基于UWB技术的船舶避碰系统抗干扰研究*

蔡新梅

(渤海船舶职业学院 葫芦岛 125105)



基于UWB技术的船舶避碰系统抗干扰研究*

蔡新梅

(渤海船舶职业学院 葫芦岛 125105)

为了保证船舶航行安全,在船舶上采用基于UWB技术的船舶避碰系统,分析了UWB信号传输的信道和超宽带通信系统存在的窄带干扰,针对UWB系统和窄带系统的共存问题,提出了适用于发射信号谱会在窄带系统工作频段处形成陷带的方法,仿真结果表明,使用经过设计的TH序列,UWB系统的BER性能得到了提高,解决了UWB信号和窄带信号的相互干扰。

抗干扰; 无线通信系统; UWB; 陷波技术

Class Number U675

1 引言

UWB信号具有多径分辨率高、通信频谱广泛、不易受到干扰、较低速率时可以远距离传输的特点,因此采用UWB通信技术配合计算机技术设计的船舶避碰系统能有效地判断对方船舶的位置和方向,从而能够有效地减少船舶避碰。但是船舶上用于通信的窄带信号如地面通信系统、GPS、卫星通信、无线电导航或探测系统等都会对UWB收发系统产生干扰,为了让UWB系统和窄带系统的共存,要采取方法来解决UWB信号和窄带信号的相互干扰。

2 UWB信道模型

UWB信号在海上进行发射时,可以认为是在自由空间进行发射,因此可以采用Friis传输信道。UWB信号在自由空间里向三维空间传播是以波为形式的。并且以球状向外扩散。假设天线增益为Gt,信号发射功率为Pt,发射机与接收机之间的距离为r,则我们可以根据上面的理论得到以r为半径的球面均匀分割的有效的全向辐射功率Pd的表达式为

(1)

将全向辐射功率用EIPR来表示,即EIRP=PtGt,则式(1)又可以表示为

(2)

但是在发射端与接收端距离为r处,接收天线的有效面积并不是球体的整个表面积,假设有效截面为Ae,则距离r处的接收信号功率Pr为

(3)

根据天线截面和天线增益关系式G=4πAe/λ2可以得到接收天线的增益Gr和接收信号的功率Pr的关系式如下

(4)

将有效全向辐射功率带入表达式(4),就得到自由空间Friis传输方程如下

(5)

所谓路径损耗指的就是发射功率和接收功率的比值,则根据上式可以得到路径损耗LP(r)为

(6)

对路径损耗取对数,用衰减的形式来表示为如下

(7)

同样的,对于单位增益天线,即Gr=Gt=1,用对数表示的路径损耗模型为

(8)

由式中的λ可以看出路径损耗与频率有关,也就是天线效应。对于上面的自由空间Friis传输方程,设置一个参考点距离为r0,这样用Pr(r0)来表示参考点r0处的接收信号功率,再定义一个远场区距离rf,也就是说与发射天线距离超过rf的区域就被称为远场区。则综上所述可以得到Friis传输方程的参考点表达式:

(9)

(10)

相应地,可以得到其对数表达式为

(11)

3 干扰源

与UWB相互干扰的无线系统主要是:地面通信系统(固定点对点系统、蜂窝通信和广播)、GPS、卫星通信、无线电导航或探测系统,以及工作在ISM、UII波段的系统(如802.11a,802.11b,Bluetooth等)和其他业余无线电系统。这些无线系统相对于UWB面议,都可以看成是窄带系统。UWB与现有窄带无线通信系统间干扰的研究热点在于如何避免频谱上相互重叠,如UWB与802.11a(5.15GHz～5.825GHz)、UWB概念股WIMAX(其中的5GHz频段)等。图给出了DS-CDMA(即DS-UWB)频谱方案。可以看出,为避免与802.11a的干扰,DS-CDMA并没有使用5.15GHz～5.825GHz这一频段。当然,实际应用中应该尽量提高频谱利用率,这种为避开频谱重叠而放弃干扰频段的频谱利用方式并不是最佳选择。

4 抗干扰方法

超宽带系统中,用跳时序列来控制发射信号频谱,用直接序列寻址,则单用户的BPSK调制的发射信号可以表示为

(12)

单位能量的比特波形可以表示为

(13)

则发射信号可以简化为

(14)

假设窄带干扰信号是一个单音信号,即一个正弦波信号,可以表示为

(15)

