（信息与通信工程专业论文）非合作超宽带冲激无线电信号检测技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 本论文所研究的超宽带( u w b ) 信号均指超宽带冲激无线电( u w b i r ) 信 号。 u w b 系统以低占空比的超短冲激脉冲作为载体，无需载波调制，采用跳时扩 谱( n “j w b ) 或直接序列扩谱( d s u w b ) 技术实现信息传输。与传统无线电 系统相比，u w b 具有更低的功率谱密度和更宽的带宽，具有高数据率、强抗干扰 的特点。u w b 信号常常被隐蔽在环境噪声和其它干扰信号中，难以检测，是一种 很有军事应用前景的低截获检测概率信号。超宽带无线电技术在高速军事通信、 无人机低截获数据链、高分辨率雷达定位系统中已经得到实际应用。因此在非合 作条件下，研究对u w b 无线电信号的检测技术，具有重要的军事意义。 本文研究了在负信噪比且没有先验信息或仅有部分先验信息条件下， u w b 无线电信号的检测问题。论文的主要工作如下： 在全盲和负信噪比情况下，研究了基于希尔伯特一黄交换( 删t ) 的u w b 信 号检测方法。仿真实验表明：在进行u w b 信号检测时，与传统小波分析方法和 w i g n c r - v i l l e 分布相比，希尔伯特一黄方法具有优越性。 利用信号和噪声在固有模态函数域中有不同的性态表现，提出了一种固有模 态函数积检测器( i m f s p r o d u c t d e t c t o r ) ，在低信噪比和背景噪声分布未知条件下。 i m f 积检测器优于t e a g e r 能量算子( t e o ) 检测器。参考r o s e n f e l d 子带乘积理论， 提出了基于固有模态函数域滤波( i m f d f ) 方法，用于对带噪信号的边缘检测。 i m f d f 和小波域滤波方法相比，相对简单，计算复杂度小。 提出了可用于全盲信号检测的c c i o 测度准则和两种基于参数可调非周期随 机共振( p a s r ) 的u w b 信号检测方法。 利用p a s r 系统输出信号和输入信号最匹配时，随机共振最显著的这一现象， 区别于c o l l i n s 互相关方法，提出了基于输入( 信号+ 噪声) 输出互相关的a s r 测 度方法，即c c i o 方法。利用线性响应理论( l r t ) ，推导了c c i o 测度方法的性能， 验证了c c i o 测度下的p a s r 方法可以实现全盲负信噪比( 低于一l o d b ) 非合作 ir w b 信号检测。 在c c i o 准则下，提出了基于p a s r 的d s u w b 系统码序列检测方法。对于 低信噪比d s - u w b 而言，p a s r 检测器逊于匹配滤波检测器；但当匹配滤波器存 在较大失配时( 出现同步误差) ，结论完全相反。研究发现：p a s r 方法的检测性 能随采样频率的提高而改善。 在c c i o 准则下，利用多窗并行检测的思想，提出了基于p a s r 的多时窗检测 器( p a s r - m w d ) ，用于t h u w b 信号检测。仿真试验表明：在负信噪比情况下， 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 p a s r 多时窗检测器优于多辐射计组和固有模态函数积检测器，但逊于匹配滤波检 测方法。 在负信噪比和全盲的条件下，研究了基于分段自相关积累( p a c a ) 的u w b ( d s w b 和t h - u w b ) 信号检测方法。经过严格数学推导，指出了t h u w b 信号的p a c a 函数不但在字符周期整数倍处出现离散峰值，而且按三个峰值( 一 大峰值左右对称出现小峰值) 成对出现，大峰和小峰的间隔就是p p m 调制时间偏 移。仿真验证了通过增加积累时问，实现负信噪比u w b 信号检测的可行性。 研究了仅需已知字符周期情况下基于特征值分解方法的u w b 码序列波形检 测方法，首次理论推导了d s u w b 、t h - u w b 特征值和码序列波形的分布情况。 提出了基于特征值分解的t h u w b 码序列波形估计方法，指出了在时间窗和字符 非同步情况下，将会出现三个大的特征值，对应的三个特征向量反映了二元字符 跳时序列波形之和的特性。利用矩阵扰动理论，证明了码序列波形估计误差的引 理。分析了波形估计误差和输入信噪比、积累窗个数的关系。 主题词：超宽带冲击无线电非合作检测希尔伯特一黄变换固有模态函数积 检测器固有模态函数域滤波参数可调非周期随机共振输入输出互相关 基于p a s r 多时窗检测分段自相关积累特征值分解 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t u l t r a - w i d eb a n d ( u w b ) s i g n a l si nt h i sd i s s e r t a t i o ni sr e s t r i c t e di nu w bi m p u l s e r a d i o ( u w b 一us i g n a l s u w b s y s t e m sr e l yo nu l t r a - s h o r t ( n a n o s e c o n ds c a l e ) i m p u l s ep u l s ew a v e f o r m so f l o wd u t yr a t i ot h a tc a nb ef r e eo fs i n e w a v ec a r r i e