（电磁场与微波技术专业论文）超宽带脉冲信号保真度分析与脉冲系统性能评价.pdf

摘要 脉冲信号波形的传播特性是超宽带无线通信中一个重要的子课题。本论文研究了脉 冲信号在超宽带单极予天线与传播空间组成的“广义信道”中的传输特性，提出了一种 实验测量结合数值模拟的简便方法，用予脉冲信号传输特性分析、超宽带天线的性能评 估、选择和脉冲波形设计。 文中首先通过实验测量了特定频段上广义信道的幅频特性与相频特性，并将其转换 成时域传输特性；然后结合数值仿真，将测得的传输特性用于脉冲信号的传播特性分析， 通过计算收发脉冲波形和脉冲保真度函数，从定性和定量的角度分析了视距与非视距、 不同收发天线对的情况下，不同脉冲波形的传输特性；再针对两种不同脉宽的脉冲，通 过比较不同收发天线对情况下的脉冲保真度和波形，探讨了超宽带天线的性能评估和选 择，充分考察了脉冲脉宽和广义信道测量范围对脉冲保真度的影响；在此基础上，提出 了两种不同脉冲选择方法，包括只考察脉冲保真度和兼顾脉冲保真度和脉冲功率的两种 方法；最后提擞了另一种基于f c c - m a s k 和实验测量的广义信道功率谱的高斯导数脉冲 组合设计方法。 分析的结果表明，测量广义信道、计算脉冲保真度这种方法，对脉冲信号的波形设 计、超宽带天线的性能评估与优选卓有成效。 诗 关键词：超宽带、脉冲保真度、广义信道、天线测量、脉冲天线设计、脉冲波形设 a b s t r a c t n ep r o p a g a t i o np e r f o r m a n c eo fp u l s es i g n a l sa r eo n eo ft h ee s s e n t i a lt o p i c so f u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) c o m m u n i c a t i o n s t 燃st h e s i sf o c u s e so nt h ep u l s ep r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c si nt h eg e n e r a l i z e dc h a n n e lw h i c hi sc o m b i n i n gw i t hi 舯m o n o p o l e sa n d p r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t 。an o v e lm e t h o db a s e do nm e a s u r e m e n ta n dn u m e r i c a lm o d e l i n gf o r a n a l y s i so fp u l s ep r o p a g a t i o n ，u w ba n t e n n a e v a l u a t i o na n dp u l s ew a v e f o r md e s i g ni s p r o p o s e d 。 耵1 ea m p l i t u d e f r e q u e n c ya n dp h a s e f r e q u e n c yp e r f o r m a n c eo ft h eg e n e r a l i z e dc h a n n e l a l em e a s u r e da n dt r a n s f o r m e di n t od i s c r e t et i m e d o m a i nt r a n s m i s s i o nf u n c t i o nw h i c hi su s e d ： i nt h ea n a l y s i so fp u l s ep r o p a g a t i o np e r f o r m a n c e p r o p a g a t i o nw a v e f o r ma n dp u l s ef i d e l i t yf o r d i f f e r e n tc a s e s ( l o sa n dn l o s ，u s i n gd i f f e r e n ta n t e n n ap a k s ) ，a r ec a l c u l a t e d ，a n a l y z e da n d d i s c u s s e dq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l y , r e s p e c t i v e l y p u l s ef i d e l i t i e sa n dw a v e f o r m su n d e r d i f f e r e n ta n t e n n ap a i r sf o rt w os p e c i f i e dp u l s es i g n a l sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e d 。