Я.В. Алексакина1, Г.С. Воронков2, А.Х. Султанов3, И.В. Кузнецов4

1-4 Уфимский университет науки и технологий (г. Уфа, Россия)

1 alelsakinayv@uust.ru; 2 voronkov.gs@ugatu.su; 3 sultanov.ah@ugatu.su; 4 kuznecov.iv@ugatu.su

Постановка проблемы. В сверхширокополосных (UWB) системах передачи информации и позиционирования, использующих импульсные сигналы с длительностью порядка наносекунд, распределенные в частотном диапазоне 3…10 ГГц согласно международному стандарту IEEE 802.15.4a, критически важное значение для обеспечения производительности имеет выбор формы импульса. Несмотря на практическую значимость этого выбора, строгое математическое сравнение гауссовского импульса и моноимпульса (первой производной гауссиана) на основе первых принципов отсутствует. В большинстве исследований используются или упрощенные модели приемника (например, согласованный фильтр в частотной области без учета динамики приемника) или проводят численное моделирование без получения аналитических выражений.

Цель. Представить полные аналитические выражения для вероятности ошибки при обнаружении гауссовского импульса и моноимпульса в приемнике на основе решения уравнения Фоккера-Планка, выявить механизмы преимущества моноимпульса и определить оптимальные параметры детектора для каждого типа импульса.

Результаты. Получены аналитические выражения для среднего отклика, дисперсии шума и вероятности ошибки при оптимальном детектировании. Проведен сравнительный анализ гауссовского импульса и моноимпульса с использованием стохастической модели приемника в виде RC-интегратора с аддитивным белым гауссовым шумом. Установлено, что моноимпульс обеспечивает превосходство по отношению сигнал/шум на 6–8 децибел в зависимости от длительности импульса, а также уменьшает вероятность ошибки. Определены оптимальные моменты отсчета выходного сигнала для рассматриваемых импульсов. Выявлены физические механизмы преимущества моноимпульса. Даны рекомендации по применению моноимпульсных сигналов при проектировании высокочувствительных приемников с трансимпедансными усилителями.

Практическая значимость. Представленные результаты обосновывают выбор моноимпульса в качестве предпочтительной формы сигнала для повышения чувствительности и помехоустойчивости систем позиционирования.

Алексакина Я.В., Воронков Г.С., Султанов А.Х., Кузнецов И.В. Сравнительный анализ моноимпульса и гауссовского импульса в UWB-системах на основе уравнения Фоккера-Планка // Радиотехника. 2026. Т. 90. № 6. С. 76−89. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202606-08

1. IEEE Standard for Information technology. Local and metropolitan area networks. Specific requirements. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs): Amendment 1: Add Alternate PHYs // IEEE Std 802.15.4a-2007 (Amendment to IEEE Std 802.15.4-2006). 2007. Р. 1–210.
2. Wu K., Rahman M. Pulse generation and compression techniques for microwave electronics and ultrafast systems // Electromag. Sci. 2023. V. 1. № 1. P. 1–24.
3. Liu F., et al. Fundamental limits of pulse-based UWB ISAC systems: a parameter estimation perspective // IEEE Internet Things J. 2025. V. 12. № 23. P. 49387–49401.
4. IEEE Standard for Low-Rate Wireless Networks. Amendment 1: Enhanced Ultra Wideband (UWB) Physical Layers (PHYs) and Associated Ranging Techniques. IEEE.
5. Rahman M., Wu K. A Reconfigurable picosecond pulse generator in non-linear transmission line for impulse radar ultrawideband applications // IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. 2022. V. 32. № 5. P. 448–451.
6. Feghhi R., Winter R., Rambabu K. A high-performance UWB Gaussian pulse generator: analysis and design // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2022. V. 70. № 6. P. 3257–3268.
7. Bai R., et al. Analyzing ultrawideband electromagnetic problems by time-domain electric field integral equations // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2024. V. 23. № 6. P. 1899–1903.
8. Hammouch N., et al. A low-cost UWB microwave imaging system for early-stage breast cancer detection // Multimed Tools Appl. 2024. V. 84. № 17. P. 17329–17360.
9. Taki H., Abou-Rjeily C. Spectrally efficient IR-UWB pulse designs based on linear combinations of Gaussian Derivatives // Telecommun Syst. 2022. V. 81. № 2. P. 269–288.
10. Wang Z. UWB signal generation and transmission technology // 2023 3rd International Conference on Electronic Information Engineering and Computer Science (EIECS). Changchun. China. IEEE. 2023. P. 989–992.
11. Xu C., et al. Two-tier frequency-domain equalization for ultra-wideband integrated sensing and communication // IEEE Trans. Veh. Technol. 2025. P. 1–14.
12. Wentzloff D.D., Chandrakasan A.P. Gaussian pulse Generators for subbanded ultra-wideband transmitters // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2006. V. 54. № 4. P. 1647–1655.
13. Rahman M., Wu K. A picosecond ultrafast pulse generation featuring switchable operation between monocycle and doublet pulses // 2022 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium. IMS 2022. Denver CO. USA. IEEE. 2022. P. 56–59.
14. Fiser O., et al. UWB bowtie antenna for medical microwave imaging applications // IEEE Trans. Antennas Propagat. 2022. V. 70. № 7. P. 5357–5372.
15. Termos H., Mansour A. Concurrent M-QAM transmission performance assessment in a combined four SOA-MZIs arrangement // Optics and Lasers in Engineering. 2024. V. 176. P. 108110.
16. Proakis J.G., Salehi M. Digital communications. 5. ed. Boston -Mass.: McGraw-Hill. 2008. 1150 p.
17. Noh J. A capacitive feedback transimpedance amplifier with a DC feedback loop using a transistor for high DC dynamic range // Sensors. 2020. V. 20. № 17. P. 4716.
18. Rajabzadeh M., et al. Comparison study of integrated potentiostats: resistive-TIA, capacitive-TIA, CT ΣΔ modulator // 2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). Florence: IEEE. 2018. P. 1–5.
19. Haberle M., et al. An integrator-differentiator TIA using a multi-element pseudo-resistor in its DC servo loop for enhanced noise performance // ESSCIRC 2018. IEEE 44th European Solid State Circuits Conference (ESSCIRC). Dresden: IEEE. 2018. P. 294–297.
20. Aburass S. Gaussian-modulated sine wave // 2024 International Conference on Electrical, Computer and Energy Technologies (ICECET). Sydney. Australia: IEEE. 2024. P. 1–6.
21. Naheem K., Kim M.S. A Low-cost foot-placed UWB and IMU fusion-based indoor pedestrian tracking system for IoT applications // Sensors. 2022. V. 22. № 21. P. 8160.