基于高斯脉冲的超宽带组合脉冲信号设计与研究

赵冰 秦丹阳 杨杰 齐琳 平义和

摘 要 超宽带通信系统使用纳秒级脉冲传输信息，具有共存性好、通信容量大、传输速率高等优点。本文通过分析脉冲形成因子和微分阶数对高斯脉冲及其导函数的影响，设计一种满足国内辐射掩蔽标准且具有较好频谱利用率的组合波形，并利用matlab软件进行仿真。

关键词 超宽带 高斯脉冲 组合脉冲 频谱利用率

中图分类号：TN914文献标识码：A

信息产业的迅速发展，带动了无线业务需求的快速增长，频谱资源仍处于严重匮乏的状态，这也制约了无线通信业务的发展。超宽带无线通信技术（Ultra Wide-band，UWB）是一种充分利用现有的频谱资源的衬底式传输技术，以重叠共享方式与现有窄带无线通信系统共同占用频谱。超宽带系统按实现方式可分为：脉冲超宽带系统和多频带超宽带系统。本论文主要研究的为脉冲超宽带系统中的组合脉冲设计方法。

1超宽带无线通信系统

美国军方于1990年最先提出“超宽带”的概念，其定义为信号的相对带宽大于25%的任何波形。

式中：为信号上限截止频率，为信号下限截止频率，为信号的中心频率。

2002年4月，联邦通讯委员会FCC发布了关于超宽带技术的“First Report and Order”，规定了超宽带无线通信可使用的频率范围为3.1～10.6GHz，给出了“超宽带”的两种定义：定义和分别表示低于信号最大发射（包括天线的影响）10dB处的上限和下限频率，信号的相对带宽大于等于0.2;定义是信号的10dB带宽大于等于500MHz。

2辐射掩蔽标准

超宽带系统与很多现有的其他通信系统之间存在工作频段重合的问题。美国通信权威机构FCC为了规避超宽带信号对其他系统的干扰，制定了对超宽带信号的辐射掩蔽要求来约束在不同频段内超宽带信号的最大功率。我国也在2008年出台了《超宽带（UWB）技术频率使用规定》。

3组合脉冲设计方法

本文選择高斯脉冲及其导函数设计组合脉冲。高斯函数可由如下公式表示：

式中：是脉冲形成因子，是方差。

其阶导数可用下式的递推方式来表示：

式中：为导函数阶数，为阶高斯导函数。

由阶导数的傅氏变换性质可知，高斯导函数的峰值频率随阶数的增高而向高频频段转移，为了将能量搬移到更高频段可以考虑对高斯脉冲进行微分。

当 较小时（ <0.3ns），可通过改变 或导函数阶数k来大幅度、有效地改变各阶导函数的峰值频率，达到频谱搬移的效果，当 =0.09ns时，各阶导函数均达到改变 值所能达到的最大峰值频率。

利用随机选择算法设计符合辐射掩蔽的组合波形的方法。利用个高斯导函数的线性组合，每个导函数由给定的 值表征。图3为十五阶高斯导函数的 值均为0.275ns时的组合脉冲波形。

从图3可以看出，当 均为0.275ns时，组合波形的PSD最能逼近中国标准的辐射掩蔽，尤其是在6GHz到9GHz频段有出色的表现。

4结论

本文研究了改变脉冲形成因子对组合波形PSD的影响，使用随机选择算法设计了一种符合中国标准规定的组合脉冲波形，得到了具有较好频谱利用率。仿真表明组合波形可以通过对不同脉冲形成因子的灵活选择能更好地提高频谱利用率，并满足辐射掩蔽。

基金项目：项目支持：本文的研究工作得到了黑龙江省教育厅科学技术研究项目：认知超宽带软频谱适配技术及网络泛在化研究（NO.12531492）的支持。

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