t h e n , a m e t h o do fp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n dc h o s e nf o ru 佩a n t e n n a si sp r o p o s e d e f f e c to fp u l s e w i d t ha n dm e a s u r e db a n d w i d t ho fg e n e r a l i z e dc h a n n e l so np u l s ef i d e l i t ya l ed i s c u s s e d b a s e d o nt h e s ew o r k s ，t w om e t h o d sf o rp u l s ec h o s e n ，o n eo n l yc o n s i d e r i n gp u l s ef i d e l i t y , a n dt h e o t h e rc o n s i d e r i n gb o t hp u l s ef i d e l i t ya n dt h e p u l s e sp o w e r , a r ep r o p o s e d f i n a l l y , a f c c m a s k - b a s e da n dm e a s u r e dp o w e rs p e c t r u mm a s k - b a s e dp u l s eo p t i m i z a t i o ns c h e m eu s i n g g a u s s i a np u l s ef a m i l yi sd e d u c e d i nt h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n ，t h em e t h o do fp u l s ef i d e l i t ya n a l y s i sh a s g r e a tb e n e f i t si np u l s es h a p ed e s i g n , p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n do p t i m u mo fu w b a n t e n n a s k e y w o r d s ：u w b ，p u l s ef i d e l i t y , g e n e r a l i z e dc h a n n e l ，a n t e n n am e a s u r e m e n t ，i m p u l s e a n t e n n ad e s i g n ，p u l s es h a p ed e s i g n i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意o v 、 研究生签名： 轧吲 e l 期：w p 7 幺c 氛 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复割手段保存论文。本人电子文档的虑容和纸质论文的内容褶一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：苑龋 导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 超宽带技术u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 是一种无线技术，它利用纳秒级的非正弦波窄 脉冲或者采用多带o f d m 方式传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。由于u w b 可以 利用低功耗发射接收机实现高速数据传输，在近年来得到了迅速发展。它在非常宽的频 谱范围内采用低功率传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰，并可充分 利用频谱资源。基于u w b 技术而构建的高速率数据收发机有着广泛的用途。 u w b 技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截 ： 获能力，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，非常适 于建立一个高效的无线局域网。除此之外，u w b 主要应用在小范围、高分辨率的雷达 和图像系统中。 具有一定相容性和高速、低成本、低功耗酶优点使得u w b 较适合家庭无线消费市 场的需求：u w b 尤其适含近距离内高速传送大量多媒体数据的突出优点，有可能在1 0 m 范围内，支持麓达l1 0 m b s 的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地 完成视频数据处理，让很多商业公司将其看作是一种很有前途的无线通信技术，应用于 诸如将视频信号获概顶盒无线传送到数字电视等家庭场合。