r sa n dt r a n s f o r mi n f o r m a t i o nv i a t i m e - h o p p i n g ( t h ) o rd i r e c ts p r e a d ( d s ) t e c h n o l o g y c o m p a r i n gt o t r a d i t i o n a lr a d i o s y s t e m s ，u w bs y s t e m so w nl o w e rp o w e rd e n s i t yo ff r e q u e n c e ( p d f ) a n dw i d e r b a n d w i t h , w h i c hc a np r o v i d ee x t r e m e l yh i g hd a t ar a t ea n dg o o dp r o p e r t yo f a n t i - j a m m i n g f o ri m p u l s ep u l s eo f t e nb ec o v e r ti ne n v i r o n m e n t a ln o i s eo rt h eo t h e r j a m m i n g ，u w be x h i b i t sl o wp r o b a b i l i t ) ，o fd e t e c t i o n ( l p d ) ，w h i c hb eu s e di nm i l i t a r y d o m a i ne s p e c i a l l y u w bs i g n a l sa r ca d o p t e db yt h em i l i t a r yc o m m u n i c a t i o no fh i 咖 d a t ar a t e ，l o wp r o b a b i l i t yo fi n t e r c e p t i o n ( l p i ) d a t al i n kb e t w e e na nu n m a n n e da e r i a l v e h i c l e ( u a v ) a n dag r o u n ds t a t i o n , a n dh i g i lr e s o l u t i o nr a d a r l o c a t i o ns y s t e m s u n d e r t h ec o n d i t i o no fn o n - c o o p e r a t i v er e c e p t i o n , t h er e s e a r c ho nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yo f u w b s i g n a lh a si m p o r t a n tm i l i t a r ys i g n i f i c a t i o m t h i sd i s s e r t i o ni sf o c u s e do nt h ed e t e c t i o np r o b l e m so f u w br a d i os i g n a lu n d e rt h e c o n d t i o no fu n k n o w no rp a r t l yk n o w na p r i o r ii n f o r m a t i o n , w h i l es i g n a l - t o - n o i s er a t i o ( s n r li sb e l o w 0 d b t h em a i nw o r kf o l l o w sb e l o w ： w h i l et h ei n p u ts n ri sb e l o w0 d ba n da p r i o r ii n f o r m a t i o na r ea l lb l i n d ，w es t u d y t h ed e t e c t i o nm e t h o d so fu w b s i g n a lb a s e do nh i l b e r t - h n a n gt r a n s f o r m ( h h t ) t h e c o n c l u s i o ns h o w st h a th h ti s s u p e r i o r t ot r a d i t i o n a lw a v e l e tt r a n s f o r ma n d w i g n e r - v i l l ed i s t r i b u t i o n f o rt h ed i f f e r e n tp r o p e 啊b e t w e e ns i g n a la n dn o i s ei nt h ei n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n ( i m f ) d o m a i n , i m f sp r o d u c td e t e c t o ri sp r o p o s e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fl o w s n r a n dt h eu n k n o w nd i s t r i b u t i o no fn o i s e ，s i m u l a t i o ns h o w st h a ti m