（电磁场与微波技术专业论文）室内环境下超宽带传输特性的测量与分析.pdf

摘要 本文着重从传输误码率的角度来研究室内环境下超宽带传输特性。文中首先介绍了课 题研究中所涉及的理论基础，包括用于多带正交频分复用超宽带系统仿真平台设计的 o f d m 系统原理，以及在测量超宽带信道特性时使用的不同单极子天线的设计方法；设计 并改进了基于8 0 2 1 5 3 a 提案设计的2 0 0 m b p s 速率下的仿真平台，将原来的仿真平台增加 了多种速率的仿真功能；在室内环境下的视距( l o s ) 和非视距( n l o s ) 情况下，利用 矢量网络分析仪( 妊) 对室内环境下超宽带无线信道进行了频域测量，并对测量数据进 行后期处理，得出视距和非视距情况下的时域冲激响应：针对仿真系统中的信道模块进行 了改进，将信道的时域冲激响应用于改进的仿真平台上，进行误码率测试，得出超宽带的 传输性能：之外，根据测量和仿真结果对不同天线的性能进行了评估，提出一种新的考察 ： 天线性能的方法。 关键词：超宽带传输特性信道测量正交频分复用系统仿真 a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c m e so nt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo fu w bc o m m u n i c a t i o n s b ye v a l u a t i n g t h es y s t e m sb i t - e r r o r - r a t e ( b e r ) b a s i ct h e o r i e s ，i n c l u d i n gt h e o r yo fm b o f d m b a s e du w b s y s t e m ，d e s i g nm e t h o d so fu w bm o n o p o l ea n t e n n a s ，a r ei n t r o d u c e d a ni m p r o v e du w b s i m u l a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r m ，b a s e do n2 0 0 m b p s ，i e e e8 0 2 1 5 3 as c h e m e ，w i t hm u l t i r a t e ，i s d e v e l o p e df i r s t t h e n ，c o n c e p to fi n d o o rg e n e r a l i z e dc h a n n e l ，w h i c hi sc o m p o s e do fr x a n t e n n a ，t x a n t e n n a a n dt h ep r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t ，i sp r o p o s e d t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h eg e n e r a l i z e d c h a n n e l ，i n c l u d i n gl o sa n dn l o sc a s e ，a r em e a s u r e db yu s i n gv e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r t h e s e m e a s u r e dc h a n n e ld a t u ma r et r a n s f o r m e di n t ot i m e - d o m a i ni m p u l s er e s p o n s e ，a n dt h e nu s e da s t h ec h a n n e ld a t u mo ft h es o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r m f i n a l l y , b ye v a l u a t i n gt h eb e rp e r f o r m a n c eo ft h ep l a t f o r m ，t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e sf o r d i f f e r e n tg e n e r a l i z e dc h a n n e l sa r ei n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a l r e s u l t s ，t h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ef o rd i f f e r e n ta n t e n n a sc a nb ei n v e s t i g a t e dq u a n t i t a t i v e l y t h em e t h o dp r o p o s e di nt h i st h e s i sm a yb ean o v e l ，e f f e c t i v ea l t e r n a t i v ef o ru w b a n t e n n a p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n k e y w o r d s ：u w b ；t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e ；c h a n n e lm e a s u r e m e n t ；o f d m ；s y s t e m s i m u l a t i o n 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。 