当然，u w b 未来的前途还 要取决于各种无线方案的技术发展、成本、用户使用习惯和市场成熟度等多方面的因素。 1 2 超宽带定义和主要实现方式 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 通常，如果无和厶分别是信号能量功率谱密度的下限频率和上限频率，那么中心频 率为( 厶+ l ) 2 。相对带宽定义为麓量带宽与中心频率的比值，表达式如下： 瓣鳓_ q - 1 ) 如采相对带宽大于0 2 0 - - 9 。2 5 ，我稍就认为该信号是u w b 信号。侧如，如果一个信 南京邮电大攀硕士研究嫩学位论文第1 章绪论 号鹪缝量带宽隽2 m h z ，它的孛心频率低于1 0 m h z ，我能就认为该信号是一个u w b 甾 号。 此定义没有赛定信号的时域波形特征，因此，有多耱方式产生超宽带信号。 其中，传统而且典型的方法是利用纳秒缀的窄脉冲的宽频谱特性来实现，盥接发射 经调制麓窄脉冲，丽不是采箱正弦载波，逶常将其称为群渖激茺线毫挎( i m p u l s er a d i o ， 简写为i r ) 。当i r 的带宽达到超宽带定义的臻求时，称为超宽带冲激无线电( 酶u ) ， 其信号调制主要是对艨冲的幅度( 翘括极性) ( p a m ) 和脉冲在时阀轴上的燕置( p p m ) 进行调制。另一类超宽带无线电仍然基于正弦载波的概念发射连续波，英超宽带的实现 哥采震扩震频谱技术或者提离数据速率迸丽提高射频带宽，典型的铡予是i e e e8 0 3 。1 5 3 a 高速w p a n 的多频带( m b ，m u l t i - b a n d ) 超宽带物理屡提案，它的基本特点是将f c c 规定既3 1 董o 。6 g h z 带宽划分尧多个满足超宽带定义的予蒂( 大于5 0 0 m h z ) ，在每个子 带上采用正交频分复用( o f d m ) 。 对于渖激无线电方式，信息数据符号对脉冲进行调制，箕调制方式霹戬有多种。辣 冲位置调制( p p m ) 和脉冲幅度调制( 戳蝴) 是最常用的两种调制方式。除了攒对脉冲 进行滴铡卦，蔻了形成凄产生信号的频谱，还要震赞随机码或伪随枫噪声对数据符号进 行编码。一般是，编码后的数据符号孳| 起脉冲在时阆轴上的偏移，这就是跳时超宽带 ( h - u w 转 。直接序剜扩谱( d s ，s s ) 就是编码焉的数据符号对基本脉冲的幅度进行调 制，这在冲激无线电( 1 r ) 中被成为盥接序列超宽带( d s u w 8 ) ，这攀巾调制方式非常有 吸号| 力。在第三代无线逶僖系统孛，d s s s 作为基本的无线技术被采用。 对于5 0 0 m h z 的带宽，也可以通过很高的数据速率来产生，而不需簧具备脉冲特性。 只要u w b 定义骈要求酶鞠对带宽或最小带宽在整个传输过程中得到满足，那么，靠发 射高速率数据而不是窄脉冲所产生的具有u w b 射频带宽韵系统，就可以采用。诸如正 交频分复用( o f d m ) 和多载波码分多址( 氐耋c c d m a ) 这些方法，在数据速率适当的 情况下裁可产生u w b 信号。 1 3 本文选题背景 本文主螫涉及脉冲体制超宽带僖号脉冲天线设计和脉冲波形设计。 脉冲天线设计帮脉冲波形设计是肄激无线电设计中非常重要的部分，脉冲的对域澎 状、频域占用频带的分布，以及脉冲天线性能参数，都决定了该冲激无线电系统的性能 好坏、实现难荔、现率演耗等，文献中攀氆给出了一般意义的脉冲天线靛能分析，扶电路 南京邮电大学硕士研究生学位论文第1 章绪论 网络的角度f 2 1 或以电抗元件建模3 4 1 ，但这些工作仅对天线本身进行分析，而没有考虑信 道等无线环境对系统性能影响，同时脉冲天线的最终应用是冲激无线电系统，这些分析 也未考虑到实际情况中天线对脉冲的影响。另一方面文献【5 7 】等提出了几种脉冲的波形设 计的方法，但也是在理想传输情形下的设计，并没考虑到实际传播环境对脉冲波形设计 的影响。 基于天线系统一体化的思想，必须把天线与无线电波传播环境组成的广义信道作 为一个滤波器，分析信号在这个广义信道中的传输性能，才能定量地评估信号传输的质 量，进而选择合理的收发天线、设计合适的通信脉冲信号与相关算法、实现最佳性能的 系统。因此对于不同的射频发射接收装置，应该有与特定射频系统相一致的脉冲波形； 同样，对于脉冲而言，也应当选择传输性能最佳的天线。 本文正是从这个观点出发，展开工作。 1 4 本文的目标及主要内容 本论文研究了脉冲信号在超宽带单极子天线与传播空间组成的“广义信道 中的传 输特性，提出了一种实验测量结合数值模拟的简便方法，用于脉冲信号传输特性分析、 超宽带天线的性能评估、选择和脉冲波形设计。 以下是各章内容： 第2 章广义信道、脉冲保真度和超宽带脉冲的基本原理：简述了脉冲天线的广义信 道的含义，及测量广义信道在特定频段上的频域传输幅度和相位特性，并将其转换成时 域传输特性的方法；给出了脉冲保真度的定义，以及如何利用测量的广义信道数据来计 算该信道传送脉冲的脉冲保真度。