f sp r o d u c td e t e c t o ri s s u p e r i o rt ot e a g e re n e r g yo p e r a t o r ( t e o ) d e t e c t o r r e f e r i n gt o r o s e n f e l ds u b b a n d p r o d u c tt h e o r y , i m fd o m a i nf i l t e r ( i m f d f ) i sd e v e l o p e da n du s e di nt h ee d g ed e t e c t i o n i nc o n t r a r yt ow a v e l e tt r a n s f o r md o m a i nf i l t e r ，i m f d fi sm o r es i m p l e ，a n dh a sl e s s c o m p l e x i t y t h em e 船u r e m e mr u l eo fc o s sc o r r e l a t i o no fi n p u t ( s i g n a la d dn o i s e ) a n do u t p u t ( c o o ) f o rb l i n ds i g n a ld e t e c t i o ni sp r o p o s e d a n dt h e n , t w om e t h o d so fu w bs i g n a l d e t e c t i o nv i ap a r a m e t e r - i n d u c e da p e r i o ds t o c h a s t i cr 鹤o n a n c e ( p a s r ) a r ep r e s e n t e d w h i l et h em p u ts i g n a lm a t c h e st h eo u t p u ts i g n a lo fp a s rs y s t e m ，p h e n o m e n ao f s t o c h a s t i cr e s o n a n c ei sm o r ep r o m i n e m s o ，w ep r o p o s e dc c i om e 踟e m e mm e t h o d s ， w h i c hi sd i f f e r e n tt oc o l l i n sc r o s sc o r r e l a t i o nm e t h o d s u s i n gl i n e a rr e s p o n s et h e o r y ( l r t ) t h et h e o r e t i c a l l yp e r f o r m a n c eo fc c i oi sd e d u c e d w i l i l et h ei n p u ts n ri s b e l o w 1 0 d ba n dt h es i g n a li sa l lu n k n o w n , t h ed e t e c t o rb a s e do np a s rv i ac c i o 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 m e a s u r e m e n tc a nw o r kw e l l u n d e rt h er u l eo fc c i om e a s u r e m e n t , c o d es e q u e n c ed e t e c t i o nm e t h o d so f d s u w bs i g n a lv i ap a s rs y s t e ma r cd e v e l o p e d f o rl o w e i s n rd s u w bs i g n a l s t h e p e r f o r m a n c eo fp a s rd e t e c t o ri si n f e r i o rt om a t c h e df i l t e r ( m f ) o nt h ec o n t r a r y , i f t h e r ei sl a r g ee r r o ro fd e s y c h r o n i s a t i o n , p e r f o r m a n c eo fp a s rd e t e c t o ri ss u p e r i o rt o m f u n d e rt h er u l eo fc c i om e a s u r e m e n t , t h ep a s rm u l t i p l ew i n d o w sd e t e c t o r ( p a s r - m w d ) i sp r o p o s e dt od e t e c tt h e1 h u w bs i g n a l s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ep a s r - m w di si n f e r i o rt om f w h i l es u p e r i o rt 0m u l t i r a d i o m e t e r a n di m f sp r o d u c td e t e c t o rw h e nt h ei n p u ts n ri sb e l o w0 