（物理电子学专业论文）超宽带探测雷达.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 白超宽带( u w b ) 技术被提出以来，由于超宽带信号独特的传播特性，超宽 带技术有了越来越广泛的应用。超宽带探测雷达是基于超宽带技术的重用应用之 一。与传统连续波探测雷达相比，其有着定位精度高，保密性好，功耗低，成本 低等优势，是本文所要研究的课题。 本文首先介绍了超宽带信号传输的信道特征，并给出了一种超宽带离散信道模 型的建立方法，该离散模型可以更好的评估超宽带信道特征。此后，文章基于该 方法提出了一种电路模型的设计方案便于设计超宽带收发电路。最后，本文着重 介绍了一种超宽带探测雷达的设计方案，该雷达充分了超宽带信号的高分辨特征， 通过延时扫描方法实现目标的定位和实时跟踪，并可以探测人体的生命特征信息。 文章给出了大量的数据仿真和实验测量结果，从中可以看出本文的研究成果有 着良好的科研价值和应用前景。 关键字：超宽带，雷达，信道模型，目标探测 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b st l a o t s i n c et h eu l t r a w i d eb a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yh a sb e e ni n t r o d u c e d ，i th a sb e c o m e m o r ea n dm o r ew i d e l yu s e dd u et ot h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eu l t r a w i d e b a n d s i g n a lp r o p a g a t i o n t h eu w bd e t e c t i o nr a d a ri so n eo fs i g n i f i c a n ta p p l i c a t i o n si n u w b t e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lc o n t i n u e sw a v er a d a r s ，t h eu w b p u l s er a d a rh a si t so w na d v a n t a g e ss u c ha sh i g ha c c u r a c y , f i n ec o n f i d e n t i a l i t y , l o w p o w e rc o n s u m p t i o na n dl o wc o s t f i r s t ，an e wm e t h o df o rb u i l d i n gt h ed i s c r e t et i m eu w bc h a n n e lm o d e lw a s p r o p o s e d i tc a np r o v i d eag o o du w bc h a n n e ld i s c r e t em o d e li nt h ee s t i m a t i o no f c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s b a s e do nt h i sn e wm o d e l ，t h ep a p e ra l s op r o p o s e dac i r c u i t s i m u l a t i o nm o d e lt od e s i g nt h eu w bc i r c u i t a tl a s t ，ak i n do fu w bd e t e c t i o nr a d a r w a sd e v e l o p e d i tc a nl o c a t ea n dt r a c kt a r g e t sa n dd e t e c tt h el i f ei n f o r m a t i o no fh u m a n b e i n g s t h ep a p e ra l s op r e s e n t e dal o to fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw h i c h p r o v e dt h a tt h er e s e a r c h o ft h i s p a p e rh a sag o o ds c i e n t i f i cr e s e a r c hv a l u ea n d a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：u l t r a - w i d eb a n d ，r a d a r , c h a n n