简要分析了脉冲信号频谱、高斯脉冲性质及f c c m a s k 等原理。 第3 章超宽带脉冲天线广义信道测量与数据分析：根据第2 章给出的广义信道测量 方法，通过实际测量8 种脉冲单极子天线的3 5 g h z 广义信道，包括视距和非视距情形， 计算时域响应并分析其信道特性。 第4 章基于广义信道测试的脉冲保真度计算和分析：以圆形单极子天线为例，考察 了其对应两种脉宽的高斯导数脉冲分别在视距和非视距条件下的脉冲保真度，以及收发 脉冲波形，用数值模拟的方法从定量和定性的角度分析了影响脉冲保真度的主要因素： 无线信号传播环境、天线以及脉冲信号波形，并分析圆形单极子天线在这两种脉宽的脉 冲下性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第1 章绪论 第5 章针对单一脉宽脉冲保真度的脉冲天线评估：针对两种脉宽的1 4 阶高斯导 数脉冲，从视距和非视距传播环境两个角度，通过比较不同收发天线对情况下的脉冲保 真度和波形，分析和评估已测量的8 种单极子天线在此脉宽的脉冲下的性能，探讨了超 宽带天线的性能评估和选择。 第6 章脉冲脉宽及测量和计算过程对保真度影响：考察了不同脉宽脉冲保真度；并 在原来计算脉冲保真度方法的基础上，对原有方法做出变形，比较了两种方法的优劣； 并对广义信道测量范围对脉冲保真度计算的影响作了评估。 第7 章提高脉冲通信系统性能的脉冲设计方法：在脉冲保真度分析的基础上，提出 了利用天线脉冲保真度来选择适合广义信道传播环境的脉冲选择方法，包括只考察脉冲 保真度和兼顾脉冲保真度和脉冲功率的两种方法。此外考虑了另一种基于f c c m a s k 和 测量的广义信道功率谱设计脉冲组合的方法。 第8 章结论 分析的结果表明，利用实测广义信道数据，应用数值模拟的方法计算脉冲保真度， 对脉冲信号的波形设计、超宽带天线的性能评估与优选卓有成效。 4 鬻衷邮逛大学矮圭磺究生学位论文第2 章广义蕾邀、辣狰镖囊度和超宽带脉冲豹基本缀理 第2 章广义信道、脉冲保真度和超宽带脉冲的基本原理 2 1 引言 基于天线一系统一体化的思想，必须把天线与无线电波传播环境组成的广义信道作 为一个滤波器，分析信号在这个广义信道中的传输性能，才能定量地评估信号传输的质 量，进而选择合理的收发天线、设计合适的通信信号与相关算法、实现最佳性能的系统。 同时由于超宽带系统的带宽很大，并且超宽带脉冲天线最终的应用是收发脉冲信号， 原有的天线参数指标无法从时域角度判断该天线是否适用于脉冲的应用场合，因此采用 脉冲保真度来衡量天线和传播环境对脉冲信号传输的影响。同时脉冲传输环境、天线系 统，都会对脉冲信号传输产生影响，如何选择会适的脉冲以提_ 离脉冲透信系统性能，也 需要利用脉冲保真度来进行分析。 此外本章还将讨论在本文中数值模拟过程中多次用到的高斯脉冲的性质，以及f c c 对于超宽带系统辐射功率的规定。 2 。2 广义信道 2 2 。1 广义信道的基本原理 一般地说，出于趣宽带通信占用的带宽很大、也就意味着天线在这样一个很宽的频 带内必然存在着频率选择性衰落，存在色散。因此，在分析系统性能时，不能单独考虑 天线特性，丽忽视信道空闻的影响，同样也不能只考虑信道，蔼忽视作为无线接口的天 线的作用。也就是说，必须把收发天线与它们之间的传输空间相结合，作为一个“广义 信道 ，分析宽带信号在广义信道中的传输特性。 图2 1 所示的是超宽带通信系统的一般系统框图，该框图中的虚线部分就是广义信 道，由发射天线、信道传播空间与接收天线三个部分组成。假定发射天线的时域脉冲响 应是魂p ) ；传输空间响应是吃) ；接收天线响应特性是h ，( f ) ，则这个广义信道可以用 如图2 1 的系统框图来模拟： 惫索邮魄大学磺士疆究生学搜论文第2 章广义薅邀、脉净保寞凌和超宽带辣净的基本獯理 图2 - l 超宽带通信系统巧厂义滤波器 从上述的系统框图可见，广义滤波器的性能对评估超宽带通信系统的性能来说，是 至关重要的。通过对广义信道的分析，可以将天线性能和信道特性结合起来研究。如何 测量凄这一滤波器的实际响应特性，如何在得到其特性的基础上建立套定量评估通信 系统性能的方法、合理设计和优选具有实用意义的天线，都是下一步需要考虑和研究的 问题。 2 2 2 广义信道频域测量方法 广义滤波器的响应特性通过实验测量的方法来得到，可以通过矢量网络分析仪 ( 姨) 来测量。测量装置示意图如图2 2 所示，其中图2 。2 ( a ) 模拟的是视距( l o s ) 的情况，图2 。2 ( b ) 模拟的是非视距( n l o s ) 的情况。 ( a ) 视距( l o s ) 情况( b ) 菲视距( n l o s ) 惜况 圈2 - 2 广义信道测量阏买验腺埋 具体的布置如下：在矢量网络分析仪的端日l 加上发射天线；接收天线安装在网络 分析仪的端园2 上，两者隔开一定的距离。这样在端嚣至上发射定频带内的扫频信号， 通过读取网络分析仪上的$ 2 1 传输系数褥到广义滤波器的幅度、相位参数。 