has high spectral efficiency in the whole frequency band， and has stronger capacity against multi?user interference in comparison with combination pulse shaped with Gaussian function iteration algorithm.

Keywords： China radiation mask； ultra?wideband； modified Hermite polynomial； power spectrum shift； random number method； multi?user interference

0 引 言

UWB无线通信技术具有传输速率高、抗干扰强、功耗低、多径分辨率极高、隐蔽性较强与成本小等优势，已成为无线通信领域研究的热点。2002年美国通信委员会（FCC）颁布了为民用UWB无线通信技术开放频谱的法规，对UWB系统的功率谱提出了具体的规范[1]。UWB短距离通信利用纳秒至亚纳秒（ns）级的非正弦脉冲传输信号。常见UWB脉冲有高斯单周期脉冲、基于扁长球体波函数的脉冲、基于改进的Hermite多项式脉冲、Laplace脈冲和Rayleigh脉冲等，但多数是以FCC的规定标准设计。文献[2]提出基于高斯脉冲导函数组合成脉冲，虽在低频段辐射功率能较好地逼近FCC辐射掩蔽标准，但在高频段偏低。文献[3]对高斯函数多次求导，过程中产生了直流分量。文献[4]提出的Rayleigh脉冲在高频段虽较逼近FCC的频谱规划，但是在其他频段没充分利用允许的辐射功率，频谱利用率低。文献[5]使用单阶MHP作为UWB脉冲，频谱宽度较窄。

为满足短距离高速无线数据通信的应用需求，提高频率利用率，根据中国无线电频率划分和实际使用情况，中国制定了超宽带技术频率使用规定[6]。目前满足符合中国辐射掩蔽的UWB脉冲设计方案较少，仅有文献[7]提出采用多阶高斯函数迭代算法组合形成UWB脉冲，但抗多用户干扰性能稍弱。

本文提出一种新的符合中国辐射掩蔽的UWB脉冲设计方案，分析了MHP时频域特性及直接采用随机数法组合的UWB脉冲在高频段不能充分利用中国允许的辐射功率的问题。为了使脉冲在整个频段都有良好的频谱利用率，先采用高频正弦波对MHP进行功率谱频移，再通过迭代正弦波频率和随机数法相结合求出最佳权重系数，线性组合形成UWB脉冲。本文设计的脉冲相比单阶高斯脉冲和单阶Hermite脉冲有较高的频谱利用率，与文献[7]设计方案比较，该脉冲在多址接入情况下误码率更低。

1 修正MHP时频域分析

由表1可知，在同等的条件下，本文设计的脉冲在抗多用户干扰性方面更具优势。

4 结 语

针对目前缺乏符合中国辐射掩蔽的UWB脉冲，本文旨在设计出符合中国辐射掩蔽的UWB脉冲，且频谱利用率得到提高。本文在分析修正MHP的成形因子及求导与时频域关系后，选用前15阶MHP作为设计脉冲的基函数并确定成形因子。为克服在高频段PSD值小的问题，采用迭代选择一组频率为等差数列正弦函数对基函数进行频谱搬移作为新的基函数，同时以满足中国辐射掩蔽标准为约束条件，采取随机数对新基函数进行组合，组合脉冲的PSD波形尽可能向中国辐射掩蔽标准逼近。最后仿真验证设计脉冲的抗多用户干扰性能，在2PPM?THMA与2PAM?THMA通信系统下，对比文献[7]设计脉冲，验证了本文设计的脉冲具有更低的误码率，这对推动中国UWB的发展具有重要的工程意义。

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