超宽带微型无人机数据链传输性能分析

论证了低速率二进制跳时超宽带(TH—UWB)和直序歹Il超宽带(DS—UwB)技术适用于微型无人机数据链系统

２００９年４月西北工业大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ａｐｒ．２００９

’第２７卷第２期

Ｖ０１．２７Ｎｏ．２

超宽带微型无人机数据链传输性能分析

何一１，张亚妮２，王永生１

（１．西北工业大学电子信息学院．陕西西安

７１００７２Ｉ

２．西安通信学院。陕西西安

７１０１０６）

摘要：论证了低速率二进制跳时超宽带（ＴＨ—ＵＷＢ）和直序歹Ｉｌ超宽带（ＤＳ—ＵｗＢ）技术适用于微型

无人机数据链系统。针对不同误码率和传输失效概率，建立了ＴＨ—ＵＷＢ和ＤＳ—ＵｗＢ在自由空间、

对数正态阴影衰落以及频率选择性双径信道下的传播模型，推导出了传输距离与数据速率的关系。

仿真结果表明；在ＡＷＧＮ信道下，二进制ＤＳ—ＵＷＢ相对ＴＨ—ＵＷＢ可以获得更远的传输距离；飞

行区域的阴影衰落造成ＵＷＢ系统接收端信号起伏，信号传输性能与自由空间传播相比有所下降，

采用频率选择性双径损耗模型在特定距离范围内会改善系统性能。关键词：超宽带，微型无人机，无人机数据链，无线电传播

中图分类号：ＴＮ９７３

文献标识码：Ａ文章编号：１０００ ２７５８（２００９）０２一０２４５—０５

微型无人机（ＭＡＶ：ＭｉｃｒｏＡｉｒＶｅｈｉｃｌｅ，Ｍｉｃｒｏ—

设计ＵＷ＆ＭＡＶ数据链系统提供了依据。

ＵＡＶ）通常是指航程小于１０ｋｍ，飞行高度低于２５０ｍ，航时１ｈ，起飞质量小于５ｋｇ的小型飞行器。微型无人机小巧灵活，可完成针对目标的近距离侦察、监听、电子干扰以及主动攻击等特殊任务，是无人机系统未来发展的重点方向之一。由于ＭＡＶ载荷有限，使用环境复杂，故对数据链系统的性能、体积和重量要求很高。超宽带（ＵＷＢ：ｕｌｔｒａｗｉｄｅｂａｎｄ）技术具有系统发射功率低、带宽大、多径分辨率高以及穿透性好等特点，并且基于ＩＲ—ＵＷＢ（１ｍｐｕｌｓｅ型无人机数据链［１】。

由于ＦＣＣ对ＵＷＢ功率的限制，ＵＷＢ主要用于室内高速数据传输。文献［２，３］研究了室外远距离低速率ＵｗＢ的传输性能，然而将ＵＷＢ应用于ＭＡＶ的工作并不多见。本文根据地空通信的特点，针对单用户以及二进制调制情况，比较跳时超宽带（ＴＨ—ＵＷＢ，Ｔｉｍｅ

Ｈ０ｐｐｉｎｇ

Ｒａｄｉｏ

１

ＴＨ—ＵＷＢ、ＤＳ—ＵＷＢ信号功率谱密度及系统误码率

１．１信号功率谱密度

二阶高斯脉冲频谱结构中没有直流分量，并且接近直流的频谱成分较弱，有利于极窄脉冲信号的传输，接收端易于相关检测与识别，因此适合作为传递信息的超宽带脉冲。二阶高斯脉冲可表示为∞

ＵＷＢ）的收发机结构简单、成本低廉，非常适合于微

户（ｔ）＝［１—２（丌＾ｔ）２］ｅ一‘嘶’。

（１）

式中，兀＝ｊ鼍为峰值频率，４为脉冲成形因子．

口√７ｃ

隋

由傅氏变换可得归一化的二阶高斯脉冲频谱表达式为

ｅ一∽，ｏ）。Ｐ（厂）＝—兰Ｉ争ｌ２ｅ一∽，ｏ）。Ｐ（厂）：—鲁＝ｆ≠１

（２）

ＵＷＢ）和直接序列超宽

０氍Ｒ¨㈦

带（ＤＳ—ＵｗＢ，Ｄｉｒｅｃｔ

Ｓｅｑｕｅｎｃｅ

ＵＷＢ）在ＡＷＧＮ信ＴＨ—ＵＷＢ系统采用跳时脉冲位置调制（ＴＨ—ＰＰＭ）、跳时脉冲幅度调制（ＴＨ—ＰＡＭ）２种方式。根据文献［５］的思路，可以推导出二阶高斯脉冲ＴＨ—ＰＰＭ、ＴＨ—ＰＡＭ信号的功率谱密度为