为了模拟非视距( n l o s ) 传输的情况，可以用块足够大( 边长大于最低工作频 率对应的一个波长) 的金属板人为地阻断天线之间的直达路径；由于天线之间的测试距 离有限，如果想观察到多径特性，可以尝试如图2 2 那样、在天线一定距离的地方，放 6 南窳邮电大学矮童研究生学位论文 第2j 擘广义信道、稼冲保真爱嗣遥宽带脉、押鹇基本琢理 置一块足够大的金属挡板或者其它散射体，使得出现多个反射路径分量到达接收天线。 从矢量网络分析仪褥到的数据离散频域数据，是对我们所关心的频段如五办按照 舒频率为闻隔，逐点获取其对应频点处的信号幅度和相位信息，即测量的是数字频域。 由予无法用矢网分析仪测试所有的频率，其它未测试频段0 五和左以上频段，我们都 补0 。这相当于在频谱上加了矩形窗，即相当于接收信号通过一个理想带通滤波器。因 此在测量得到广义滤波器的频域数据，即该射频系统在空间中的传递函数汀( 万) 在其模 拟频谱上以鲈频率为间隔进行采样得到数字频谱日( 购，并在测量频段石五上加一个 带通滤波器，得到的序列为实际测量的系统频域传递函数日( ) ： 日( ) = h ( q ) b p f ( f l ，以) ( 2 - 1 ) 2 2 3 广义信道时域晌应计算方法 已知系统频域传递函数h ( n ) ，其i d f t 对应的时域信号为h ( n ) ，为一离散序列。 即： h ( n ) 娑嬲( 日( 哟) 宰磁) f 饭，厶) ( 2 2 ) 由数字信号处理知谢1 跳川可知，由嚣( q ) 计算磊( 力，需要将枣 0 后的嚣( q ) 共轭转 置成嚣( 锄，并拼合h ( q ) 和劈( q ) 序列，佟i d f t 交换，即可得翻采样率为z 实序列 时域信号h ( n ) ，如图2 * 3 ： r 实时域信弋 jl r a 八 、八 ；，厂、。 vf vv t 7 铲 图2 3i d f t 变换示艨图 经过上述处理看，可以褥至l 信道静时域冲激响应。 关予广义信道的测量和处理，还可以参考文献 8 - i 1 1 。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章广义信道、脉冲保真度和超宽带脉冲的基本原理 2 3 脉冲保真度秘一4 筋蠲 2 。3 。1 应用脉冲保真度分析的原因 从天线角度看，由于超宽带系统的带宽很大，若且超宽带脉冲天线最终的疲用是收 发脉冲信号，原有的一些天线参数指标无法从时域角度判断该天线是否适用于脉冲的应 用场合。因此有必要采用时域的分析方法，即利用脉冲保真度来衡量天线和传播环境对 脉冲信号传输的影响，分析脉冲信号在此广义信道中的失真情况。 从脉冲信号焦度看，对予采用相干解调的系统，根据系统的最佳接收准则，系统接 收端本地脉冲( 胛) 删最佳形式应该为系统发射端发射脉冲吼研) 与广义信道传递函数 h ( n ) 的卷积，即： ： s 蜘( 起) 倒= s t ( 哟木磊( 嚣) ( 2 3 ) 对于诸如正弦调制通信系统等速率不高的系统而言，可以很容易实现最优的本地脉 冲，或用如维纳滤波器、自适应滤波器等方式实现最佳接收。但对于冲激无线电这样的 高速系统来说，实际上由于电路实现问题，不可能随心所欲的设计脉冲形状，因此很难 实现理想的接收脉冲，也无法很好地采用宣适应滤波器等方法，我们只能在现有哥以产 生的几种脉冲中选择发射端发射脉冲和接收端本地脉冲最好的组合，来接近最佳接收系 统。因为在接收端的相关器是采用在褶关最大时刻进行判决，故以选择接收端本地脉冲 与及接收端接收到脉冲信号互相关系数最大作为脉冲组合的选择标准，即利用脉冲保真 度袭“选择适合天线和传播环境的脉冲。 2 。3 。2 脉冲保真度分析方法 由于上一节中，对于无线射频系统广义信道传递蘧数测量结果为离散系统序列，因 此在本节中所有分析均采用离散系统的分析方法及公式，但其原理与结果和采用连续系 统分析的分析方法是致的。 我们所采用的分析方法是：首先，系统发射端发射脉冲序列s ， ) 与无线系统广义信 道传递函数h ( n ) 序列进行卷积运算，由此得到接收端接收到的脉冲信号波形序列葶，( 忍) ； 最后，将接收信号s ，( 撑) 与接收端的若于个模板信号( 羚) 分别进行互相关运算，计算接 谢柬邮电大举硕士研究生学位论文 笫2 章广义信道、脉冲保真度和超宽带脉冲的基本骤耀 收波形与模板信号的相关系数、也就是“脉冲保真度 ，通过比较楣关系数的大小，选取 出性能较好的模板信号，就可以设计出合理的收发脉冲对。脉冲保真度出下式定义： f = 藏娥x r 转黼( 魏) ，葶，( 嚣势 灭( 廖棚( 行) ) r ( s ，( 拧) ) 。$ t e m ( 嚣) s ，( 啦( 2 - 4 ) 其中，s ，鳓蕊s t 羟) 枣磊( 妨 关于脉冲保真度定义还可参考文献【1 4 2 6 2 7 1 。 2 4 超宽带信号的功率谱 ： 如图2 - 4 展示了p a m - d s u w b 信号和p p m - t h - u w b 信号的功率谱对比，采用的 脉冲隽高斯一阶导数脉冲。 。 图2 - 4p a m d s - u w b 和p p m - t h u w b 俯母的功率谱对比 从墅中我销可以看出影确u w b 信号的功率谱的主要因素有：编褥方式( d s t h ) 、 调制方式( p a m p p m ) 、码元重复倍数m 、伪随机序列的周期、脉冲波形等。 