d b i ft h e r ei sn oa p r i o r ik n o w l e d g ea n dt h es n ri sb e l o w0 d b t h em e t h o d so f p i e c e w i s ea u t o - c o r r e l a t i o na c c u m u l a t i o n ( p a c a ) f o rt h ed e t e c t i o no fu w bs i g n a l si s p r e s e n t e d a f t e rr i g o r o u s l ym a t h e m a t i c a ld e d u c t i o n , s o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n sa r e d r a w n ：a tt h em u l t i p l et i m e so fs y m b o lp e r i o d 。d i s c r e t ep e a k so ft h ep a c af u n c t i o n a p p e a r 、v i t l l3p e a k s i ng r o u p ，w h i c hi n c l u d e sa l a r g e rp e a kl o c a t e di nt h em i d d l ea n dt h e o t h e rs m a l l e rt w ol o c a t e ds y m m e t r i c l yb e s i d et h el a r g e ro n e t h ed i s t a n c eb e t w e e n s m a l ip e a k si sm o d u l a t i o no f f s e to fp u l s ep o s i t i o np p m 1 1 1 es i m u l a t i o ns h o w st h a t e n h a n c et h ea c c u m u l a t i o nt i m e t h ed e t e c t i o no f u w bs i g n a lu n d e r0 d bi sf e a s i b l e i ft h es s m a b o lp e r i o di sk n o w no n l y t h em e t h o d so fd e t e c t i o nu w bc o d es e q u e n c e w a v e f o r mb a s e do nt h ee i g e n v a l u e sd e c o m p o s i t i o n ( e v d ) i sd e v e l o p e d 1 1 1 ed i s t r i b u t i o n o fe i g e n v a l u ea n de i g e n v e c t o r so ft h ec o v a r i a n c em a t r i xo fi m s i g n a li sd e d u c e d t h e o r e t i c a l l y 1 f 1 地e s t i m a t i o nm e t h o d so ft h u w bc o d es c q u e n c eb a s e do ne v d 8 r e p r o p o s e de s p e c i a l l y t h ep h e n o m e n ao fa p p e a r i n g3e i g e n v e c t o r sc o r r e s p o n d i n gt o3 b i g g e re i g e n v a h i e s r e f l e c t st h es u mo f2 - a r t y 1 7 - is y m b o l sw a v e f o r mi nt h e a s y n c h r o n o u ss i t u a t i o nf o rt h u w bs y s t e m s t h ee r r o rl e m m ao fe s t i m a t i o no fc o d e s e q u e n c ev i am a t r i xp e r t u r b a t i o nt h e o r yi sp r o v e d a tl a s t , t h er e l a t i o n sa m o n gt h ee l f o r o f e s t i m a t i o n , t h ei n p u ts n r ，a n dt h en u m b e ro f a c c u m u l a t i o nw i n d o w sa r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：u l t r aw i d eb a n di m p u l s er a d i o ( u w b i r ) ，n o n c o o p e r a t i v e d e t e c t i o n 。