e lm o d e l ，o b j e c td e t e c t i o n 浙江大学硬士学位论文图表目录 图表目录 图1 1 超宽带信号定义2 图1 2 超宽带脉冲及其功率谱2 图1 3 视距环境下归一化距离的接收波形5 图2 1 新离散模型c m 4 环境下的仿真实现13 图2 2 超宽带信道电路模型框图1 4 图2 3 簇径延时器1 5 图2 4 到达幅度判决器1 5 图2 5 多路信号合并1 6 图2 6 超宽带信道电路模型原理图1 6 图2 7 c m l 下电路模型仿真结果1 7 图3 1 超宽带探测雷达系统框图1 9 图3 2 雪崩管脉冲发生器2 1 图3 3 阶跃恢复管脉冲发生器2 1 图3 4 脉冲发生电路2 2 图3 5 脉冲发生电路板与脉冲波形2 2 图3 6 门限边沿检测机2 3 图3 7 相关接收机原理图2 4 图3 8 脉冲采样电路2 4 图3 9 延时电路2 5 图3 1 0 系统软件框图2 6 图3 1 1 超宽带雷达软件界面2 7 图4 1 一维静态目标探测流程图3 4 图4 2 一维目标探测3 6 图4 3 一维动态目标探测流程图3 7 图4 4 一维目标探测结果4 1 图4 5 二维探测原理图4 3 图4 6 二维目标测试实验及结果4 5 图4 7 生命探测结果4 6 图4 8 扫描法生命探测结果4 7 表2 1 四种环境下簇、径时间间隔1 0 表2 2 视距条件下b 的概率分布1 1 表2 3 非视距条件下b 的概率分布1 1 表2 4 不同模型估算下的环境参数1 3 表3 1 超宽带探测雷达主要模块及参数2 0 表4 1 减小扫描时间方案及其影响3 9 浙江大学硕士学位论文术语表 术语表 术语描述 u w b 超宽带 i r脉冲无线电技术 u w b t w d r超宽带穿墙雷达 n l o s 非视距环境 l o s视距环境 r m sd e l a y均方根延时 p d p功率衰减轮廓 v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。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 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝堑盔堂或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者张美急坂签字魄 抄u 年岁月c 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可 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和传播，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：关免钣 签字日期：z j 阳年弓月 7 日 导师始毛声 签字日期：z 易p 年3 月 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 时间总是很快，不知不觉即将就要结束在浙江大学从本科到硕士的7 年的学 习生涯，这篇毕业论文算是过去的2 年有余的研究生学习生活的一个缩影，2 年 的学习与研究，或者更前的时间，都希望能借助这篇论文画上一个完满的休止符。 然而这若干年的时间中，所学所知又绝非这一篇文章所能尽述。那些老师，挚友， 同学的帮助与照顾，衷心感谢! 首先我要由衷感谢我的导师，王勇副教授。本论文是在王老师的悉心指导下 完成的。从本科3 年级开始，我便进入实验室在王老师的教导下学会了诸多的理 论知识和实践能力。从研究生阶段开始，我跟着王老师开始了超宽带技术方面的 学习研究，在文章所述的所有工作中，王老师无不亲身亲历给予指导和帮助，我 也其身上，学习到了基本的思考方式和研究方法，在此，我表示最衷心的感谢。 其次，我要感谢实验室的两位师弟，李斌和傅唯威。其在本文所述的电路模 型，软件设计和生命探测等方面中做出了重要工作和给予了极大的协助。没有你 们的帮助和工作我也无法完成这篇论文。 最后，感谢我的父母和家人。是你们默默付出支持我鼓励我完成整个学习生 涯，你们永远是我前进的最大动力! 吴忠敏 2 0 1 0 年1 月2 2 日 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 超宽带概述 1 1 1 超宽带历史背景 一百年前，世界上最早无线电通信一一马克尼电报本质上也可以看作是最早 的超宽带通信系统，其发射的电火隙的瞬时带宽远远超出了其所要传送信息的数 据率1 1 。现代意义的超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，u w b ) 技术起源于2 0 世纪6 0 年 代的时域电磁学。同时，窄脉冲的发生，采样器件和设备的研制也有了突破进展。 到了7 0 年代早期，最基本的u w b 雷达和通信系统也随着电子器件技术的发展而 发展起来。