因为本文重点涉及到脉冲波形，因此重点探讨脉冲波形的影响，其它的因素可以参 ： 9 南京邮电大学硕十研究生学位论文第2 章广义信道、脉冲保真度和超宽带脉冲的基本原理 看参考文献【7 2 3 2 5 1 。 从上图中，我们可以明显地看出来，单个脉冲波形的能量谱是u w b 信号的包络， 如果其带宽有限，则u w b 信号的带宽也同样受限。因此脉冲波形的设计，是u w b 系 统设计的重要组成部分。 2 s 高斯脉冲的性质 2 s 1 高斯脉冲 高斯脉冲是院较常见的并易于实现的脉冲形式，在本文中所讨论的脉冲，均以高斯 脉冲为例。以下简要描述一下高斯脉冲的性质。 高斯脉冲用下式描述： 罗) ：一e x p ( - 攀) ( 2 - 5 ) f 。 但是由于其存在直流分量，在实际应用中多采用其各阶导函数作为脉冲生成函数。 2 5 2 不同阶高斯导数脉冲性质 首先讨论一下不同阶高斯导数脉冲的性质，图2 - 51 5 阶高斯导数脉冲时域波形及 频谱睦线： 至5 盼嵩斯导数脉冲波形 1 至5 阶赢斯肆数腙冲飙谱 圈2 - 51 - 5 阶离斯导数脉冲时域液形及频谱 值得注意的是从频谱图中可以看出，随着脉冲阶数的增加，脉冲频谱的中心频率向 高频一侧移动，同时带宽也稍稍有所增加。 1 0 南京邮电大学硕士研巍生学位论文第2 章广义信道，脉冲保真魔和超宽带脉冲的基本原理 2 5 3 不网脉宽高靳导数脉冲性质 不丽脉宽f 的高簸导数脉冲的时域波形和频谱圈如图2 - 6 ，以薹阶高裁导数脉冲为 例； 葶弼请 鳇蓑攀 瓣零簸致摊浚嚣苓陲湃鳇薷辫 瓣荨赣赫狰攒谱 圈2 不问脉宽简斯导数脉冲的时域波形和频谱 从频谱图中可以看出，随着脉冲脉宽的减小，脉渖频谱的中心频率淘高频一侧移动， 同时带宽也急速增大。 下圈2 0 不同脉宽的1 5 阶离新导数脉冲中心频率和1 0 d b 带宽； 至5 瞬离斯辱簸脉冲在不向蓐宽下中心娥辩艇慧 2 6f c c 。m a s k 图2 。7 不同脉宽的1 5 阶高斯导数脉冲中心频举和1 0 d b 带宽 为了降低超宽带信号对其它无线应用的干扰，将其限制在一定的范围志，必须有一 个最大容许e i r p 的规定。臣前无线愈通信中唯一可用的有关辐射m a s k 的标准是由美圜 f c c 制定的。具体数值见表2 i 藕图2 堪。在第7 章中，我们将参考f c c m a s k 的标准， 来进行脉冲波形设计。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章广义信道、脉冲保真度和超宽带脉冲的基本原理 表2 - 1 f c c 制定的室内和室乡 毛 w b 设各的平均功率极限值 频率( m h z )e i r p ( d b m ) 室内e i r p ( d b m ) 室外 o 9 6 0珥1 3- 4 l 。3 9 6 0 1 6 1 07 5 3 7 5 3 1 6 l o 1 9 9 0 5 3 36 3 3 1 9 9 0 - 31 0 05 1 36 1 3 3 1 0 0 1 0 6 0 0。4 1 34 1 3 大于1 0 6 0 05 1 35 1 3 f e e 裁j g 豹塞卉襄室捧讲孵谖譬辨乎薅磅事穰蠢篷 l - - 一教 棚事( g h 对 图2 - 8f c c 制定的宠内和室外u w b 设各的平均功率极限值 1 2 蛳 舶 撵 描 瑚 i 搴 加 描 誊罄管|廿_蟒是赫苍鼍舯 南京邮屯m | 日f 究生 位论文 第3 章超宽带臆冲天线广义竹道* i 量1 ，数据分析 第3 章超宽带脉冲天线广义信道测量与数据分析 3 1 引言 根据天线系统一体化的思想，把天线与无线电波传播环境组成的广义信道作为 个滤波器，分析信号在这个广义信道中的传输性能，定量地评估信号传输的质量，进而 选扦合理的收发大线、设计合适的通信信号与相关算法、实现最佳性能的系统。 本章将从系统的角度出发，根据上一章介绍的实验评估系统的基本原理和实验方法， 通过对大量不同结构的单极子天线在视距和 f 视距测量条件下测量广义信道数据，考察 上述广义信道的时域响应特性，对传输性能进行定量评估和分析。 3 2 广义信道分析对象和传播环境 为厂尽a t 能降低电缆馈线乱真发射对传输实验的干扰，实验中不妨采用结构简单、 制作与馈电容易、相对较成熟的板状单极子作为分析对象。最终分别选取了圆形、“钻石” 形、六边形、椭圆形、五边形、圆环形、力形、“水滴”形单极予天线作为代表这些天 线的辐射单元实物如图3 1 所示，所有单极子天线在测试时都安装在一块直径为1 5 0 龟 米的金属底板( 图3 - 1 左半) 上、采用s m a 同轴接头馈电。 目3 一i 单子天线的实物雎h 图3 2 所示是这八种天线的输入驻波比，可见在3 - - 5 g h z 频率范幽内，这8 种无线 南京u 学i 研究生学位论文 第3 章超韶带脉冲无线广义信进i 量。j 数据分析 的驻波比都比较低、大致都在2 以内，因此可以认为这些天线近似具有较好的宽带匹配 特性。其中以方形单极子天线的驻波比最佳，整个频段内部在15 矗右：蜊蚪形与六边 形单极子大线的驻波比较差，低频段的驻波比达到2 左右。 