超宽带微型无人机数据链传输性能分析

数据链

2009年4月第27卷第2期西北工业大学学报

JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityApr.2009Vol.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　710072;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)和直序列超宽带(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)02-0245-05　　微型无人机(MAV:MicroAirVehicle,Micro-UAV)通常是指航程小于10km,飞行高度低于250

微型m,航时1h,起飞质量小于5kg的小型飞行器。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(ImpulseRadioUWB)的收发机结构简单、成本低廉,非常适合于微

[1]

型无人机数据链。

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,TimeHoppingUWB)和直接序列超宽带(DS-UWB,DirectSequenceUWB)在AWGN信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。计算结果为设

计UWB-MAV数据链系统提供了依据。

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[4]

p(t)=[1-2( f0t)2]e-( f0t)

式中,f0=

2

(1)

为峰值频率,a为脉冲成形因子。

a

由傅氏变换可得归一化的二阶高斯脉冲频谱表

f

2

达式为

P(f)=

f0

2

e-(f/f0)

2

(2)

　　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

收稿日期:2007-12-06

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(N7CH0001)资助:

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西北工业大学学报

4

f

2

第27卷

-2

PTH(f)=e2

0Tff02f1-4sin2( fTf/2)

(3)

道下的BER与Eb/N0关系曲线如图1所示。

式中,Tf为相邻单脉冲之间的时间间隔。

DS-UWB的发射信号可表示为

+∞

y(t)=

m=-∞

∑c

m

(t)d[m/Ns](t)*p(t)(4)

式中,[*]表示卷积,cm(t)为伪随机(PN)码序列,

设数据速率为Rs=1/Ts,码元周期Ts=NsTf,则每个二元数据符号对应Ns个单脉冲。d[m/Ns](t)表示数据信号,在t∈[0,Ts]内取+1或-1值,设其功率谱为Pd(f)。

扩频码采用伪随机m序列,其功率谱为Pc(f)=

(f)+N

+∞

图1　二进制TH-UWB、DS-UWB调制在AWGN信道下

BER与Eb/N0关系曲线

图1显示了AWGN信道下,对于相同的符号平

(5)

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。

　∑sinc2 f+

NNTcNn=-∞

n≠0

式中,码片周期为Tc,Ts=NTc为伪码序列周期。功率谱Pc(f)的分布是在包络sinc2( fTc)形状下,间隔为1/NTc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

PDS(f)=[Pd(f)*Pc(f)] P(f)

2　　=

2

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Pr可以表示为总发射功率与路径损耗PL的函数

Pr(d)=

s+sinc2 ∑NNn=-∞N

n≠0

2

+∞

∫

HL

ff

maxdf

PL(d,f)

(10)

　　sinc Tsf+NTc1.2　误码率性能分析

-2

e2

f0f

4

f

2

(6)

式中,P(f)为发射信号的归一化单边功率谱密度,

Amax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,fL和fH对应于峰值频率-10dB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下波动,并且符合对数正态分布。引入阴影衰落后,平均接收功率与距离d的关系表示为

[3]

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[6]

Pre=2erfc

S

r=erfc

22N0

b

2N0

(7)

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

二进制

TH-PAM系统平均误比特率为

Pre=2erfc为

Pre=erfc

2

bN0

(9)

Sr=erfc

2N0

b

N(8)

maxtrPr(d)=

a(4 )2d2

HL

2

ff

dff2

(11)

式中,a为符合对数正态分布(均值 PL,方差 s)的阴影衰落因子,Gt和Gr是发射和接收天线增益。

在AWGN信道中,对于系统余量为LM(dB)的接收机,满足所需判决阈值信噪比SNRthr要求的最小接收功率为

rtnL　　采用BPSK调制的DS-UWB系统的误比特率

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第2期何　一等:超宽带微型无人机数据链传输性能分析

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式中,Pn是接收机热噪声功率。在郊区环境,当满足90%通信可靠性时,中心频率为1.5GHz的LM近似等于14dB,市区约为12.5dB。

系统可靠性可以通过路径损耗和阴影衰落造成的中断率Poutage=P(Pr(d)<Pmin)来反映,表示在距离d处接收功率Pr(d)低于目标最小接收功率Pmin的概率。

设Tb为符号周期,Tf为码片周期,则Tb=NsTf。假设接收端接收的单个脉冲能量为Ep,一个比特的所有能量为Eb=NsEp,接收端平均信噪比为SNR=(Eb/Tb)/(NoB)=效噪声带宽。

因此可以得出给定误比特率条件下距离与速率的关系式d=4

maxtr

aEbN0

thr

所对应的最大传输距离。

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