1 9 7 4 年，g e o p h y s i c a ls u r v e ys y s t e m s 公司研制第一台基于超宽带的探 地雷达已经进入商业化运用，1 9 9 4 年，l a w r e n c el i v e r m o r e 的m c e w a n 首次研制 出了简便，廉价，低功耗微功率脉冲雷达。1 9 8 9 年美国国防部定义了“超宽带” 这一术语用以描述基于脉冲收发的通信系统，而此技术也基本限于军事、灾害救 援搜索雷达定位及测距等方面，其研究和和应用一直在美国军方的支持下秘密进 行【2 1 。直至上个世纪末，u w b 技术逐渐转向民用，关于u w b 技术各个方面的研 究逐渐深入开展起来。 2 0 0 2 年2 月美国联邦通信委员会批准超宽带技术进入民用领域【3 1 ，。i e e e 专 门成立了小组8 0 2 1 5 3 a 来制定基于超宽带技术的无线个人区域网( w i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k s ，w p a n ) 的物理层替代标准。为了促进并规范u w b 技 术发展，f c c 发布了u w b 无线设备的初步规定【3 1 并重新对u w b 做了定义。根 据此定义，u w b 是指信号在1 0 d b 处的绝对带宽大于0 5 g h z 或分数带宽大于 2 0 ，如图1 1 。 f c c 关于u w b 的定义为： 华 2 0 j c ( 1 1 ) 上式中，届和 分别为功率较峰值功率下降1 0d b 时对应的高端频率和低端 频率，而不是通常所定义的3 d b 带宽，厶为载波频率或中心频率。 浙江大学硕士学位论文绪论 鑫 毫 ，、 篁 c a 窭 譬 鼠 仂 每 o 厶 f r e q u e n c y h z 图1 1 超宽带信号定义 超宽带系统有2 种实现方式：一种是通过脉冲无线电技术( i m p u l s er a d i o ，i r ) ， 即发送时间宽度极窄的脉冲，称为i r u w b 系统【4 1 ，另一种是利用多载波技术 ( m u l t i c a r r i e r ) ，称为m c u w b 系统。与传统系统使用连续波不同，i r u w b 系 统采用窄脉冲传送信息，一般脉冲的持续时间只有纳秒甚至皮秒数量级，因此信 号的频谱很宽，高达几g h z 甚至几十g h z ，而功率谱密度很小，具有扩频通信 的特点，如图1 2 所示，a 为宽度几百皮秒的高斯脉冲，b 为此脉冲的功率谱。 a 超宽带脉) 中时域波形 b 超宽带脉冲功率谱 图1 2 超宽带脉冲及其功率谱 。 与 加 帕 娜 氆 钟 m、ht 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 2 超宽带技术特性 不同与传统的载波调制技术，超宽带系统有着自身的特点，比起传统系统主 要有以下优势： 1 ) 超大的瞬时带宽可以为网络时间分集，精确定位或雷达探测提供高的时间分辨 率。 2 ) 超短时间的脉冲可以在多径环境中提取更多可分辨的径，从而提高系统性能。 3 ) 超低的功率普密度可以使其和现有窄带系统共存，且极小概率的被干扰或截取。 以窄带甚至一般宽带系统的设计准则来设计超宽带系统都会带来很多问题， 主要体现在以下方面： a ) 时域设计 在u w b 系统中，时域上的影响主要包括频率相关的脉冲畸变，天线引起的 脉冲色散以及非理想晶振产生的定时抖动。在传统的系统设计中，这些瞬时的时 域效应只占这个设计中很小的一部分甚至完全被忽略。而在u w b 系统中，这些 问题将影响到整个系统的性能，如定时抖动，因为脉冲持续时间极短，稍许的时 间偏差，直接影响u w b 接收机的同步相关输出。 b ) 天线设计 对于u w b 系统，设计出合适的u w b 天线以保证u w b 脉冲信号的优越性得 以体现是设计u w b 系统另一个重要课题。不同于窄带天线，理想的u w b 天线 要求在相当大的带宽内都能保持电压驻波比在2 ：1 以下。为了能够发送持续时间 纳秒至皮秒级别的脉冲波形而不变形，理想的u w b 天线还要求在相当大的频带 范围内有着恒定的幅度谱以及线性的相位谱。实际设计中，出于体积和成本的限 制，一般很难设计出完全满足上述条件的u w b 天线，此时可将天线对u w b 脉 冲信号的影响9 3 结到信道影响当中，进行信道与天线的一体化设计。 c ) 传输和信道模型 为了设计出u w b 系统，u w b 信号的传输特性必须被考虑进来。与窄带信号 不同，超宽带不会受到重叠干扰，且拥有大量的可分辨的多径信号成份。此外， 超宽带信号的传输特性受到脉冲由于天线引起的形变以及脉冲的时间长度的影响。 无论是设计天线还是设计超宽带的收发系统，都需要对超宽带信号信道有充分的 研究。m o ew i n 等人对此作了大量的实验测量和理论研究5 。】，i e e e8 0 2 1 5 3 a 工 浙江大学硕士学位论文绪论 作小组也给出了一份在室内居住和办公环境下的3 1 0 g h z 超宽带信号的统计信道 模型的报告【8 1 。 