目3 - 2 宝w a 种单极f * 线输 # 波l 匕( 3 5 g h z ) 首先利用图2 2 中的实验装置测量视距情况下广义信道的传输特性，传输实验在 个房间内进行，整个实验环境如图3 3 所示： 图3 - 3 广义信道宴验的删a w 境 收发天线之间的间距为o3 5 0 m 左右，用暗室常用的微波吸收材料将馈电电缆完全 包裹起柬、仪仅露出天线；距离天线自口方的12 m 处的墙壁上放置有尺寸足够大的盒属 反射板，室内还有其它家具和电器，是一个较典型的室内非丌词传播环境，因此具有 定的代表r m 更接近工程实际情况。其实验装置原理图如下图3 - 4 ： 鬻袁邮电大学磺壤究生学位论文第3 章超宽繁脉冲天线广义信道测璧与数据分析 金属 待测 ( a ) 视距( l o s ) 情况( b ) 非视距( n l o s ) 情况 圈3 0 广义僚道测量的实验装置 3 。3 超宽带单极子天线的广义信道测量与数据分析 3 3 1 视距广义信道测量与数据分析 利用上章中介绍的数据处理方法，将测量的广义信道频域响应数据转化戒相应的时 域冲激响应特性。处理后的冲激响应结果如图3 - 5 ( a ) - - ( h ) 所示。 l i 一。t 。“l “l t l | 。；。 ”q ”w 1 f l l r t ”! 虬。一。 。1 。l i k j 1 ”7 鬻 r p 。? ： | 1 r 柑坩 + p v - i | 一”川7 漤 南京邮恕大学硕士研究垒学位论文第3 牵超宽带脉冲天线广义信道溯豢与数据分耩 。l l l | l ih 。一。： 1 ” l i l f l ”一： j h 1 。j 一一。i “。i “l 一”1 ”湃 ”。 1 一： 。i | 。i i l j i l 。，。一。 ”咿澍 r ”一 05攥 g辱85镩 t o 呻t 蝴 ) 瞬3 - 5 视距情况下采用不雕单梭子灭线传输、所得的广义信邀的时域冲激响应，( a ) 睡形，( 蟛“钻石”形，( 0 六遗形， ( d ) 椭圆形，( c ) 嚣边形，圈环形，国方形，( h ) “承滴”形 从图中可见，虽然视距广义信遵下采用不同的天线进行收发，但由于视距传播的主 路径信号很强，髓量集中，多径的影响十分小；由于视距传播且传输距离有限，因此信 号基本上没有展宽和拖尾。响应中所有的峰值出现的时刻约在1 2 6 n s ，折算成自由空间 中的距离约为3 7 9 m m ，与实验中的天线距离( 约3 5 0 m m ) 基本吻合，表明这一“单峰 特性确实是视距分量造成的。 3 。3 。2 非视距广义信道测量与数据分析 实际应用中逶常很少遥到视躐传输的情况，因此，超宽带天线设计中，非视距传输 的情况是非常重要的因素，天线系统设计评估时，必须加以考虑，以便合理选择收发天 线、评估系统的性能。下面将进一步分柝鼍鼻视距广义信道下不同收发天线对之闻的传输 性能。 实验采用图3 - 4 ( b ) 中的装置、仍然在图3 3 所示的实验环境中完成，因此实验条件 1 6 m 自m l u 人iq f 究学位论文 第3 章超宽带脉冲天线广义信道侧量与数据分析 几乎是完全- - f f 的，唯一不同的是采用了块4 0 0 毫米x 4 0 0 毫米的金属扳作为两个天 线之间的挡板、人为地消除了视距传播路径。最终得到的非视距情况下广义信道时域冲 激响应如图3 - 6 ( a ) ( h ) 所示： 山 r 吓一1 山。 q 1 v ”l m 山h 一。 r r r t 叩”j 1 。 。c m 0 m 日 止。h 。 啊”r 。 l _ 止一 r 1 邛r 南京邮f u 大学碗1 研咒学位论女笫3 章超宽带肺冲 rx f j m b 舡* 析 j山 l r q f ”r _ 1 山。一 。 n _ 。7 。 ( g )【h j 图3 * 6 非距隋h 下采用不目单极t * 线传辅、所得的r _ r 信m 日勺时域冲激响应( 计圆，( b ) “钻”，( 卉垃 m ( d ) 椭日e ( 砷j 边彤( 0 阿环彤( g ) 方形( h ) “水滴” 从图中可见，非视距传播的情况下，广义信道的脉冲响应与视距的情况有明显不同。 首先，出于存在较大尺寸的遮挡、已经不存在视距分量，故第一个主峰值的幅度大大减 小，而且出现的时刻与视距条件下的测量结果不同，这个峰值的出现与捎板边缘的信号 绕射路径有关。图3 - 7 中所示的是绕射路径的几何示意图，实验中挡板边缘的突出距离 为1 5 0 n 1 i n ，由此根据简单的平面几何关系，最短绕射路径( 虚线所示) 的长度约为4 6 0 m m 。 而根据实验数据恢复的脉冲响应中观察到的首个“主峰”到达时刻为15 7 8 3 n s ，折算成 绕射路径长度约为4 7 3 m m 左右基本可以认为两者的结果是吻合得比较好的。由于是 绕劓路径，因此主峰的幅度也是下降了很多。 发射 欠蛙网络分析仪 板 目3 - 7 射路径n 何示意凹 此外，由于实验环境中人为地加入了散射体和反射体( 距离天线1 2 0 0 r a m 处墙壁上 的金属反射板、室内家具、电器等散射体、人体等等) 和挡板，因此可能会造成“多释” 传播的现象。