h i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m ( h h t ) ，i m f sp r o d u c td e t e c t o r i m f d f ， p a s r ，c c i o p a s r - m w d ，p a c a ，e v d 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表l l e a = o 9 ，= l 1 0 - 2 时三种系统使用能量检测器所需的最低信噪比川。2 表扛lm 元d i r m a 的最大用户数与最高数据率示例2 8 表7 _ l 论文所提多种检测器的对比分析1 2 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图l l 多谱公司的无人机数据链路设备和“掠食者无人机”6 图l - 2 多谱公司研发的u w b 短波电台的功率谱和电台7 图l - 3 多谱公司研发的u w b 定位设备7 图扛lt h - u w b 信号形式 2 0 图2 之用户l 为期望用户时的m 元p p md i r m a 接收机2 1 图2 _ 3 = 0 2 8 7 7 n s 时以r o 3 5 ) 的时域波形 2 6 图2 4 不同脉宽与用户数情况下比特信噪比与比特率的关系2 6 图撕= o 2 8 7 7 n s ，心= 6 4 k b p s ，y b ( 1 ) = 1 1 4 0 8 8 d ba c t i v e 特率与用户数曲线 图2 _ 6 = 7 5 3 6 p s ，忍= 1 0 。，r 6 = 1 m b p s 时用户数与信噪比因子的曲线2 7 图2 _ 7 = 7 5 3 6 p s ，只= 1 0 ，。= 5 1 时用户数与信噪比因子的曲线2 8 图3 一le m d 筛选的一般过程3 4 图3 之固有模态函数积检测器的框图 图3 _ 3 实线部分表示以，) ，点划线表示从c 2 ，q ，c 重构后的信号s i ( t ) 4 2 图3 - 4s i ( ，) 经e m d 分解后的i m f 分量，从上到下分别为q 龟4 2 图3 _ 5s t ( ，) 和它的时频谱4 3 图3 6 带噪信号s ：( ，) 和由q c a 重构后的信号 图3 0 带噪信号s ：( f ) 经e m d 分解后的i m f 分量信号“ 图3 _ 8s ：( ，) 的3 种时频谱表示 图3 曲t i g e r 能量算子( t e o ) 和固有模态函数检测器的性能比较4 6 图3 一l o 峰值信噪比s n r m1 2 5 时的检测性能比较4 7 图扣l l 图3 中带噪信号( 上图) 的经验模式分解后的固有模态函数分量4 7 图3 1 2s n r * 2 2 5 时的r o c 曲线4 7 图3 一1 3 原始信号和带噪信号4 8 图3 一1 4 固有模态函数域滤波效果图4 8 图4 - l 过阻尼粒子在双势阱中运动5 3 图4 之d s - u w b 信号5 7 图4 - 3t h - u w b 信号s ( f ) 不变，调节输入噪声强度，系统输出x ( o 的波形5 8 图4 _ 4l a n g e v i n 系统功能框图6 3 图4 5 c c i o 相关系数与参数瓦，豫弛时间l 的关系曲线6 4 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 _ 6 输入d s - u w b 信号，s n r = 一5 d b 的仿真结果6 6 图4 0 输入d 孓- u w b 信号，鼢吃= 一l o d b 的仿真结果。6 7 图4 趣输入d s - u w b 信号，飘= 一1 4 8 6 d b 的仿真结果6 8 图4 9 输入d s - u w b 信号，繇h 0 = 一1 7 d b 的仿真结果6 9 图和1 0 输入无噪声的t h - u w b 波形6 9 图4 - l ls n r 。, = 一l o d b 的t h - u w b 仿真结果7 0 图4 - 1 2 鼢= 一1 7 d b 的t h - u w b 仿真结果7 l 图4 - 1 3 基于p a s r 的码序列检测器一7 2 图4 - 1 4 不同输入信噪比情况下p n 码序列的检测性能7 5 图4 - 1 5 采样频率对p a s r 码序列检测性能影响，鼢q k = - 2 6 d b 7 5 图4 _ 1 6 非线性随机共振检测器的组成框图。7 6 图4 - 1 7 多时窗并行检测器的框图。7 6 图4 _ 1 8 四种检测器的r o c 曲线7 8 图扣1 9p a s r 后相关方法框图7 8 图4 - 2 0 不同采样频率情况下，相关后p a s r 检测器码序列估计的性能8 0 图5 - l 发射比特一0 时的波形9 7 图5 - 2 发射比特一0 的波形加上高斯白噪声后的情况9 7 图s n r 。= 一1 5 d b ，积累1 0 0 0 个窗的d s - - - u w b 信号p a c a 的输出结果9 8 图“s n r 。= 一1 5 d b ，积累1 0 0 0 0 个窗的d s - u w b 信号p a c a 的输出结果9 8 图5 _ 5 发射t h _ iy w b 波形9 9 图5 _ 6 ( s n rk = 一1 5 d b ，t = 2 1 0 n s ，m = 2 x 1 0 时，b ( f ) f 曲线9 9 图5 _ 7 图2 的局部放大( 以f = l o o n s 处为中心) 1 0 0 图5 8 图3 的局部放大( 以f = l o o n s 处为中心) 1 0 0 图o ld s - - u w b 信号特征值。1 1 3 图6 之d s _ u w b 信号相关矩阵1 1 4 图d s - u w b 信号相关矩阵r 的特征向量p 。