En表示干扰信号功率,fn是干扰信号载波频率,θn表示干扰信号相位。

UWB系统匹配滤波器可以表示为

(16)

假设接收机的接收信号为

(17)

我们认为窄带干扰信号通过瑞利慢衰落信道,并且衰减相位φn服从[0,2π]上的均匀分布的,所以在瑞利慢衰落信道的条件下,式(5)～式(7)中包括窄带干扰信号和加性白高斯噪声的干优项是条件高斯分布的,因而,UWB系统的条件误比特率可以表示为

(18)

(19)

根据式(18)～(19),在窄带信号干扰的条件下提高超宽带通信系统的BER性能等同于增加SINRcon。通过分析式(19),分母中的|H0(fn)|可以影响超宽带通信系统的BER性能,而|H0(fn)|是由超宽带通信系统的发射信号所决定的。分析式(19)可知,通过减小|H0(fn)|来增大SINRcon,在窄带干扰频率fn处,使|H0(fn)|尽可能地小。也就是说,就是|H0(fn)|在窄带信号工作频率处形成陷带,从而提高UWB系统的BER性能。可以通过设计TH序列,来使|H0(fn)|在窄带信号工作频率处形成陷带,以改善UWB系统的性能。

5 仿真结果

在UWB通信系统中,以抑制窄带干扰为目的,对TH序列设计算法的有效性。我们使用高斯二阶导函数脉冲作为UWB系统的发射脉冲,如下式所示:

(20)

该脉冲的能量是1/Ns,τp是和脉冲宽度相关的归一化系数,具体的仿真参数设置如下:Nh=16,Ns=16,τp=0.5ns,Tc=1ns,Tf=TcNh=16ns,Tb=NsTf=256ns,DS序列直接置为CDS=[1,1,-1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1],窄带干扰中心频率fn=2.412GHz,假设在UWB设备屮,可以根据周围的频谱环境来实施TH序列设计算法,则此时可得到TH序列为CTH=[4,3,8,1,0,5,4,14,13,12,5,10,9,2,7,0]。

UWB信号通过简化的Nakagami衰落信道,假设,有条服从Nakagami分布的随机吋延路径。信道的仿真参数为,L=8,ε=3,y=4,m=3。

图1 分别使用经过设计的TH序列和普通的TH序列时,DS-IR-UWB系统的误比特率性能比较

图1是在中心频率为2.412GHz的窄带信号干扰下,仿真了DS-IR-UWB系统使用经过设计的TH序列时的BER性能,同时仿真了DS-IR-UWB系统使用普通TH序列时的BER性能,作为对比,也仿真了AWGN信道中无窄带干扰的DS-IR-UWB系统的BER性能。从图中可以看出,在窄带信号干扰下,使用经过设计的TH序列的DS-IR-UWB系统的BER性能远好于使用普通TH序列的DS-IR-UWB系统的BER性能,而且随着窄带干扰功率的增大,DS-IR-UWB系统的BER性能的提高就越明显。在不同的SIR值下,可以看出,AWGN信道中无窄带干扰的DS-IR-UWB系统的BER性能曲线与使用经过设计的TH序列的DS-IR-UWB系统的BER性能曲线相比,几乎是重叠的,因而,在简化的Nakagami衰落信道环境下,使用经过设计的TH序列的DS-IR-UWB系统几乎可以消除窄带干扰信号的影响。

6 结语

本文主要分析了船舶窄带通信设备对超宽带通信系统的BER性能的影响,多个设备对UWB系统的影响会更大些。在窄带干扰频率fn处,合理地采用UWB传输序列,在窄带信号工作频率处形成陷带,这种方法可以很好地避免船舶窄带设备对UWB系统产生干扰。

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Anti Interference of Ship Collision Avoidance System Based on UWB

CAI Xinmei

(Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao 125105)

Focusing on the safe navigation of the ship, the ship collision avoidance system based on UWB is used in ship. The interference between UWB and the wireless system is analyzed, and a notch technology is put forward to solve the coexistence problem of the UWB and narrowband system, leading to the solution of the mutual interference.

anti interference, wireless system, UWB, notch technology

2014年7月11日,

2014年8月29日 基金项目:辽宁省教育厅科技研究项目(编号:L2012485)资助。

蔡新梅,女,硕士,讲师,研究方向:船舶电子设备与通信技术。

U675

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.017