通过图3 - 6 ，不难发蚍广义信道脉冲响应中出现r 若干个主要的多径分量， 并出现明显的“簇”，这是由于环境中存在几个主要的反射散射物体的缘故。在视距晴况 中，也存在多径的影响但由于主峰幅度很大，使得多径的影响不明显。在非视距情况， 由于t 峰的幅度大大碱小，这使得本来就存在的异条多径分量的影响显现“簇”也变得 18 南京邮电大学硕士研究生学位论文第3 章超宽带脉冲天线广义信道测量与数据分析 明显。从实验结果可见，“簇”现象较明显的是采用五边形、六边形、方形、圆环形天线 的情况，其中又以前三种情况的“簇 特别明显，尤其是采用五边形单极子天线的情况， “簇”的幅度最大、而且个数也最多。并且由于绕射路径和多径的影响，信号的宽度也 展宽，存在一定的色散情况，因此系统的传输性能也可能会有一定程度的差异。 1 9 南京郎电人学硕壬磷究生学位论文 第4 章篓子广义信遭测试的脉冲傈冀度诗算和分析 第4 章基于广义信道测试的脉冲保真度计算和分析 4 。1 引言 根据第2 章原理，利用上章中测量到的天线广义信道数据来进行脉冲保真度的计算， 以及最优发送接收脉冲对的选择。以圆形单极子天线必分析对象，考察电波传播环境和 收发天线以及脉冲形状等影响脉冲保真度的重要因素。 -_ 不失一般性，本文采用代表性的、容易实现的高斯导数脉冲( 埘阶高斯导数脉冲) 为对象。当然也可以选择其它不同种类的脉冲，包括椭球波函数【1 2 】、截断正弦【1 2 】，拉 布拉斯脉冲f 1 3 】，高斯脉冲按时间间隔相反幅度组合叠加的脉冲波形f 1 4 】，厄尔密特脉冲f 1 5 】 等。考虑到将来物理实现的复杂性，只分析了阶数较低( 1 4 阶) 的高斯导数脉冲的传 播特性。 4 2 视距广义信道的脉冲保真度计算和分析 。首先分析视距传播广义信道下的脉冲传输。天线我们选取圆形单极子天线作为分砉矛 对象，以脉宽为o 。5 n s 麴嵩斯导数脉冲作为发射和接收的脉冲。表4 ，1 是视距广义信道 下，用圆形天线作为收发天线对，以l 4 阶高斯导数脉冲作为发射脉冲，接收端同样也 以1 - 4 阶高斯导数脉冲作参考信号，与接收信号作相关所得的相关系数( 脉冲保真度) 。 表4 - l 圆形单极予天线视距广义信道下脉冲保真度( 脉宽0 5 n s ) 收发信号1 阶接收2 阶接收3 阶接收4 阶接收模板脉冲 1 阶发射 0 7 2 2 6 40 4 2 8 20 2 4 9 1 6 o 1 5 0 4 1l 阶 2 阶发射0 7 2 1 7 80 5 4 2 20 3 8 7 2 90 2 9 1 8 91 阶 3 阶发射 0 6 1 8 4 80 。5 7 0 3 20 。5 0 8 5 90 4 2 9 6 91 阶 4 阶发射 0 。5 0 3 l0 。5 7 9 20 。5 7 9 0 10 4 8 3 8 72 阶 对于用1 2 阶高斯导数脉冲发射的情况，接收端采用1 阶的脉冲即可获得较好的保 真度( o 。7 左右) ；3 阶发射的情形，采用1 阶接收性能较采用其它阶脉冲作为模板信号 要好，但整体性能比l 、2 阶发射信号要差一点；对于4 阶的情况，采用2 阶或3 阶高斯 导数脉冲信号作为模板信号性能较l 、4 阶的要好一点，但比1 、2 阶发射信号来说，性 能上差很多。 瘩京邮睡大学磺圭磷究生学位论文纂4 搴基子广义绥遂测试的辣狰傈真艘诗雾嚣1 分辑 图4 1 是以l 4 阶高斯导数脉冲作为发射脉冲所得的通过广义信道的接收波形，以 及最优的模板脉冲。 1 瞬蒿斯导数敝神发射接i 莨潋彩袋横扳脉冲( 1 阶脉冲) 2 瞬爵断哥数脉冲麓射、接收波形及横槿脉冲( 惭蓐冲) 3 黔蔫新寻擞麟冲美射。接收波形袋期攫驻冲( 1 跨脉冲) 圈务l 视鼯广义蔼遴下嚣彤单极子天线瓣脉宽0 5 n s 苓霹黥砷信号响应波形( 蠢l 输，0 ) 2 除，翰3 阶，麓酚 我们再来考察一下脉宽为0 2 5 n s 的情形，见表4 。2 ： 表4 - 2 圆形单极予天线视距广义信道下脉冲保真度( 脉宽o 2 5 n s ) 收发信号1 阶接收2 阶接收3 阶接收4 阶接收最优脉冲 1 阶发射 0 3 5 8 0 1o 1 8 6 1 8 o 1 2 4 5 60 0 7 2 6 9 61 阶 2 阶发射0 4 2 8 l l0 3 6 9 7 70 2 5 5 3 40 2 3 4 2 71 阶 3 阶发射 0 4 2 3 5 40 。3 7 7 5 80 4 0 9 8 90 4 0 1 3 51 阶 4 阶发射 o 。2 1 0 6 60 。2 9 5 2 30 3 4 2 0 50 。4 1 4 8 24 阶 显丽易见的是，脉宽0 2 5 n s 的各阶导数脉冲通过该广义信道的系统性能，与脉宽 0 5 n s 的脉冲相比要差些。这是由予脉宽0 2 5 n s 的离斯导数脉冲功率谱比脉宽o 。5 n s 的 脉冲功率谱的高频成分要多，在信号传播过程中，高频分量随距离衰减教大；此外，0 2 5 n s 脉冲少量功率谱位于较高的频段，超出了3 5 g h z 的范围，脉冲通过我们所考察的信道， 其能量被限制在3 5 g h z 的范围，敌和原脉冲相比，其性能不是十分理想，这方面的原 因将在第6 章中详细讨论。 2 l 南索邮电大学