道条件下的信号功率谱、误码性能，并针对自由空间及对数正态阴影衰落路径损耗模型，推导了在给定误码率条件下距离与传输速率的关系。计算结果为

收稿日期ｔ２００７－１２—０６

基金项目：教育部“高等学校博士学科点专项科研基金（２００６０６９９０１０）与航天科技创新基金（Ｎ７ＣＨｏ００１）资助作者简介：何一（１９７３一）．西北工业大学博士生，主要从事无人机数据链技术的研究．

论证了低速率二进制跳时超宽带(TH—UWB)和直序歹Il超宽带(DS—UwB)技术适用于微型无人机数据链系统

西北工业大学学报

第２７卷

聪，）＿赤㈨ｅ－２（护㈨４ｓｉｎ２（以／２）ｊ

ｓｉｎ２（７ｃ仃，）］

”７

厂，Ｌ１

式中，乃为相邻单脉冲之间的时间间隔。

ＤＳ—ＵＷＢ的发射信号可表示为

±＝

ｙｏ）＝∑ｆ。ｏ）ｄ西／ⅣＪ】ｏ）＊户（￡）

（４）

式中，［＊］表示卷积，ｃ。（ｔ）为伪随机（ＰⅣ）码序列，

设数据速率为Ｒ＝１／Ｌ，码元周期Ｚ＝Ｍ乃，则

每个二元数据符号对应Ⅳ１个单脉冲。ｄ［ｍ／Ⅳ１］（ｔ）表示数据信号，在ｔ∈［ｏ，ｔ］内取十１或一１值，设其功

率谱为乃（，）。

扩频码采用伪随机优序列，其功率谱为

Ｐ，（厂）一去ａ（厂）＋

等量ｓ叫丌荆，＋惫）㈣

式中，码片周期为ｚ，互＝ⅣＬ为伪码序列周期。功率谱Ｐ，（，）的分布是在包络ｓｉ眦２（酊Ｌ）形状下，间

隔为１／Ⅳｔ的线状谱。

由（２）式和（５）式可得二阶高斯脉冲ＤＳ—ＵＷＢ信号的功率谱密度为

尸∞（，）＝［Ｐ一（，）＊Ｐ，（厂）］ ＩＰ（，）Ｉ

＝｛学＋帑．蔓ｓｔ叫吲

２

ｓｔ∥卜（厂＋惫）］）磊㈤‘ｅ＿２（孟）ｌ（６，

１．２误码率性能分析

ＡＷＧＮ信道中的最佳接收机是相关接收机。对于采用软判决的二进制ＴＨ－ＰＰＭ调制方式，平均误比特率为ｃ６】

ｐ扣［蜃］＿扣［压］（７）

式中，Ⅳｌ为传输１比特信息所使用的脉冲数，Ｅｒ为单个脉冲能量，Ｅ６为每比特能量。

二进制ＴＨ—ＰＡＭ系统平均误比特率为

ｐ扣［厣］＝扣［属］㈣

采用ＢＰＳＫ调制的ＤＳ—ＵＷＢ系统的误比特率为

尸，．一扣ｃ［√翱

㈨

二进制ＴＨ—ＵＷＢ、ＤＳ—ＵＷＢ调制在ＡｗＧＮ信

道下的ＢＥＲ与乜／Ⅳｏ关系曲线如图１所示。

乜／％（ｄＢ）

图１

二迸制ＴＨ－ＵｗＢ、ＤＳ—ＵＷＢ调制在ＡＷＧＮ信道下ＢＥＲ与局／Ⅳ。关系曲线

图１显示了ＡＷＧＮ信道下，对于相同的符号平均功率，在达到相同的误码率时，ＤＳ—ＵＷＢ需要的信噪比要比ＴＨ—ＰＡＭ小３ｄＢ，比ＴＨ—ＰＰＭ小６ｄＢ，同样，ＴＨ—ＰＡＭ信噪比性能优于ＴＨ—ＰＰＭ。

２

ＵＷＢ—ＵＡＶ数据链传输性能分析

２．１

自由空间及对数正态阴影衰落路径损耗模型ＵＷＢ系统接收端接收到的平均功率Ｐ，可以表

示为总发射功率与路径损耗ＰＬ的函数

Ｐ，（ｄ）＝侈捌ｄ，

（１０）

Ｊ

ｆｔ

ｒ

Ｌ、ａ＇Ｊ）

式中，尸（厂）为发射信号的归一化单边功率谱密度，

Ａ一表示发射信号的峰值功率，ｄ为发射机与接收

机之间的距离，九和厶对应于峰值频率一１０

ｄＢ的

最低和最高频率。

无人机在近地飞行过程中，信号电场强度会随传播路径附近空域的地形、地物的变化而变化。大量实测结果表明，由于地形、地物变化所产生的阴影损耗使得路径损耗发生上 …… 此处隐藏：7690字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……