d ) 发射和接收设计 u w b 系统的r f 设计与传统的窄带和宽带系统有着多方面的不同。u w b 信 号的极大的带宽要求r f 器件必须拥有平坦的频率相应，任何明显的频谱上的波 纹和起伏以及器件的非线性效应都会带来u w b 信号的变形。此外，u w b 信号有 着极大的峰均比( p e a k t o a v e r a g er a t e ) ，因而r f 器件必须有着较大的功率余量。 由于u w b 系统要与现有的窄带系统共存，因此窄带信号会对超宽带接收带来干 扰。而大部分的u w b 系统需要接收机和发射机保持精确的同步，这同样需要高 精度的晶振来保证。 e ) 难以使用d s p 技术 设计u w b 发射系统远比设计u w b 接收系统简便，对于i r u w b 系统，如 图1 2 所示，信号持续时间仅几百皮秒，带宽高达1 0 g h z ，根据奈奎斯特采样定 律，若仍然采用成熟的d s p 技术，需要2 0 g h z 以上的采样频率才能恢复脉冲信 号原貌，只有最先进的f p g a ，a s i c 等高速d s p 器件才能满足要求。而另一方 面，a d 转换也将成为瓶颈，而一般量产商业运用的a d 的输入带宽都在1 g h z 以下。因此必须采用另外的方式来实现超宽带信号的接收，如相关接收机等。 1 2 超宽带信道模型 无线系统中接收到的信号通常是发送信号经衰减，延时，变形以及噪声干扰 后的结果，而这种接收信号和发送信号之间的关系，也通常称为“信道”。不同 与传统的窄带系统，超宽带信号有着极高带宽，多径分辨率高的特点，其信道特 征也和窄带系统有较大区别，为了更好的评估和设计超宽带收发系统，必须为超 宽带建立合适的信道模型。 1 2 1 大尺度模型 信道大尺度模型主要指信号随距离的衰减模型。这种大尺度衰减效应一般也 被称为路径损耗。路径损耗是电波传播过程中最基本的特性。传统的窄带信道中， 一般采用以f r i i s 传输方程为依据的自由空间模型用来预测接收到的信号功率。对 于某一固定频率，f r i i s 传输方程指出信号将会以收发天线距离的平方衰减。此外， 接收到的信号功率与信号频率的平方成反比。而对于超宽带信号，其信号带宽相 4 浙大学磺士学位论文 绪论 当大，必须考虑衰减的频率依赖性rmb u e h r e r 对此做了相关试验1 9 ，其采用 超宽带锥形天线发射2 0 0 p s 窄脉冲，并在视距环境( l o s ) 下的不同的距离外接 收脉冲，并采用时间门限的方式排除多径效应。且接收到的脉冲被归一化到相同 的距离下，如图1 3 所示。从图中可毗看出，在测量误差允许的范围内，所有的 距离下的波形都保持一致而没有形变，有此可以得到，u w b 信号在大尺度衰减 上也是频率无关的。因此传统的窄带信号的路径损耗模型也可以适用于超宽带信 号 图13 视距环境下归一化距离的接收波形 1 2 2 小尺度模型 超宽带信号的小尺度模型指信号在小尺度范围上的衰落以及由于多径效应带 来的波形失真。延就超宽带小尺度模型主要通过实验测量的方法，找出其统计特 性，建立统计模型一般超宽度主要应用短距场合，所以太尺度模型通常指距离 大干l m 的衰落，而小尺度模型指距离l m 内的衰落情况大尺度的传输特性可 以用来指导链路预算估计，而小尺度上的传输特性可以有助于设计合适的接收机。 1 9 9 5 年，m o ew i n 等人于u l t r al a b 做了大量超宽带信道的实验与剥量并给 出了实验的具体方案和测量结果0 i 。根据这些结果，文献1 1 - 1 3 分析计算了超宽带 信号的信道特征及信道参数，随后，各种依赖于实验测量数据的超宽带信道统计 学模型被相继提出【悼1 e e e8 0 2 1 53 a 工作小组也给出了一份在室内居住和办 公环境下的3 - 1 0 g h z 超宽带信号的统计信道模型的报告嘲 1 3 超宽带探测雷达 超宽带探测雷达( u w b - t w d r ) 是超宽带的重要应用之一，它可以对建筑物 淅江大学硕士学位论文绪论 内的目标进行非入侵式的探测定位，尤其对运动着的人目标有着较好的监测跟踪 作用，在军事、反恐甚至生命探测救援活动中有着良好的应用前景。 根据电磁波的传播特性，波长越长，穿透力越高，但长的波长会降低探测和 定位的精度，因此穿透性和分辨率是一对矛盾。根据休斯先进电磁研究中心 h a e t c ( h u g h e sa d v a n c e de l e c t r o m a g n e t i ct e c h n o l o g yc e n t e r ) 对电磁波在多种 介质中的穿透特性的测量研究可知【1 7 1 ：在低频段，在l 一1 0 g h z 范围的电磁波在 穿过混凝墙壁时衰减很小，并且随着频率的降低，衰减也在减少，其中在8 g h z 时衰减大约为1 0 d b ，在2 g h z 时衰减将下降到5 d b 以下。因此，低于1 0 g 的频 率适合对砖块和混凝土构筑的墙壁进行穿透探测。 超宽带探测雷达系统一般由超宽带信号发生器，发射机，接收机，收发天线 及相应的数据分析处理软件等部件组成。