1 1 4 图6 _ 4d s u w b 信号恢复后的码序列波形1 1 4 图乒5 没有噪声情形下一个帧周期内完整的p n 序列波形p ( f ) 1 1 5 图6 巧恢复后的p n 序列的前3 个脉冲放大后的情形1 1 5 图6 - 7 图6 _ 5 中前3 个脉冲放大后的波形1 1 5 图锚一个字符周期内的发射波形l1 6 图6 - 9 非同步情况下r 的前5 0 个最大特征值1 1 7 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图6 - - 1 0 从上到下，分别是第一个、第二个特征值对应的特征向量u ”u ，1 1 7 图6 - - 1 1 从上到下，分别是第三个、第四个特征值对应的特征向量u ，。1 1 7 图6 - 1 2 同步情况下r 的前5 0 个较大特征值。1 1 8 图6 - - - 1 3 同步时，从上到下，分别是最大特征值对应的特征向量p ：p 1 l g 图6 - 1 4 码序列波形的理论误差曲线1 1 9 图6 - 1 5 理论误差和实测误差1 2 0 第v i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 学位论文作者签 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：韭佥笠整壹堂进邀歪垡电焦曼捡趔挂苤盈窒 学位论文作者签名：逊憋日期：琊年勿月乡日 作者指导教师摊：錾峥日期：2 卯占年，。月3 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 本章先给出超宽带( u w b ，u l t r aw i d eb a n d ) 和超宽带冲激无线电的基本概 念，然后总结u w b 通信理论和装备的研究现状，分析了已经用于或将来可能用于 低截获概率信号检测的技术，最后介绍了本文的工作。 1 1 1u w b 的定义【5 罔 1 1u w b 基本概念f 6 i 早在1 9 8 9 年，美国国防部( d o d ，d e p a r t m e n to f d e f e r i s e ) 把u w b 定义为绝 对带宽至少为1 5 g h z ，或一2 0 d b 相对带宽超过2 5 的系统【5 1 。 1 9 9 8 年美国联邦通信委员会( f c c ，f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 制 定并公布了u w b 的相关规则和协议，它对u w b 的定义与国防部的定义有所区别。 第一个报告和规定( r & o ：f i r s tr e p o r ta n do r d e r ) 于2 0 0 2 年2 月1 4 日颁布，并于 同年4 月实施 6 1 。r & o 定义了三种u w b 系统：图像系统、通信和测量系统、车 载雷达系统。 f c c ( 2 0 0 2 ) 所定义的超宽带无线电( u w br a d i o ) 信号，是指相对带宽b f 匕 大于o 2 0 或绝对带宽口咒大于5 0 0 m h z 的电磁波信号。令名，疋分别是功率谱密 度衰减为一1 0 据点对应的上限频率和下限频率，绝对带宽定义为b 玎名= 厂一疗， 骨砑5 ， 相对带宽( 也称分数带宽) 定义为b 彬= 1 = 产。根据文献【6 】，当u w b 系统 旦= ! 量 2 中心频率正 2 5 g h z ，要满足f c c 超宽带的定义，需要一l o 棚带宽至少5 0 0 m h z ； 当u w b 系统f c 手持或组网的l p i d 战术无线电； 非视线( n o n l o s ) l p i d 地波通信： l p i d 测高雷达，l p i d 避障雷达； 入侵检测雷达( i n t r u s i o nd e t e c t i o nr a d a r ) ； 精确定位系统： l p i d 无人机数据链( u a v u g v ) ； 近距离引信( p r o x i m i t yf u z e s ) ： l p i d 无线内部通信系统。 1 2 1 2 商业应用 巨大的“新带宽”空前满足了无线通信、无线网络、雷达成像和定位系统在 低功耗应用场合的需求【”】。在商业无线通信中，f c c 规定很低的功率( 低于 - 4 1 3d b m ) ，允许u w b 系统、全球定位系统( g p s ：g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 和i e e e8 0 2 1 l 无线局域网( w l a n s ：w i r e l e s sl o c a la l e an e t w o r k s ) 共同分享 3 6 1 0 i g h z 的带宽。尽管u w b 信号在高功率时，可以传输更远的距离，但当前 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 f c c 规则仅授权了低功率短距离的高数据率传输，在1 0 1 5 m 的距离实现1 1 0 m b p s 数据率传输。1 e e e8 0 2 1 5 工作组负责制定室内( 家庭和办公室) u w b 无线多媒 体传输规则。和无线蜂窝系统频率再利用相似，低功率、短距离u w b 通信也能提 供高的空间通信容量( 空间通信容量指每秒每平方米上的比特数) 。u w b 在商业 上的主要应用包括： 高速( 大于2 0 m b s ) w l a n s ； 商业飞行器中的测高雷达，避障雷达； 避撞传感器； 附属应用( 智能传输系统，电子签名，其它智能应用) ； 精确定位系统； 工业射频监视系统。 