研究生签名：杜日期：型业 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 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 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：未f 钵导师签名：研究生签名：百l 功芬币导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 论文的选题背景和意义 第一章绪论 随着互联网、多媒体和无线通信技术的发展，人们对实现高速率、高质量无线多媒体 业务的需求越来越迫切。超宽带( u w b ，u l t r a - w i d eb a n d ) 通信技术就是在此背景下迅速 发展起来的，它与传统无线通信技术有很大不同【卜2 】。 所谓u w b 信号，f c c 的定义为任意相对带宽大于2 5 或带宽大子5 0 0 m h z 3 - s 】，并满足 f c c 功率谱密度限制要求的信号。 为避免对现存通信系统潜在的可能干扰，f c c 一方面将u w b 通信系统限制在 3 1 1 0 6 g h z 频带，同时对其辐射功率作出了比f c cp a r t1 5 2 0 9 更为严格的限制，将其等效 各向同性辐射功率限制在4 1 3 d b m m h z 以下。 由上述定义可以看出，现在的u w b 包括了任何可以使用超宽带频谱的通信形式。这样， u w b 的数据信号形式可以分为窄脉冲( 冲激无线电) 形式与调制载波的扩谱形式。后者可 以将u w b 信号搬移到合适的频段进行传输，从而更加灵活、有效地利用频谱资源，调制载 波系统的信号处理方法与一般通信系统采用的方法相类似。本课题采用后一种形式，采用 原多带联盟的提案，即m b o f d m ( m u l t i b a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， 多带正交频分复用方式) 超宽带系统。m b o f d m 超宽带系统将3 1 g h z 1 0 6 g h z 频段分为 多个5 2 8 m h z 的子频段，使用载波将信号调制到各个子频段上去，该物理层方案的优点是 可以利用现有o f d m 技术较为成熟的理论以及设备实现超宽带无线通信。 本论文的目的是通过对u w b 室内无线信道传输特性的研究获得对u w b 无线通信系统 的一个全面的理解。在建立一个实际的超宽带无线通信系统之前，首先要仔细研究它的信 道传输特性，u w b 信号在室内的传输特性是其中一个极其重要的问题，对于u w b 的未来 发展方向，范围、以及在何种程度上u w b 技术能取得成功都具有显著的影响，传播信道的 传输特性在各类通信系统的设计中都是绝对必要的。 信道特性是指从测量数据中提取信道的参数，而这些参数反过来又可用于评估在此传 播媒质中使用超宽带信号进行通信的u w b 通信系统的性能或者用于对信道进行仿真分析。 数据可通过使用各类实验装置用不同的方法获得，信道特性可在时域或频域进行测量得 到。 综上所述，对超宽带无线信道传输特性进行测量和性能分析显得极为重要，同时，对 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 信道的特性参数进行深入地研究分析，以解释无线信号传播的更为细致的规律，这对于理 论研究和工程应用都有着十分重要的意义。 本文将在测量室内短距离无线信道的基础上，对测量的信道数据进行分析处理，得出 其时域冲激响应，并结合改进的m b o f d m 超宽带仿真系统平台上进行仿真分析，比较不 同天线和l o s n l o s 情况下超宽带传输性能。 1 - 2u w b 信道传输性能相关课题国内外研究现状 对于窄带频率范围的电波传播问题，人们已经做了大量的测量与研究，国内外的专家 学者已经提出了许多模型用来描述多径传播的移动无线信道。 但是，对窄带无线信道的传播测量及提出的相关模型，由于测量带宽的限制，已经不 能适用子u w b 系统的研究。随着超宽带无线通信系统逐渐成为研究的热点，研究者致力 于建立一种能够可靠和准确地对u w b 系统性能进行仿真的信道模型，目前，可用的测量 数据还不够充分，需要更广泛的测量数据进行全面的信道模型研究，另外，u w b 信道脉 冲测量又与具体所使用的发射和接收天线有关，这更增加了这一问题的复杂性，而且脉冲 形状及其频谱同样也影响测量数据的准确性。 关于u w b 室内信道特性最著名的在时域的测量是由美国南加利福尼亚大学的u l t r a l a b 研究组进行的，与t i 公司合作【7 】，它们的测量使用了取样示波器，脉冲发生器和宽带天 线，这些测量的结果用于进一步的分析与建模【6 1 【引，但以上文献中没有提供在这些测量中 所使用的脉冲形状和天线特性的信息，在以上作者的另一篇单独研究论文中提到测量中使 用了菱形偶极子天线 9 1 。得到u w b 信道特性的另外一个方法是通过频域信道测量，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高，特别 是网络分析仪，它的灵敏度远远高于时域测量中所使用的取样示波器，频域测量的缺点是 需要较长的高质量射频电缆将网络分析仪连接至发射与接收天线，而且还需要对这些电缆 进行双重屏蔽，以避免由于空中的辐射信号通过电缆耦合到达接收端，此类电缆就是长距 离测量的主要限制因素，而在直接时域测量中，只需要使用电缆将发送端的触发信号传递 到接收端的取样示波器，由于触发信号的带宽远小于脉冲信号的带宽，具有适当衰减和杂 散电平的长距离电缆在用于传送触发信号已经足够，使得在时域上进行源和观察点之间的 u w b 信道长距离测量非常方便。