窄脉冲信号是比较成熟的超宽带信号， 其时间宽度仅为几百乃至几十皮秒，可以完全满足f c c 定义的超宽带信号带宽要 求，具有极低的功率谱密度，隐蔽性好等优点。接收机中，以发射信号为模板对 回波信号进行相关接收是常见的技术手段之一，具有高信噪比，高分辨率，抗干 扰能力强等特征。超宽带探测雷达系统中一般采用超宽带天线，如常见的双脊喇 叭天线等。与常规窄带雷达系统相比，超宽带雷达一般具有以下特点： 1 超宽带信号带宽高，功率谱密度低，可以被掩盖在其它设备噪声下，难易被 侦测。 2 超宽带雷达可以既是宽频又是低频，因此可以有很强的穿透力。 3 超宽带信号在是时域上的脉冲宽度极窄，因此有很高的距离分辨率力。 4 超宽带信号无需载波信号，可以简化系统结构，可以减小体积，节省功耗。 1 4 本论文的工作 本论文首先提出了一种新的超宽带小尺度信道模型的离散化方法，该方法已 i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组提出的连续信道模型为依据，运用统计学方法将其改为离 散化模型，并给出仿真结果。同时利用此离散模型，提出了一种在p s p i c e 里建 立超宽带信道电路仿真模型，该模型可以用于在p s p i c e 仿真软件里对超宽带收 一 发系统，超宽带天线进行一体化设计。其次，本文将着重介绍一种超宽带隔墙探 测雷达的设计方案，包括超宽带接收机与发射机的设计，系统的组建和探测原理， 以及数据的实时采集和处理算法。最后，文章会给出此探测雷达的实际实验结果。 浙江大学硕士学位论文绪论 1 5 本论文的章节安排 本文的章节及工作安排如下：第一章介绍了超宽带的历史背景，即本文研究的 超宽带雷达的背景及意义。第二章介绍了超宽带传输的信道模型及建立离散模型 和电路模型的方法。第三章给出了一种超宽带探测雷达系统的硬件和软件设计。 第四章给出了此超宽带雷达的具体应用和实验结果。第五章总结了本文工作并提 出了其中尚存在的问题和未来的工作要求。 浙江大学硕士学位论文超宽带室内离散信道模型 2 超宽带室内离散信道模型 超宽带( u w b ) 信号传播特性的测量和建模一直以来都是主要的研究议题。 1 2 2 中所述的信道模型作为连续时间模型，虽然同实验结果有着很高的一致性， 但在仿真，计算信道参数，构建电路模型方面却显得较为乏力。因此， i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组建议了一种离散连续模型的方法，但其局限性也比较明显， 如不够直接，缺乏数学表达式以及采样中损失了u w b 信号的高分辨率的特征。 本章将给出一种新的建立超宽带离散信道模型的方法，该方法保留了超宽带 信号的高分辨率特征，并给出了模型的二维冲击响应表达式。最后介绍了运用此 方法如何建立p s p i c e 中的电路仿真模型。 2 1 80 2 1 5 3 a 工作组模型 2 1 1 连续时间模型 i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组提出的统计模型为修正的s v 模型1 8 , 1 8 j 。尽管s v 模型 是针对非视距( n l o s ) 环境提出的，但补充上视距( l o s ) 信号成分后，也同样 可以应用于视距环境。该模型为一个如下的抽头延时线模型： h ( t ) = x t t k , 1 6 ( 一瓦一t ) ( 2 1 ) 其中，k 是每簇信号内径信号的总数，是簇信号的总数。此模型的最基本假 设是，多径信号成簇的到达，且簇和径的到达过程均被描述成泊松过程。因此第f 簇 信号的到达时n t z 可以表示为如下指数分布的随机变量： p ( t zl t z 一1 ) = a e 一以( 7 1 一r 卜1 ) 】，2 0( 2 2 ) 其s a 是簇平均到达率。同样，在一簇之内，第七径的到达时间t 引也可以表示 为如下指数分布的随机变量： p ( r k ，ii t k 一1 ，) = a 8 卜a ( f k , z - - t - k 一- ，z ) 】，k 0 ( 2 3 ) 其中a 是径平均到达率。簇信号以及每簇内的径信号的平均能量被认为是随时 间呈指数衰减，由此，多径信号在指定延时处的信号强度可以写作： 口r ，= p k ，f 磊风，l ( 2 4 ) 啪时i 】= t 2 0 e 辛考 ( 2 5 ) 其中2 0 表示第一簇，第一径的平均信号能量；p k , z 等概率的取1 或一1 表示信号 浙江大学硕士学位论文超宽带室内离散信道模型 到达时的正负极性；厂为簇信号衰减因子，y 表示每簇内径信号的衰减因子；室内 阴影效应由对数正态分布变量x 来表示。 2 1 2 采样离散法 i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组通过将上述连续时间统计模型的仿真结果进行采样的 方法，来得到离散化模型以方便计算一些重要的信道特征参数，如：平均过剩延 时( m e a ne x c e s sd e l a y ) ，均方根过剩延时( r m sd e l a y ) ，多径数( n u m b e ro f m u l t i p a t h c o m p o n e n t s ) 和功率衰减轮廓( p d p ) 。首先，将连续模型的时间轴量化成等间 隔的时间仓( t i m eb i n ) ，间隔大小为k j ，其中以是既定的分辨率，是一个合 适大小的整数。接着，被量化到同一时间仓内的信道冲击相应幅值相加作为这个 时间仓内的信号幅度。最后对得到的离散冲击响应作常规的离散时间信号处理， 如低通率波，带通滤波，1 n 倍的重采样等。由此便得到了一个离散时间隔为k 的 离散时间) 中击响应的仿真结果m 】，由于连续模型为统计模型，每次仿真实现有 不同结果，f 表示第i 次仿真实现。因此信道特征参数可以如下计算： 8 x c p s d p z n y e = 觜 ( 2 6 ) r m s d p l a y = ( 2 7 ) 肋p ( d 驴1 0 1 气呀v x 侄l o o 黝h z n i 丽) ( 2 8 ) 采样连续模型虽然是建立超宽带离散化模型的有效方法，但它的局限性也较 为明显。首先，离散化模型不能被直接建立，而必须先得到连续模型的仿真结果。 其次，模型缺乏明确的数学表达式，且8 0 2 1 5 3 a 工作组也没有给出离散时间隔得 确定方法。最后，由于上述方法将落在同一时间仓的值相加，叉对模型采样两次， 在一定程度上也损失了超宽带信号高分率的特征。 2 22 - i ) 超宽带离散模型 为了更好地建立离散超宽带信道模型，我们将超宽带信号传播的连续随机过 程直接转化为离散的随机过程。在i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组给出的统计模型里，簇 和径的到达过程均被描述为泊松过程，且各自独立。为了保持超宽带信号高分辨 浙江大学硕士学位论文超宽带室内离散信道模型 率的特征，新方法将分别处理这两个泊松过程，因此新模型将是一个二维的离散 冲击响应。泊松过程是一种特殊的计数过程，并有以下特性：( 1 ) x ( t ) = 0 ( 2 ) x ( c ) 有着独立固定的增量( 3 ) p ( c + a t ) 一x ( c ) = 1 】= , , l a t + o ( a t ) ( 4 ) p ( c + a t ) 一x ( 亡) = 2 】= o ( a t ) 。( 3 ) 和( 4 ) 表明，在给定的任意足够短的时 间间隔内，事件发生一次或不发生的概率将远远大于发生多次的概率，且出现的 概率强度为a 。同样，可以推导出在泊松过程里，连续事件发生的时f q 间隔是独 立的且符合相同的指数分布；而在给定长度的时间间隔t 内，事件出现的次数是期 望为a c 的泊松分布，即对s t 0 ，有： 啊) 叫s ) - - 7 1 h 砒等_ 0 ，1 ( 2 9 ) 在新的建模方法中，我们将利用这些统计特性来将连续的泊松过程变化外离 散的泊松过程。 2 2 1 确定离散时间f q 隔 新方法对时间间隔的要求是在给定的足够小的时间间隔a t 内，不会有超过一 簇或一径的信号到达。因此，时间f q 隔亡的大小可以通过假设在此间隔内到信号 到达一次的概率远大于到达两次的概率( 如1 0 0 倍) 并按照( 9 ) 式进行计算。为 了保留高分辨率的特征，我们分别计算簇过程和径过程的时间间隔。 鬻p x 芸a t ) 黜2 1 0 0 ( 2 1 0 ) ( c +一x ( 亡) = 一 、。7 裟px等at黜) 2 1 0 。 ( 2 1 1 ) ( c +一x ( 亡) = 一 、叫 其中c 表示径过程时f q 间隔，7 表示簇过程时间间隔。从式( 2 9 ) ( 2 1 1 ) ， 可以得m a t ，a t 的值依赖于平均到达率a ，以。表2 1 给出了不同环境下不同的c ， 7 。 表2 1 四种环境下簇、径时间间隔 c m lc m 2c m 3c m 4 a t ( n s 0 8 5 80 0 5o 2 9 50 2 9 5 o 0 0 80 0 40 0 0 9 50 0 0 9 a t ( n s ) ：t 0 浙江大学硕士学位论文 超宽带室内离散信道模型 2 2 2 确定信道冲击响应 离散信道冲击响应是一个如下的二维阵列： u m ，n 】= x p bf 阶】p m( 2 1 2 ) 其中，u m ，n 】表示第m 个簇时间间隔内第n 个径时间间隔内的响应，即 u m ，n 】= h ( m a t + n a t ) 。重写( 2 5 ) 式的厂，y ，岛= r a r ，= y a t ，簇和 径信号的信号衰减可以表示为： i 豇m 】l = 1 0 学，l 跏】l = 1 0 唑净 ( 2 1 3 ) 其中 7 1 - - - n o r m a l ( 0 ，吼) 一一1 0 1 n 1 2 0 一1 0m 砰i n l 0 ( 2 1 4 ) 9 1 t m = 弋面广一一百 他2 n o r m a l ( 0 ，a 2 ) ，- l o n y n 西l n l 0 ( 2 1 5 ) 2 川2 矿一百 b 是一个取值为0 或1 的随机变量，表示在特定的时间间隔信号是否到达。其 概率分布依赖于m ，n 以及接收机和发射机之间的视距情况。表2 2 及表2 3 给出 了详细结果。p 等概率的取l 或1 来表示信号由于反射等原因造成的相位极性随 机性。x 是室内阴影效应因子。 表2 2 视距条件下b 的概率分布 bm = 0m = 0m om o 孔= 0n o孔= 0，t 0 取1 的1a a t4 丁a a t a a 7 概率 表2 3 非视距条件下b 的概率分布 曰 l i t = = 0，l o 取1 的概率4 7 a c 以r 2 2 3 模型仿真方法 新方法的离散模型可以被直接仿真实现，而不需要先仿真连续模型再进行采 样，且仿真参数与8 0 2 1 5 3 a 提出的统计模型参数一致，方便应用。算法如下： 浙江大学硕士学位论文 超宽带室内离散信道模型 a 构造一个簇随机序列“m 】 对于n l o s f e ( c m 】= 1 ) = a a t 1 0 t e ( c m 】- o ) ：1 一脚o m 百 以及l o s f ，p ( c o 】= 1 ) = 1 p ( c m 】- 1 ) 刊凹o m 百l o g k p ( c 【m = o ) = 1 一a a t p ( c i 】= z ) 表示c f 】取值为x 0 9 概率，且对于任意0 9 m ，x 为1 或0 。 b 对每一个c i 】，构造一个随机序y f j r i ，n 】当c i 】= o 时，r i ，n 】恒为o ；否则，其 是取0 或1 的随机变量： r p ( r 【f ，0 】_ 1 ) = 1 p ( r 【i ，川_ 1 ) = 尬 1 胚百l o y c 【l 】= 1 lp ( r i ，n 】= 0 ) = 1 一l a t “洲= o o n 百l o y c 【f 】= o c 经a ，b 步骤后，我们得到了一个r i ，力的矩阵，由此我们可以继续得到二维的 离散信道冲击响应阵列u m ，n 】： f u i ，j 】= x p f i f l j 】 r i ，j 】- 1 【叭f ，j 】= 0r i ，力= 0 f f 】和p 】的值可以按照式( 2 1 4 ) 一( 2 1 5 ) 计算。至此，新离散模型的一个仿 真实现已经完成。 2 2 4 模型仿真结果 新方法建立的离散模型是一个二维模型，缺乏直观图像。通过将二维矩阵到 一维序列的转换( u m ，n 】= h ( m a t + n a t ) ) ，图1 给出了转换过后的c m 4 环境 下5 0 个样本实现的信道冲击响应。图2 1 给出了转换过后的c m 4 环境下信道冲 击响应的5 0 个冲击响应。 浙大学项士学位论支趣竟带室内离散信道模型 图2 i 新离散模型c m 4 环境下的仿真实现 计算信道模型特性参数的计算公式： - d e f y 。= u 2 m 可, a 丽( m 丽a t + n a t ) r m s d e l a y 2瓯币而面两j 面 j 豇币而厂 r 2 1 6 ) r 2 1 7 ) 表2 4 给出78 0 2 1 53 a 工作组给出的目标特性参数及新模型计算出的特性参 数和期望特性参数 袁24 不同模型估算下的环境参数 信道目标害羲 m e “d e l a y ， r m s d e l a y ，n s 乐高散化楗型 r m s d e l a y ，n s e c 新离教化模型 m d e l a y m r m $ d e l a y h 雠 2 3p s p i c e 电路仿真模型 由于在超宽带系统的电路设计中，尤其是超宽带接收机的设计中，往往需要 接收机能够了解信道情况，因此就需要有相应的电路模型来模拟信道，便于超宽 带收发系统的电路的协同设计和仿真以得到适合某种信道环境的最佳收发电路方 案根据2 22 中提出的2 - d 离散信道模型，本节提出一种能够用于建立超宽带 ( u w b ) 无线传输系统中的信道模型的电路仿真，可以使信道模型转换为电路元 件，实现和收发电路的协同仿真，以得到适台某种信道环境的最佳收发电路方案。 浙江大学硕士学位论文超宽带室内离散信道模型 2 3 1 电路模型原理 根据上文提出的2 d 离散泊松过程模型的思想，将原连续时间模型中的簇和 径到达情况分别采用固定的时间间隔进行了离散化，减少了模型的复杂度，解决 了随机时间在电路中难以实现的问题。在每个时间隔内，簇和径按照计算得出的 概率要么到达要么不到达，簇和径的幅度则由8 0 2 1 5 3 a 中给出的计算公式得到。 此外，对于超宽带模型中随机事件的模拟将通过p s p i c e 中的蒙特卡罗分析来实现。 图2 2 为电路模型框图： 图2 2 超宽带信道电路模型框图 如图2 2 所示，1 ) 电路模型首先构建一路串行的簇延时器，延时时f - j 即为簇过 程的离散时间间隔，且每个簇延时器的输出都将有一个抽头作为该簇内径模型的 输入。2 ) 每个簇抽头都将送入一个到达幅度判决器，此判决器的作用实现了2 d 离散化模型中对各个时间间隔内决定是否有簇径到达的功能，并且给出符合 8 0 2 1 5 3 a 中幅度概率分布的簇信号幅度。3 ) 簇内的径模型与簇模型类似，也是 由串行径延时器，径抽头，到达幅度判决器构成，最后所有的径抽头合并后输出。 2 3 2 电路模型实现 一、簇径延时器的p s p i c e 模型 在电路模型中我们用串联的一系列等时间延时的延时单元来描述理论模型中 的离散时间间隔，无论是簇还是径，我们都用同样的延时单元来表示，只是簇和 浙江大学硕士学位论文超宽带室内离散信道模型 径的延时值不一样。在p s p i c e 里我们利用a b m 库中的拉普拉斯模块来构建延时 模块( 图2 3 ) 。延时系统函数8 ( t 一c ) 的拉普拉斯变换me 一姐。，因此我们只需要在 拉普拉斯模块中改写s 域的表达式，即能得到延时指定时间的延时模块： 图2 3 簇径延时器 二、到达幅度判决器 在理论模型中，我们得到的最终表达式u 【m ，n 】- - x p bf 仇 卢m 】，由于此表达 式的信号幅度是有多个随机变量组成，由于在p s p i c e 中进行蒙特卡罗分析时要求 电路中所有随机器件的值都是按照同一分布的，为此我们必须得到各个随机变量 组合后的幅度分布函数。同时，从理论分布函数中我们可以看出，簇和径的幅度 分布同样都是对数正态分布，且是相互独立的。因此我们对每个延时抽头后都加 入一个到达幅度判决器，以确定该簇径是否到达以及到达后的簇幅度和簇内各 径幅度。到达幅度判决器的基本单元如图2 4 所示： 图2 4 到达幅度判决器 电阻r 1 ，r 2 和运放u 1 构成一个反向放大器，所不同的是，r 2 为b r e a k o u t 库中的电路模型，因此可以对此电路实现蒙特卡诺分析。为了得到各个随机变量 组合后的幅度分布函数。我们需要对原理论模型的m a t a l a b 仿真结果进行统计 分析，拟合出分布函数曲线，同时由于在p s p i c e 中要求自定义的分布函数区间 取值必须是( 1 ，1 ) 之间，因此我们还需要对得到的分布函数归一化。 三、抽头信号合并 浙江大学硕士学位论文 超宽带室内离散信道模型 多路抽头信号的合并由a b m 库中s u m 器件模型完成，重写此模型，可以实 现任意多路信号的合并输出，如图2 5 。 图2 5 多路信号合并 四、超宽带信道模型的电路仿真模型原理图 按照上文中的系统框图，组合以上各个模块即可完成超宽带信道模型电路模 型的搭建，如图2 6 所示： a 簇，径延时；幅度判决 b 多路抽头合并 图2 6 超宽带信道电路模型原理图 淅大学硬士学位论文超竟带童自离散信道摸型 由于整个原理囝较大，重复单元较多，这里只截取部分原理图，a 中表示为簇 延时单元( 左边纵向) 和每簇内的径延时单元( 横向) 。每个延时均有抽头连接到 到达幅度判决器，最后所有输出连接到b 中的相加嚣( 右) 中合并输出。 23 3 电路模型仿真 一、仿真设置 在理论的离散化模型中，可以将离散时闻间隔考虑得充分小，如表1 所示。 但在实际系统中很难达到如此的时间精度，因此我们在电路仿真模型中将采用比 表1 所示更大的离散时间问隔，以c m i 环境为例，我们仍取a t - 08 n s ，测按照 8 0 21 53 a 中建议的离散采样频率取o2 n s 。同时按照事先计算好的幅度均值，设 置图8 中到达幅度判决嚣中的电阻平均值，即每过一个延时单元，径判决器阻值 为前一个的e 1 址倍，簇阻值为e - r t t 倍y ，r 为8 0 2 1 53 a 中给出的衰减日子。最 后设置蒙特卡罗分析，如需要得到的样本数，前文所述的c m l 下幅度的分布函 数等 二，仿真结果 在实际情况中，超宽带的信号的过剩延时一般在2 0 0 3 0 0 n s ，按照8 0 2 1 53 a 中建议的离散时间闻隔也需要上千个延时单元，为此我们可以考虑较短的时间内 信道情况，或分时间段的去考虑。圉2 7 为5 0 n s 内的信道的电路仿真模型的p s p i e e 结果，与图2 1 的m a t a l a b 仿真结果类似，每种颜色代表一个样本实班。为了 更加直观，此仿真中我们增大了c m i 环境下的衰减系数，使其在5 0 n s 内能观察 到明显的信道衰减，以验证模型的有效性。 圉2 7 c m l 下电路模型仿真结果 浙江大学硕士学位论文超宽带室内离散信道模型 2 4 本章小结 本章介绍了超宽带的信道模型，以及新的离散化模型方法，运用信道模型可 以帮助我们更好的分析，处理超宽带信号，最后提到的电路模型还可以帮助我们 更好的设计超宽带收发电路，本章的内容将对后面章节的硬件设计，数据处理起 到很大帮助。 淅江大学硕士学位论文超宽带探测雷达系统设计 3 超宽带探测雷达系统设计 超宽带探测雷达是超宽带技术的重要应用之一，与传统的雷达如多普勒雷达， 干涉雷达【1 9 2 川相比，在目标检测上有其独到的优势。实验研究表明【2 1 1 ，与传统的 连续波相比，超宽带脉冲信号在穿越障碍物时，具有更小的插入损耗。由于超宽 带信号穿透障碍物与时间分辨率的良好特性，应用超宽带技术的隔墙探测雷达也 被广泛的加以研究和应用1 2 2 - 2