1 2 2u w b 军用装备研究现状 主要用于通信和定位目的的u w b 数字接收机的研究机构有：麻省理工学院、 南加利福尼亚大学超宽带无线电通信实验室、加州大学伯克利分校u w b 工作组、 i n t e l 公司、多谱公司( m s s i ) 、时域( n m e d o m a i n ) 公司、a e t h e rw i r e & l o c a t i 0 1 1 公司等。其中多谱公司和时域公司仅致力于冲激无线电方面的研发，承接军方和 政府的研究项目较多。u w b 技术研究涉及u w b 信号的产生、调制、辐射、传播、 检测等诸多方面。多谱公司以开发通信解决方案和高清晰度雷达见长，目前已成 功开发多种军用超宽带无线通信、定位系统，工作频段包括：3 0 5 0 m h z 2 2 5 4 0 0 m h z ，1 3 0 0 1 7 0 0 m h z , 2 2 0 0 2 7 0 0 m h z ，5 4 0 0 5 9 0 0 m h z 9 0 0 0 1 1 0 0 0 m h z ， 信号带宽为2 0 2 0 0 0 m h z 。 1 2 2 1u w b 在无人机上的应用“。制 u w b 在无人机上主要应用在避撞雷达、测高雷达和高速数据链路三个方面。 多谱公司推出了c 波段避撞避障( c o l l i s i o na v o i d a n c e ，o b s t a c l ea v o i d a n c e ) 雷 达，频段为5 4 5 9 g h z ，5 0 0 m h z 瞬时带宽，8 9 分数带宽。在0 2 5 w 额定峰值 功率、5 微瓦的平均功率、1 0 k p p s ( 每秒1 万个脉冲) 情况下，实现3 0 0 英尺( 约 9 0 米) 的探测距离。 多谱公司研制了l 一波段高度计，频段为1 3 1 7 g h z ，4 0 0 t z 瞬时带宽，2 7 分数带宽。采用1 w 峰值功率、2 5 微瓦平均功率( 占空比为4 x 1 0 4 量级) 、每秒1 万个脉冲；大约5 0 0 0 英尺( 1 5 0 0 米) 的作用距离，1 英尺( 3 0 厘米) 的分辨率。 多谱公司在2 0 0 0 年实现了无人驾驶汽车( u g v ) 和无人机( u a v ) 的u w b 高速 数据链路。上下行链路均采用c 波段，4 0 0 m h z 的瞬时带宽，2 7 的相对带宽。采 第5 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 用t d m a 分组突发方式，上行传输地面站对无人机的命令和控制信号，传输速率为 1 1 5 2 k b p s ；下行传输视频信号，速率为l - - 2 5 m b p s 。额定峰值功率为2 w ，采用全 向天线，视距( l o s ) 通信距离大于5 英里( 约8 公里) 。 图1 1 多谱公司的无人机数据链路设备和“掠食者无人机” 2 0 0 5 财年，美国海军在“小型创新研究项目( s b 吸：s m a i lb u s i n e s si n n o v a t i o n r e s e a r c h ) ”中也资助了时域公司无人机高速数据链路的研究。这就是代号为“n 0 5 l 一0 2 9 1 3 7 1 ”的“低截获概率低检测概率( l p i l p d ) 数据链”项目。该项目要 实现无人机到地面站的3 0 公里的u 髓无线电通信链路“”。从无人机( u a v ) 到地 面下行主要传输音频、数据和视频；从地面到无人机的上行链路可以传输命令和 控制指令。该方案考虑到了几种关键技术，包括使用体积小、重量轻的天线阵， 高增益小方向性天线，比如圆盘单极天线( 2 1 2 g h z 带宽，每个天线增益为5 7 d b i ) 或腔体宽带双极天线；宽带低功率谱信号设计技术；高精度快速捕获技术；多个 瞬时高速相关采样通道技术。 在该项目之前，时域公司已经实验论证了几个长距离地一地视线( l o s ) 地面 站一无人机链路，采用了高增益的全向天线，近似距离为1 5 公里的u w b 通信。近 距离实验方面，时域公司采用非常小的全向天线，有效全向辐射功率( e i r p ) 为 9 5 d b m = 9 r o w 。验证了地面站一无人机的视线( l o s ) 通信系统，距离约为l 公 里。 1 2 2 2u w b 在军事短波通信中应用 多谱公司开发了一套短波u w b 通信电台，开辟了v h f 频段军用短波电台的 新途径。频率为3 0 一4 5 m h z ，4 0 的分数带宽，利用地表面地波传播的非视线 ( n o n l o s ) 无线电。半双工，采用前向分组时延模型，实现1 2 8 k b p s ( c v s d 语音) ，1 1 5 2 k b p s ( 数据) 通信。1 0 3 5 瓦的峰值功率情况下，采用全向天线， 实现非视距通信距离大于1 0 英里( 1 6 公里) ，通信距离与地形有关。若用海水作 为介质，性能有大的改善。 第6 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 4 0 i r a e n o n a lb w t _ 哪一 i ，、j 。 h一_ f f l f o 比 一 1 0 0 l l z 图l 一2 多谱公司研发的u w b 短波电台的功率谱和电台 1 2 2 3u w b 在精确定位中应用 多谱公司所披露的有源定位设备参数为：时差定位；l 波段，4 0 0 m h z 瞬时带 宽，2 7 分数带宽。脉冲采取分组突发方式，1 0 0 次更新，秒。4 w 峰值功率，可以 实现低于l 英尺的分辨力，作用距离为室外达到2 公