滿足中國輻射掩蔽的UWB脈沖成形算法

紀元法 楊政權 孫希延

摘 要： 針對目前缺乏滿足中國輻射掩蔽標準的超寬帶（UWB）脈沖設計方案的問題，提出一種基于修正Hermite多項式（MHP）功率譜頻移組合的UWB脈沖成形算法。分析了MHP時頻特性，選擇其為UWB脈沖基函數；用高頻正弦波實現基函數的功率譜頻移，以滿足中國輻射掩蔽標準為約束條件，采用隨機數法選取權重系數進行線性組合形成脈沖；最后，通過迭代正弦波頻率，對脈沖波形進行優化。Matlab仿真結果表明，該成形脈沖不僅滿足中國輻射掩蔽，且在整個頻段都有較好的頻譜利用率，與用高斯函數迭代算法組合脈沖比較，抗多用戶干擾性能更強。

關鍵詞： 中國輻射掩蔽； 超寬帶； 修正Hermite多項式； 功率譜頻移； 隨機數法； 多用戶干擾

中圖分類號： TN929.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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無線通信技術具有傳輸速率高、抗干擾強、功耗低、多徑分辨率極高、隱蔽性較強與成本小等優勢，已成為無線通信領域研究的熱點。2002年美國通信委員會（FCC）頒布了為民用UWB無線通信技術開放頻譜的法規，對UWB系統的功率譜提出了具體的規范[1]。UWB短距離通信利用納秒至亞納秒（ns）級的非正弦脈沖傳輸信號。常見UWB脈沖有高斯單周期脈沖、基于扁長球體波函數的脈沖、基于改進的Hermite多項式脈沖、Laplace脈沖和Rayleigh脈沖等，但多數是以FCC的規定標準設計。文獻[2]提出基于高斯脈沖導函數組合成脈沖，雖在低頻段輻射功率能較好地逼近FCC輻射掩蔽標準，但在高頻段偏低。文獻[3]對高斯函數多次求導，過程中產生了直流分量。文獻[4]提出的Rayleigh脈沖在高頻段雖較逼近FCC的頻譜規劃，但是在其他頻段沒充分利用允許的輻射功率，頻譜利用率低。文獻[5]使用單階MHP作為UWB脈沖，頻譜寬度較窄。

為滿足短距離高速無線數據通信的應用需求，提高頻率利用率，根據中國無線電頻率劃分和實際使用情況，中國制定了超寬帶技術頻率使用規定[6]。目前滿足符合中國輻射掩蔽的UWB脈沖設計方案較少，僅有文獻[7]提出采用多階高斯函數迭代算法組合形成UWB脈沖，但抗多用戶干擾性能稍弱。

本文提出一種新的符合中國輻射掩蔽的UWB脈沖設計方案，分析了MHP時頻域特性及直接采用隨機數法組合的UWB脈沖在高頻段不能充分利用中國允許的輻射功率的問題。為了使脈沖在整個頻段都有良好的頻譜利用率，先采用高頻正弦波對MHP進行功率譜頻移，再通過迭代正弦波頻率和隨機數法相結合求出最佳權重系數，線性組合形成UWB脈沖。本文設計的脈沖相比單階高斯脈沖和單階Hermite脈沖有較高的頻譜利用率，與文獻[7]設計方案比較，該脈沖在多址接入情況下誤碼率更低。

1 修正MHP時頻域分析

由表1可知，在同等的條件下，本文設計的脈沖在抗多用戶干擾性方面更具優勢。

4 結 語

針對目前缺乏符合中國輻射掩蔽的UWB脈沖，本文旨在設計出符合中國輻射掩蔽的UWB脈沖，且頻譜利用率得到提高。本文在分析修正MHP的成形因子及求導與時頻域關系后，選用前15階MHP作為設計脈沖的基函數并確定成形因子。為克服在高頻段PSD值小的問題，采用迭代選擇一組頻率為等差數列正弦函數對基函數進行頻譜搬移作為新的基函數，同時以滿足中國輻射掩蔽標準為約束條件，采取隨機數對新基函數進行組合，組合脈沖的PSD波形盡可能向中國輻射掩蔽標準逼近。最后仿真驗證設計脈沖的抗多用戶干擾性能，在2PPM?THMA與2PAM?THMA通信系統下，對比文獻[7]設計脈沖，驗證了本文設計的脈沖具有更低的誤碼率，這對推動中國UWB的發展具有重要的工程意義。

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