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: