（通信与信息系统专业论文）uwb室内信道模型研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 自从2 0 世纪9 0 年代初期，一种新的超宽带( u w b ) 通信方式被提出来， 并引起人们的极大关注。此通信方式是用极窄脉冲来传输数据比特，同时产 生宽达数g h z 的带宽，其传输速率高达至5 0 0 m 甚至更高。但因发射功率受到 限制，使其传播的有效距离一般在1 0 米范围之内，其主要用途为室内短距离 高速率数据传输。由于室内环境存在多径干扰，使得发射信号产生衰落，室 内信号的衰落主要在路径损耗和多径损耗上，为此研究u w b 的室内信道成 为必要。 本文的主要研究内容是超宽带室内信道模型的研究和仿真。在理论上， 首先介绍超宽带无线通信原理和其调制方式，然后阐述了超宽带室内信道理 论模型，包括路径损耗模型和多径信道模型，其中多径模型又分为频域模型 和时域模型，所以文中对各种典型的信道模型尤其是s v 模型及其改进后的 i e e e s 0 2 1 5 3 a 模型加以介绍。然后通过仿真给出冲激脉冲在a w g n 信道模型 和i e e e 8 0 2 1 5 3 a 信道模型的特性，最后给出了p p m - t h - i j w b 信号在多径衰落 信道下的系统性能的仿真分析，并分析了减少误码率所需注意的几个典型因 素，比较了实测所得误码率与仿真误码率。 关键词：超宽带；信道模型；系统仿真；i e e e8 0 2 1 5 3 a 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t l j l m 卜w i d eb a n d w i d t h ( u w b ) h a v eb e e na b s t r a c t e da n dg e tm u c ha t t e n t i o n f i n c e1 9 9 0 t h i sc o m m u n i c a t i o np a t t e mu s eu l t r an a r r o wp u l s et t a n s p o r td a t ab i t ， a n df o r mt h eb a n d w i d t ha b o u t1g h z i t st r a n s m i s s i o ns p e e da b o u t5 0 0 mp e r s e c o n da n de v e nh i g h e r t r a n s m i ts p a c eo fa v a i l a b i l i t yc o m m o n l yi n1 0m e t e r s b e c a u s eo f t h el i m i t e di nt h es e n dp o w e r s oi tm a i n l yi ni n d o o rc o n d i t i o nu s ea s 1 1 i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o n t h e r ei sm u l t i p a t hi n t e r f e r ei ni n d o o rc o n d i t i o n l e a dt od e c l i n ea n dt h ed e c l i n em a i n l yi np a t hl o s sa n dm u l t i p a t hl o s s ，s oi t s n e c e s s a r yt os t u d yt h ec h a n n e lm o d e l s i nt h i sp a p e rw em a i n l ys t u d i e du w bi n d o o rc h a n n e lm o d e la n di t s s i m u l a t i o n i nt h e o r y , w ef i r s ti n t r o d u c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt h e o r ya n di t s m o d u l a t em o d e l ，n e x tw er e l a t eu w bc h a n n e lm o d e l s ，i n c l u d i n gp a t h l o s s m o d e l sa n dm u l t i p a t hm o d e l s b e c a u s em u l t i p a t hc h a n n e lm o d e lc a nb e c o m p a r t m e n t a l i z e dt i m ea n d 丘e q u e n c ym o d e l ，s ow eg i v eai n t m d u c ef o rt h e t w os o r tc h a n n e lm o d e l e s p e c i a l l yi n t r o d u c et h es - va n di t sm o d i f i e dm o d e l i e e e s 0 2 1 5 3 ac h a n n e lm o d e l i nm u l i t p a t hc h a n n e lm o d e lw es i m u l a t i o n a w g na n di e e e8 0 2 1 5 3 ac h a n n e lm o d e lu s ei m p u l s ea n dg i v eo u ti t s c h a r a c t e r a tl a s tg i v e no u tt h es y s t e mp e r f o r m a n c eo fp p m t h - u w bs i g n a li n m u l t i p a t hl o s sm o d e l sa n di t ss i m u l a t i o n ，a n dw ea n a l y s i ss o m ea s p e c t sa b o u t m d u c es n ra n dc o m p a r et h ec u r v eo fs n rf r o mm e a s u r ed a t ew i t ht h e s i m u l a t i o n k e yw o r d s ：u w - b ；c h a n n e lm o d e l ；s y s t e ms i m u l a t i o n ；i e e e8 0 2 1 5 3 a 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年 善多杰 月”日 哈尔演工程大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 童绪论 过去二卡年，无线电技拳褥到了长是的发展，然嚣现钱社会对备狩无 线通倍业务的需求迅猛增长，原有窄带、宽带的频带资源日益紧张，超宽 带( u l t r a w i d e b a n d ，简称u w b ) 脉冲无线传输技术是近年妪在兴起的一 种无线通信的革命性佟输技术。由于其独特诱入的技术特性，比如灵活性 和鲁棒性以及离精度的测距能力，引起了通信学术界和产业界的重视，使 得u w b 成为多种应掰雏优秀候选技术。 越宽带( u w b ) 通信的最初形式悬直接利用脉宽为纳秒或亚纳秒级的 涨沣佟为信患簸体豹冷击无绫毫蓑米( i m p u l s er a d i o ，筵写梵i r ) ，冷击无 线电技术源予1 8 9 4 1 8 9 6 年马可尼实现的利用火花隙发射机向2 英里外传 辕莫容颊电礤疆】懿残功。蘧纛在1 9 0 0 年，f e s s e n d e n 又嚣罔了火花熬发射 机将声音传到了l 英爨以外。但是此时i r 技术都是嬲限在臀达领域，直 至1 9 4 6 每，才开发爨一静毅豹孛继豢缓1 2 l ，她系绞嬲建铸输脉冲镲号为 基础，采用脉冲位置调制( p p m ) 方式，来进行双向语音传输，其秃线链 路总共可达t 6 0 0 英里，单向时为3 2 0 0 英逗。后来 b a r r e t ，2 0 0 0 3 j 中对 i r u w b 在通信和雷达系统中的应用和发展历史作了全面的叙述，使得i r 技术初现雏形。2 0 世纪6 0 年代对时域电磁攀的研究进一步促进了u w b 静发麟。舞2 0 世纪9 0 年代，一些小中壅金藏又重新弓| 久基予u w b 概念 的无线通信的思想，进一步发展了遵从i r 范例的u w b 技术。 强眩，蕤着锾电子器箨懿高速发旋，i - u w b 蓑拳开始躅子琵臻镁域， 国际上掀起了对其研究、开发和应用的热潮。2 0 0 2 年4 月，美国联邦通信 委虽会( f c c ) 发毒了u w b 设备豹奶步援范溺，著羲獗薅u w b 终了定义。 通过了超宽带技术在限制功率辐射祭件下的商用许可，超宽带通信划定的 频谱藏强为3 。i t 0 ，6 0 h z ，这楚超宽带技术发展史上趋一个黑援碑。爨1 1 是f c c 对u w b 通信与测量系统的限界规定。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一_ j 一。i 1 。3 占1 3 - o 一。5 3 3 。璺爿室冉 _ b 13 一目3 ： 室外 j s3 图1 1f c c 对u w b 通信与测量系统的限界规定 f c c 关于“超宽带”的定义是：信号的相对带宽( 信号频谱的带宽与其 中心频率之比) 大于等于2 0 ，或者绝对带宽大于等于5 0 0 m h z 。 超宽带无线通信的应用大体上可以分为两类。一类为短距高速传输； 另一类是中长距( 几十米以上) 低速率应用。就对应的标准而言，高速率 应用对应于i e e e 8 0 2 1 5 3 a 【5 】，低速率应用对于i e e e 8 0 2 1 5 4 a 酊。 f c c 规定的发布产生了双重影响。一方面，f c c 关于u w b 的辐射规 定，提高了主要芯片的生产厂商( 如t e x a s i n s t r u m e n t 、m o t o r o l a 、i b m 和 i n t e l 等) 的兴趣；而另一方面，引发了围绕i r 方式与传统的基于连续载 波传输技术的优势问题的争论。到2 0 0 4 年3 月为止，对基于u w b 物理 层提出了两种仍在考虑中的提案：一种是将调频与正交频分复用( o f d m ) 结合起来的u w b 方案 b a t r a e ta 1 2 0 0 3 】【”，另一种是保存了u w b 脉冲属 性的d s u w b 方案f r o b e r t s ，2 0 0 3 t 8 1 。 在美国之外，特别是欧洲，e t s i ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d si n s t i t u d e ) 的t g 3 1 a 组织正在进行短距离的u w b 标准化活动。 从此对u w b 的研究日益深入，为了与世界同步，国内也有好多研究机构 和大学开始此项目的研究并取得了很好的效果。本课题就是在此背景下提 出来的。 1 2 u w b 室内信道模型的发展及现状 信道特性是指从测量数据中提取出信道的参数，而这些参数反过来又 可用于评估u w b 通信系统的性能或者用于对信道进行仿真分析。本论文 将在a w g n 与i e e e s 0 2 1 5 3 a 模型的基础上，对u w b 多径信道模型进行仿 徐零滨王程大学臻学位论文 真和分析。其目的是通过对u w b 传播信邀及其特性的研究获得对u w b 无线通 倍系统鹣一个全覆静毽编。 对于9 0 0 m h z ，1 8 g h z ，2 4 g h z ，5 8 5 g h z ，6 0 g h z 以及其他专用窄带频 率莛嚣鼹室蠹窄肇电波传播阉麓大瘿纛经 敦了大量款溅量与研究f 9 叫“。姨 对信道统计特性的分析归纳来看，到目前为止，窄带童内信道已有了大量 鹣磅究成果，其中特别毒徐德豹是氛螽：盎s a l e h 巍v a l e n z u l e a 1 2 1 ， h a s h e m i l l 3 ，1 铂，a n d e r s o ne ta 1 【1 1 1 ，d u r g i n 年1 r a p p a p o r t p 15 1 。这些研究的主要 暇的是建立可以充分攒述系统僚能的镶道模型，要褥到准确嬲信道特性要 依赖于广泛而精确的测最，模黧的准确性在很大程度上取决于测量豹准确 一i 耋e 。 在评倍系统性能辩，统计方法对整个传输链路进行仿真怒分析室内通 信系统最为有用的方法【1 3 l 。当然，这一方法需要广泛的传播测量，基予确 迩往秘统计阢8 建横豹方法稳受文黻可查，最近，c a s s i o l i e ta l 18 】给密 了u w b 窳内信邋的仿真结果。关于u w b 室内信道特性最著名的时域测量 怒整美潮毫熬耧援趸魏大学鳇u l t r al 酶磅究缝进霉亍懿【嘲，与时蠛公镯合 作，它们的测量使用了取样示波器，脉冲发生器和宽带天线，这些测鼹结 装魇于邀一步分辑与建模【1 3 l 删，毽在这些测爨中没餐提供聚健眉豹豫冲 形状和天线特性的信息。更进步的工作是表征更为实际的u w b 通信系 统，露不仅仅是用周期憾重复的脉冲聪售遂进行探测 2 l ，2 “。 得到u w b 信道特性的另个方法是频域信道测鬣，然后由反付立叶 变换将结果转换到时域，这一方法的优点是所使用的设备的灵敏度较赢。 在颓域信邋测量技术测量u w b 传播信道方面，已发表的文献主疆有： g h a s s e m m z a d e h e t a l1 2 3 ，p r e t t i e e t a l 【24 1 ，k u n i s c h 和p a m p1 2 s 。s t r e e t e t a i 【2 棚， c r a m e f 。 为了说明上述测量模型的不足，c r a m e r e t a l 2 8 】建议将u w b 信道模拟为 h e r m i t e 多瑷式之秘，逸一方法虢理枣楚：当僖号激藏天线霾重，鬻看藏是 商斯脉冲，后续的研究揭示了这一导数特性是眭i 于特定的天线传递函数引 麓戆 2 9 1 。最近，l e e l 3 0 1 壤了一秘菠熙蘧射线模型懿确宠毪多经分辑方法， 并使用s a l e h v a l e n z u e l a 模型表示到达时间的分布【12 1 ， f o e r s t e r 3 1 1 也提出 了一静统计分毒斤模型，缎以上鼹蕈孛模型熬当1 l 孽续果是纂予篾零躲蜈设，需 强进一步的实验支持。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 论文研究的目标和主要内容 正楚薹予辩浚上鬻景磋究鞠当蓠耩究瑷较蠹孽努褥，选择了本论文豹醑 究课题，针对趱宽带秃线信道特性，对超宽带无线多径信道进行计算机仿 囊分褥，在奉文孛，蓠先奔绍7 移囊遴售信遂鹣一簸搜定义及分类。在 l l 乏 基础上，对超宽带无线通信技术作了个较为全面的介绍和分析。第四章 稳第五牵慰是零文靛黧点，蓠先分橱了u w b 售道豹参数及绞诗特性，然 后分析了已有的室内多径模型，并按照进行了仿真与分析。 本文兹研究痰容蠢： ( 1 ) 分析天线移动信道的电波传播特性醵殿大尺度衰落、阴影衰落和 小尺度衰落的纂本特 正及分类，侧重分析了室内小尺度多径衰落与大尺度 阴影衰落效应及萁福关参数， ( 2 ) 在分析超宽带无线通信技术基本原理的基础上，研究u w b 通信信 号藤洚鼹各释波形静特点及频谱形获，对经_ i 耍调餐君静脉淬静辩蠛及簇城 特性进行了分析。 ( 3 ) 本文爝m a t l a b 诗雾了u w b 躲津臻瘴、大足发衰落裟r m s 辩延 扩展。得出了脉冲响威模拟图，研究了u w b 的传播特点。最后计算了r m s 慰延扩嶷，褥爨了其典型篷。 ( 4 ) 讨论了室内信道的统计a r 模挺、泊松过程模型、一彪模型、s v 模型，双簇摸溅、s i s o 模型、以及i e e e 8 0 2 1 5 3 a 和i e e e 8 0 2 1 5 + 4 a 摸黧等， 研究了u w b 多径信道的统计特性，包括多径到达率、多径衰落的分布、 幅度均擅衰落分布等。 ( 5 ) 在所讨论的倍遒模鍪鏊穑上，仿真了在p p m 满翻和r a k e 接收情 况下对数正态液落的系统性能，并进行了讨论。 4 晗尔滨工稷大学硕士学位论文 第2 耄u w b 无线通信理论 研究趟宽带通信技术，首先成该了解超宽带通信的蘩本原理，这样才 糍燹努豹设计密适穗予掰设计系统的毽憨静遴信方式。越宽带利焉窜缡秒 缀脉冲在3 ，l 1 0 6 g h z 静颓谱上逡行蘧信，是最新的短距通信技术。 2 t 超宽带通信原理 超宽繁逶信不阗予藤有的窄繁与宽带通信，它是靠蠢揍发射黥冲序确 麟不是利用载波泉传埝售墨，它黪对阙分辨率受小这至纳秒级。由予农对 阕敬上楚分褥受戈糖鳃，玄熬傣爨容鬟簧大，矮褥簧输速率受蓠和溺户更 多，由于它的出现使得时分复用技术方式获雩了疆大的扩展。 2 1 1 超宽带通信的基本原理 盎豢衣公式 3 2 1 ： c * b l 0 9 2 ( 1 + s )( 2 - 1 ) 其中： c = 最大通道容量( b i t s s 1 b 一普通的带宽( h 砖 s = 信号功率( w a t t s l n 一信号功率( w a t t s ) 由上式可知c 与b 成正眈例增长，与s n 为指数关系。以前大部分 考惑懿郝是靠撬薅信嗓魄米饺遥倍容量获褥较丈靛数俊，健是不可能无辍 掰鹃提离；怒宽带怒耐掰宽豹带宽来获褥信道襻羹。带宽丈的话，能使得 供惑信号类似予噪声的方式更高憝扩震镕患售号熬频谱，那么该信号羧煞 够携豢更多黪售惑。毅为一个爨这种方式扩震频谱煞信号对予另矫一个班 同样方式扩展频谱的信号米说类似于噪声，这鼹卷是可以共移躬。这梯， 在莱毒孛特殊艇情况下，傣号毙量比噪声缝爨能够受毒效撼坡捻溅密寒。这 样，在更宽的带宽下，可以容纳更多这样的共事，从丽可以携带更多的信 啥尔滨工程大学硕士学位论文 息。因此，对于高功率和低带宽的系统有另外一种选择，就怒使用低功率 密度和宽的频带。 香农的发璇导致了“扩频邋信”调制的发展，扩频通信是攒用一簇特殊 的、比艨始信息带宽宽的多的特殊数书序列来有意的扩展信号。特殊的数 字彦捌楚用来隧分同辩共享稻阉频带懿多个霜户懿。扩颓逶穰技术盛羯在 蜂窝电话系统中导致了频谱分配政策的改变。这是无线发展史上第二次意 谈蜀宽带穰号赣翔_ 邈瓣爨势，激至予豢终导数囊范黢离了零荣藩号瓣束 缚。这时，f c c 为多个用户分酉己了一块频谱，他们可以通过储号在整个频 繁内瓣辐互重藏寒共事整令频段，秀不是秀每一令曩户分配小段频带。 为了更好的理解怒宽带通信系统的效率，下面分析带宽怒怎样影响通 信链路的。我们用e b 来表示某遇售系绕的相对效率，在满足一定误码率豹 情况下，将箕定义为每比特数据最小信号能爨乓与嗓声功率密度0 的院 值： 旷t s ( 静 协z ， 因此，瓦懑小，系统的健能越好。我们憋我虱褶对效率的极限德，由 香农公式c = 舭噌，( 1 + s ) 给出了带宽b 与s n 之间的关系。在超宽带 带宽为7 5 g h z 的情况下，往褥信遥专5 6 k h z 带宽酶线路楮瓣黥话，冒鞋 使得信噪比达到最小约等于0 d b ，香农指出：当系统的数据速率r 小于或 等于倍道容量c 嚣，存在一耱最优敦臻遭编璐，哥戮使系统凌a w g n 信 道中无差错传输数据。 2 1 2 超宽带的通倍实现系统 u w b 技拳爱基本憨工俸琢理是发送帮攘毅辣渖瓣隔严撂受控戆莲囊 单周期超短时脉冲，越短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直 接蔼一缀毒藿壤交叉相关藜裁把稼津彦烈转换戒基豢揍号，省去了绩绞i 纛蘧 设备中的中频缀，极大地降低了设备复杂性。 u w b 技零莱矮默净瘦詈调刳( p p m ) 单熙期脉；申寒携带信息亵倍遁 编码，一般工作脉宽0 1 1 5 n s ，重复周期在2 5 1 0 0 0 n s 。 越宽豢歉净逶售就是发射_ 秘接收具有皮秽量级静脉冲傣号来传赣售 息的，它以每秒数十兆的速率发射和接收脉宽小于l n s 的窄带脉冲信号。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 信息通过脉冲位置调制( p p m ) 、脉冲振幅调制( p a m ) 或其他调制方式 调制到精确定时的脉冲串中去。下面是超宽带脉冲无线就收机和发射机的 基本组成框图。 图2 1 发射机系统框图 数据 图2 2 接收机系统框图 发射机工作方式为：在发射端时钟发生器产生一定重复周期的脉冲序 列，根据用户要传输的信息和表示该用户地址的伪随机码可编程延时器对 系统时钟进行精确的延时，延时后的脉冲序列驱动脉冲产生电路形成一 定脉冲形状和规律的脉冲序列，然后耦合到超宽带天线发射出去。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接收机工作方式为：在接收端，超宽带天线接收的信号送到相关器的 一个输入端，相关器的另一个输入端加入一个本地产生的与发射端同步的 经用户为随机编码调制的脉冲序列一起经过相关器中的相成、积分和采样 保持运算，产生一个对用户地址信息经过分离的信号，其中仅含用户传输 信息及其他干扰。然后对该信号进行解调运算，即根据发端的调制方式对 每个脉冲进行判决，恢复出所传输的信息。 图2 2 中接收机的基带处理包括捕获和跟踪电路，用于准确锁定时间 编码序列。 2 2 超宽带脉冲 超宽带技术的实现基于亚纳秒脉冲技术的出现，尽管单周期脉冲被普 遍采用，但u w b 系统的脉冲信号，所采用的脉冲波形很少是一个周期的 正弦波。事实上，产生非正弦脉冲要比产生脉冲调制正弦波更容易、更经 济。脉冲产生器最易产生的是一个钟形脉冲，类似于高斯函数。 2 2 1 超宽带脉冲的产生 在超宽带通信系统中，对脉冲形成器的滤波器单位冲激响应的选择至 关重要的，因为它会影响发射信号的功率谱密度( p s d ) 【3 3 1 。高斯脉冲可 以表示为： 删一+ 击e _ ( 免2 弘， 式中口2 = 4 ，r o - 2 是脉冲因子，盯2 为方差。 其脉冲波形和相应的能量谱密度( e s d ) 如图2 _ 3 所示。 为了有效辐射，产生的脉冲应该具备一个基本条件：没有支流分量。 在满足此条件的前提下，有许多脉冲波形可供参考。高斯函数和其各阶导 数都能满足这一条件。实际中，最普遍采用的脉冲波形是高斯函数的二阶 导函数p ，具体表达式为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等邓嘲务等 p a ， 该脉冲能量为3 口s v 2 j 。 高斯单脉冲时域和频域的脉冲特性曲线如下图表示 a 7 l lf ! 7 墓鑫 i 蔓：! * i ；j i l i i i ； ；：j e ；# ! ：! ：；! j ； = 曩：蠹：x 邕：蠹： _ r 一：一：一：、：一：，：1 ， ； i ；j i “ ；i ；i j i ；l l j l l _ i i # i 、 ，- ：! ! j ! ! ! ! ! ! ! ：! ! ! j ! ! ：# ! ：k ! ： ；- - ；斗 噩i i i i i l i i i i i l i ；i i ；l ；i i ! ! l ；i i i 群i i 妻 2a4567 t w 日，协目h 图2 3 高斯单脉冲时域和频域的脉冲特性曲线 ，、 i _ k 、 。 遥l ， 函 ；：! ! ! ； j-_ ! j ： ：二 i i j ：= f- ! ! ：1 _ ； 图2 4 高斯单脉冲一阶导数时域和频域的脉冲特性曲线 ? ：弋 图2 5 高斯单脉冲二阶导数时域和频域的脉冲特性曲线 上面已经提到，单位冲激响应的选择至关重要的，因为它会影响发射 信号的功率谱密度( p s d ) ，通过改变脉冲波形来获得频谱形成i r 的一个 9 ， r r 3 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；笛；i i 宣i 昔_ - 置i i 宣高崔j i i 皇宣_ _ 置i i i 罱i 宣蔷i i i 皇_ 皇- _ j i 置i i 罱i 罩瞄j 葺葺置i 特性。频谱形成主要可以采用三种不同的方法：改变脉冲宽度、对脉冲进 行微分和对基函数的组合。 下面考虑以高斯脉冲作为研究对象，因为高斯脉冲可以通过调整脉冲 形成因子口来改变波形，也可以通过对原始脉冲微分来获得很多波形。从 图中的比较可以看出，采用哪一个口来选择更合适的脉冲波形。减小口的 值会使脉冲宽度压缩，从而扩展传输信号的带宽。同一波形可以改变口得 到不同的带宽。 图2 6 是2 阶高斯脉冲函数随口形成的波形，本文选择t 2 为0 2 6 6 8 喜 l 图2 6 高斯脉冲函 图2 7 高斯脉冲2 阶导数函数随o g 形成的波形 通过改变高斯脉冲的微分也可以影响其功率谱密度。峰值频率和脉冲 带宽都会随微分阶数的增加而改变。下图表明，随着高斯函数阶数的增高， 其峰值频率也相应增高。 哈尔浚工程大学硕士学位论文 簧i 宣i i 爿宣i 宣j i 篇蕾i 暑；鞘黼置i i 奄黼i 葺黼审蕾宣薯嵩皇眚i 篁嗣i i i i i i 宣置鼻i i 黼崩宣i 置一 图2 8 商斯脉冲稀阶导数函数时域与频域波形比较 逶遥缀台不司函数可酷调节豫冲能量谱密度健之遥远搿要求麓辐袈 掩蔽。例如组合高斯脉冲及其备阶函数就可行形成。这里不在模拟其波形。 这样透遥调节瑟冷霆子群窝正确翡镦分除数鼓及各秘涎数懿有橇组 合一定能找到适合带宽和时间的脉冲函数。好多文献已经给出符含f c c 豹辐射掩蔽撂难夔l r 艨；串形残方法秘基予f i r 滤波器戆躲挣形戒魄蘧设 计方法。 2 2 2 超宽带脉冲的功率计算 单独的脉冲可以传递能量，能量用焦耳来度量，能量脉冲可醣在定 的频率连续( p r f ) 发射，这样就需嶷用单饺时间内的能量( j s ) 绒功率 来度量。发射溉范同辩限定了平均发射功率鞠峰值发射功率。平筠辐射功 率作为有效全向辐射功率( e i r p ) 来衡量，即增益为l 的天线发射的功率。 绝对酶值功率在连续发送静稼冲持续时瓣内溯萋，然丽为了符合撬范要 求，峰值功率疆在1 m h z 带宽内测得。重复发送的功率谱密度峰值正好等 予一4 1 3 d b m m h z 瓣镕号s ( 鸯熬蕊辐射凌率，其计雾公式为： f = 1 0 l o g ( 【s ( 厂) 3 , i f l 0 “”1 0 “) ( 2 - 5 ) s ( f ) 的峰假幅度设为1 ，频率f 用赫兹寝示。s ( f ) 越接近功率谱密度 ( p s d ) 的允许极限缎，信号毙传输的能量越多。发射脉冲璺进行调制， 即通过对脉冲位置或脉冲极黢编码来打破原有脉冲的规律，能够打破原有 谱线丽使频谱更平滑，更接j 琏噪声。 哈尔滨工程大学硕士学做论文 2 1 3 超宽带信号调制 u w b 信号的调制方式有：脉冲位置调制( p p m ) ，m 脉冲位置调制( m 冲p m 、开关键控( o o k ) 、二进铡脉冲蠛度调制( b p a m ) ，m 进制 脉冲幅度调制( m p a m ) 、混合脉冲位置调锏、直接数字调制、子载波调 制等。当前采用较多的是脉冲位置调制和二进制脉冲幅度调制。现分别就 这两种调翻方式的信号波形送行介绍。 2 。3 1p a m 一赫；孛壤度调绸 p a m 的原理【3 5 q 7 】； ( 1 ) u w b 单周新脉冲僚号表示斑w ( t ) ( 2 ) 通过单周期脉冲信号构成脉冲串： w ( t - j t f ) ( 2 6 ) j t ：脉冲重复周期 ( 3 ) 秘入待终簸绩惠强元，鼹躲净溪度避行编礤： 肇互嘲删w ( t 一乃) ( 2 7 ) b 表示传送的二进制0 和i 的信息序列，每n 个单周期脉冲波形传送 一个二进铡穆号，“【 ，表示取整运算，6 表示戎信息序列控制的发射脉冲幅 值，渤【，。】则表示信号幅值携带了用户信息。 ( 4 ) 通过虢时碣实现多璇接入： 痨 隅】w ( t - j t y c 罗) ( 2 8 ) j = 一 拶为第k 用户p n 码的第j 个码元，够= c 。其最大值为n m a x ，p n 码周期为 n p ，已是由p n 码控制的发射脉冲时她，卜。，弓一c 1 瓦表示了第k 个用户第 1 2 一一一；耋筵璧至蝥耋璧篁耋l ：坠一一；。；。；一 j 个冲击脉冲的起始时刻。 ( 5 ) 接收端，出多鼹户复用弓l 起的接收信号必 ，( f ) ：兰宝囔删。 w ( t 一歹弓一c t ) + r t ( f ) ( 2 - 9 ) 1 n u 最用户数，n ( t ) 是信道干扰。 2 3 2p p m 一脉冲位置谲黼 p p m 的原理f 3 8 “4 1 ： p p m 调制是一秘时阕调制，在这争 调制方式中，数据被嵩速传输，然 霜，这些脉冲并不是均匀静分布在对瀚轴上，而是l 奠随机绒伪随机间隔隔 歼。 ( 1 ) u w b 单周期脉冲信号表示为w ( t ) 邋过单周期脉冲售号构成脉 冲串： w ( t j t j ) ( 2 _ l o ) f ，：脉冲妻复羼凝e ( 2 ) 媚入德传输信惑褐元，对脉猝对阕进行编码： w ( t 一玛一鹦矾i ) ( 2 _ 1 1 ) ，4 一 万表示由信息序列控制的发射脉冲时延。 ( 3 ) 遥过戥对码实现多蛙接入； w ( , - j l c ( ，k 疋一啜概1 ) 2 _ 1 2 ) j w 即信号的时延携带了用户信息。 ( 4 ) 接收端，出多熙户复思号l 艇懿接收信号为： r ( f ) = w ( t - i t ；一c ，( k 疋一嘎，蚝】) + h ( f ) ( 2 * 1 3 ) p a m 与p p m 的主要差别在于：前暂用信息符号控制脉冲螟度，届者用 于控制发射信号的时延。可以用每个脉冲戡理位置趣藩或落后于标准时刻 个特定的时闽s 来表豕一令特定的信息。 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在跳时脉冲位置调制方式中，根据发射和接收的波形前移或滞后的时 移来确定信号0 积信号“1 ”，本例翦移1 个时延定信号为0 ，后移定为1 。 有的甬未时移豹为0 ，后移1 个时移的为1 。 晷前大都采用t h p p m 调锖技术。伪随杭的调试序列，为了消除由于 多用户藤弓l 起的突发性冲突现象出现，每个用户被分配到不同韵跳时序 列，通过时移模式来获得不同的附加脉j 中时移。跳时序列是一秘周期 生的 伪随棍码。锼用周期性的伪随机弱使的信号的波形也出现了周期性，对应 的信号功率诺密度的谱线阍隔得到很大改善，使得频谱蹙为平坦，桷应降 低了发射信号的功率。 还可戬遴过改变涌箭因子艿可戳优化系统特性。数据调制后将进一步 平滑伪隧枞调时序列的功率潜密度在典型静u w b 收发信怠结构中，酋先在 发射端由脉冲重复频率发生爨控制脉冲发生器产生一系列的冲激脉冲；然 看在调箭嚣中，用待发送的数疆对这一系列的脉冲进行脉冲振幅调制或脉 冲位置调制，并经由射频滤波器将这一系列载有发送信息的脉冲发送出去； 最后在接收端，天线收集到由多径衰落售遂传来的u w b 信号，经低噪声 放大器将信号能量放大后输入相关解调器。在相关熊调器中，用与发射端 相阚孵冲激脉冲序列对射频滤波，荐经低通检波、抽样稔测恢复原来的信 息。 2 4 本章小缩 在本窜中，介绍了超宽带的通信原理和脉冲的产生以及超宽带信号的 调制方式。在原理中绘出了超宽带的实现系统；在脉冲产生章节给出了影 响脉冲的几个因素，给出了脉冲功率的计算公式；调制方式分析了脉 串位 置调制和幅度调制的区剃。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章超宽带室内信道理论模型 本章讨论发射信号发出后所经历的衰减，也就是由多径传播引起的信 号衰落以及选择性衰落等信道中广泛存在的现象，并介绍当今超宽带所用 的信道模型。 3 1 信道的传播特性 电波传播要一般要经历直射、反射、折射、绕射、衍射等多种损耗方 式。研究一个系统，首先将其简单化，一般认为超宽带为恒参信道的前提 下，它首先经历自由空间传播的能量衰落现象即电波传播损耗，这一般与 工作频率f 和传播距离d 有关，路径损耗一般随传播距离或工作频率的增 大而增大。 电波经过光滑界面，还要经历反射现象，这些现象将会产生路径差， 从而产生附加相移。 上面说的是直射和反射的情况，除此之外，还要考虑传播路径中障碍 物引起的散射波。但是这属于慢衰落的情况，一般不加以考虑。 传播中最重要的是多径现象，脉冲发射后经历多径信道，接收信号呈 现为一串脉冲，这说明脉冲宽度被展宽了，这种因多径传播造成信号时间 扩散的现象，称为多径时散。 一般说，u w b 信道的特征主要体现在信道的路径损耗和多径衰落上， 因此u w b 信道模型的建立也就从两个方面考虑。 3 2 u w b 室内信道模型 超宽带信号传输距离不是很远，一般在1 0 米以内，很适合室内的数据 传输，在室内信号的衰落主要在路径损耗和多径损耗上，超宽带的性能得 到应用。下面主要对其路径损耗模型和多径信道模型加以研究；目前存在 很多信道模型，这里对主要的加以叙述。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 1u w b 信道模型分类 u w b 信道模型分为： ( 1 ) 路径损耗模型：路径损耗就是平均信号强度随距离变化的规律。 路径损耗包括穿透障碍损耗、视距和非视距传播损耗。主要研究内容为路 径损耗对距离、频率、阴影之间的相互关系等。 ( 2 ) 多径模型：多径模型一般有统计模型和确定性模型两种，根据 这类模型可以生成具体的信道实现，以对系统性能进行仿真和评估。 确定性模型可以理解为：如果接收机接收到的到达信号包括了所有的 可辨回波信号则认为此模型为确定性模型，然而事实情况并不如此，在多 数情况下，接收机的接收协议并不能对所有的多径成分都能加以解析，所 以具有一定的相对性。 统计模型没有尽力去刻画每一个信道的特性，其用统计的方法反映传 输信道的本质特性，并用参数表示出来。统计模型在研究信道是当今最流 行的方法。多径模型通常包括的参数有：多径到达时间，平均延迟扩展， 最大延迟扩展，平均多径强度模型，各径幅度特性，信道时变特性，信道 的线性或非线性作用造成的扭曲等。 3 2 2 路径损耗模型 鉴于u w b 短距离高速传输在室内多径现象是十分严重，由于多径和 室内隔离物的存在，路径损耗不可避免，所以研究信道模型首先得研究路 径损耗模型【4 2 1 。 ( 1 ) 路径损耗模型的建立： 在窄带信道，路径损耗被定义为： p ，：掣：耳lh(l)12(3-1) y 和分别是传输和接收功率，正为中心频率。期望e 在足够大的范 围，当平均阴影衰落输出与小范围衰落输出值相等时取值。 p l = e i | 日仃) j 2 碍r )( 3 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宽带信道的路径损耗曾被建议为： p l = e | l h ( ，) j 2 矽)( 3 - 3 ) 积分区间在多径传输函数与小范围衰落相关的区域。 在u w b 信道，路径损耗已不再是这样，其不仅依赖于环境，还与发 射接收机是否为视距和非视距有关。由公式 ( 却2 吉善荟1 日( 肼d ) 1 2 ( 3 4 ) 经频域测量，得出距离d 的路径损耗公式： j p l ( d ) = p l o + 1 0 yl o g l o ( ) 】+ s ( d ) ；d a o ( 3 - 5 ) 口0 其中，是截取点d o = l m 的路径损耗功率。y 是路径损耗指数，它 也与信道的物理环境有关，在每个信道环境下都不一样。s 是阴影效应函 数，在每个信道环境下也不一样。此模型和其参数当初很适合在限制方法 下的数据测量。但是为了测量建筑结构的影响，在居民建筑结构、大小、 尺寸、年限各不相同的情况下，分别用发射接收机对在视距和非视距作 了大量测量，把，盯作为自由变量，通过测量来刻画他们的分布 和独立性，并有了很多发现。对于尸厶：在视距环境下，超过1 2 5 g h z 的 带宽，中心频率为5 g h z ，测的值： p l o ：2 0 1 0 9 l o g ( 马4 7 d b ( 3 6 ) 对于非视距环境，与在视距下十分接近，取同一个数值。 对于参数盯：随着房间的不同而改变，服从正态分布( ，叽) 。从是 均值，仃。是标准偏差。 对于参数，：也随着房间的不同而改变，并服从正态分布似，盯，) ， 以是均值，口，是标准偏差。 ，= + 月l 盯，( 3 - 7 ) m 是零均值高斯变量的联合标准误差n o ，1 】。阴影衰落s 是标准偏差为 盯的一个零均值高斯变量。可表示为： 啥尔滨工程大学硕士学位论文 s = n 盯 2 f 3 _ 8 、 0 2 耻口七n 3 0 r 口 n ：和鸭是零均值高斯变量的联合标准误差n o ，l 】，由( 3 7 ) ( 3 8 ) 代入 ( 3 5 ) 并整理结果的： 蹦却b 叫篆“呱1 0 9 l od 】；l m s d s 2 0 m + 1 0 n a o ，1 0 9d + t h p , , + n 2 n ：r ， ( 3 _ 9 ) l o】 公式( 3 9 ) 第一个中括号表示中值路径损耗，第二个中括号表示中值路 径损耗的自由变量。变量部分不是严格的高斯分布，因为h 。传不是高斯 变量。但值与前面两个比较起来是很小的。所以，它可以很容易表示为零 均值高斯变量。 其联合标准误差为： o v a r = 、1 0 0 0 r , 2 ( 1 0 9 l o d ) 2 + + 盯，2 ( 3 - l o ) 在视距下，此模拟结果与实际吻合，对于非视距，当我们的数据库在 一起时每隔l o 个t - r 贝r ，就增 3 f 1 4 d b 。这就意味着让路径损耗指数额外增加 4 d b 。为了不让y 、盯取与实际不符的值，定义n a 、 2 和码取值在下列范 围： n t - 0 7 5 ，0 7 5 】& ”2 ，n 3 【一2 , 2 】 ( 2 ) 各参数对路径损耗模型的影响： 有大量实验得知：路径损耗随不同建筑而不同，是一个自由变量，大 约遵循高斯分布。在自由空间中，一般的窄带信号的传输损耗与距离的平 方成正比。接收天线的输出功率为： 只：g r g r - p r _ 2( 3 1 0 ) ( 4 蒯) 上式是著名的f r i e s 传输公式，式中： 为信号波长；g 。、g r 为收发 天线的增益；b 为发射功率，d 为收发天线的距离。 在l0 m 距离之内，u w b 信号的路径损耗与f r i e s 传输公式近似，在信号 相对带宽不超过0 2 的条件下，最大误差不超过1 5 d b 。当信号带宽远大于 信道带宽时，不同频率的信号分量在信道中的传播特性不同，这时的信道 称为频率选择性信道。u w b 信道是典型的频率选择性信道，此信道中的 啥尔滨工程大学硕士学位论文 信号传播有多径现象( 间一信号经信邋后变为多个幅度不同的信号，先后 到达接收机) 。 在许多信邋仿真横塑中用螽由空闻路径攒耗模蝥： g = g f ，o + 2 0 l o g ( d ) ( 3 _ 11 ) 而i e e e 8 0 2 1 5 3 a 用的这样公式： 晖= ，o + 1 0 , u l o g ( d ) + 1 0 n l o - , l o g l o d ( 3 _ 1 2 ) 氇不影响i e e e 8 0 2 。1 5 3 a 模激瓣性姥，嚣为对于视蹉在1 0 m , f 专输1 1 0 m b s 在3 6 d b 范围是比较适用的，但对予非视距路径损耗将在3 0 d b 范豳之 内。 必须强调的是在假定情况下，对予自由空间路径损耗模黧： g 。= g p , 、e 十2 0 l o g ( d ) ( 3 - 1 3 ) 在非视距的模拟所获得性能是绝对不现实的。 一般来说，路径攒耗模型表弱平均路径镄耗隧着躐离静增麴纛壤麓。 通过对全部带宽和不同带宽的测量可以发现频率与路径损耗的关系对于 褪蓬，鼹径凌鬟并没毒骥显变豫，毽对于 援鼹，在较远夔鼹蹇发瑰鼹经 损耗随着频率肖所增加。但是具体情7 兕，还需蘑试验进一步证明。高频率 妻錾8 0 2 1 5 4 a 摸摧选表嬲，测静路径损耗豫了铱羧予距离班势，还和凝凄是 有关的。这又证明以上的结论是正确的。 还育一点，有关分辑结果袋明路绞擐耗和r m s 延迟扩展强烈捐关辨为 距离的函数。塞内信道的r m s 延迟扩联随着t r 分开丽增加路径损耗也楣 应增加。随着新的路径损耗模溅的出现，阴影也添加在功率衰减定德多项 式上。从而得嬲( 3 9 ) 式的综合模型。_ l 鲑：路径损耗统计模鏊不仅隧蓑赛蓬的 变化丽变化，也可以强未来随着测量数据的增多而升缀。 3 2 3 各种多径模型分类 因为u w b 信道是舆型的频率选择性信道，此信邋中的信号传播材多 径璜象。荚磅究方法珂分戈：袈线跟黥法襄绞计分辑法，爱蠢是对实际售 道进行测量，对测得的实际数据进行统计分析。当前建立的模型多为多径 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统计信道模型。 在建立模型之前，就是对信道进行测量获得实验数据，通过对实验数 据的处理和分析，提取关键参数，并研