在使用频域信道测量技术测量u w b 传播信道方面，己 发表的文献有；g h a s s e m m z a d e he ta 1 i o 】，p r e t t i ee ta 1 ii 】，k e i g n a r t 和d a n i e l e 1 2 】，s t r e e te t a l 1 3 】，以及h o v i n e ne ta 1 1 1 4 】。其中只有o h a s s e m m z a d e he ta 1 f 1 使用了较长的电缆，达到 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 4 5 米，其他文献中记载的测量装置中只不过使用了最长达1 0 米的电缆，而且使用的测量带 宽也不尽相同。 1 3 本文主要研究内容和主要贡献 本课题来源于我校与哈尔滨工业大学、桂林电子科技大学等高校合作的国家自然科学 基金重点项目“超宽带高速无线接入理论与关键技术”。本论文的主要工作是在对 m b o f d m 系统关键技术进行研究和原有仿真平台的基础上，对原仿真平台进行了改进， 增加了多种速率的仿真功能( 原来只有2 0 0 m b p s 一种速率) ，并针对其中的信道模块进行 了设计；设计不同的单极子天线，在l o s 和n l o s 情况下，利用矢量网络分析仪( v n a ) 对短距离超宽带无线信道进行频域测量，并对测量数据进行后期处理，得出不同情况下的 时域冲激响应；将测量数据应用于改进的仿真平台上，对超宽带传输特性进行了仿真分析； 之外，根据测量和仿真结果对不同天线的性能进行了评估，提出一种新的考察天线性能的 方法。 基于以上内容，本论文各章节安排如下：第二章主要介绍了课题研究中所涉及的理论 基础，包括用于多带正交频分复用超宽带系统仿真平台设计的o f d m 系统原理，以及在测 量超宽带广义信道特性时使用的不同单极子天线的设计等。第三章内容主要包括超宽带信 道测量的时域和频域测量方法，以及两种方法中测量数据的后期处理过程，最后介绍所处 的测量环境、提出本课题中所用的测量方法、并给出视距和非视距情况下的测量结果等。 第四章首先介绍基于8 0 2 1 5 3 a 提案设计的2 0 0 m 速率下的仿真平台，然后对仿真平台进行 改进，将原来的仿真平台改进为多速率仿真平台，并对信道模块进行了改进，改进为可嵌 入实测信道数据的多种信道仿真平台；针对测量得到的不同信道数据，在仿真平台上进行 误码率测试，得出超宽带传输性能；最后，提出一种基于系统仿真平台的评估天线性能的 方法。第五章对全文进行总结。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章超宽带传输特性研究基础 第二章超宽带传输特性研究基础 本章主要介绍课题研究中涉及的理论基础，首先介绍用于多带正交频分复用超宽带系 统仿真平台设计的o f d m 系统原理，然后介绍在测量超宽带广义信道特性时使用的不同单 极子天线的设计。 2 1m b - o f d m 系统原理 2 1 1 频分复用( f d m ) 原理 在频分复用技术中，信道被划分成n 个子信道，利用n 个不同频率的子载波并行的在 子信道上传输n 路数据【1 5 】【1 6 】【1 7 】。频分复用的传输系统发送和接收端的组成框图如图2 1 所示。 图2 。1 频分多路传输系统组成框图 复用的信号共有n 路，设其具有相同的信号带宽。n 路信号分别通过一个低通滤波器， 以保证其最高角频率不超过w m ；接着对各路信号用子载波进行调制从而实现频谱搬移。为 了限制各路子载波所占频带，在相加器前，每一路设一个带通滤波器( b p f ) 。信号此时在 频带上是互不重叠的，因此可以用相加器将n 路信号复用在一起传输。 频分多路信号可表示为： n s ( f ) = zc o s 魄( ，) ( 2 1 ) 4 壹塞坚皇奎堂堡圭堕壅生兰壁垒奎蔓三童望童塑箜塑堑丝堑窒薹型 在接收端，解调过程是一个相反的变换。多路信号加到各个分路带通滤波器上，各个 带通滤波器的中心频率分别对应该路带宽和子载波频率，只允许本路信号通过，从而实现 了频域的分割。分离后的信号进行子载波解调，就可恢复各路信息。 选择f d m 的载频时，应该考虑子频带的宽度，同时为了防止邻路信号间互相干扰，还 应留有一定的防护频带。 2 1 2 正交频分复用( o f d m ) 原理 正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是一种特殊的多 载波传输方案，o f d m 是在f d m 的原理的基础上，子载波集采用两两正交的正弦或余弦 函数集。函数集 c o s ( n c o t ) ， s i n ( m o o t ) ( 冠，m - - - o ，1 ，2 ) 的正交性是指在区间瓴，t o + 丁) 内， ： 有 f ：+ tc o s ( 门国t ) c 。s ( m o o t ) d r = t ( 1 1 _ m = o ) ( 刀圳 其中t = 等 ( 2 2 ) 0 ( n 历) 正弦函数同理。 为了使子载波可以重叠，则要求他们在频率上有良好的正交性。设o f d m 信号发射周 期为 0 ，t ，子载波数为n ，令五= f o + 后4 f = 0 ，l ，n - 1 ) ，f o 为最低子载波频率，矽 为子载波之间的频率间隔，子载波间满足正交性的条件为 r e j 2 x a tx 2 嘶胁= 吾歹嚣 仁3 ， 可以证明，只要适当选择载波之间的频率间隔厂，使矽= 髟，即可使各载波在整个 o f d m 信号的符号周期内满足正交性。当o f d m 符号由矩形时间脉冲组成时，每个调制载波 的频谱为s i n x x 函数形状，其峰值对应于所有其他载波频谱中的零点。 下图分别o f d m 符号中一个子载波和五个子载波频域仿真图。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章超宽带传输特性研究基础 图2 2o f d m 符号中一个子载波频谱图2 3o f d m 符号中五个子载波频谱 从图2 3 中可以看出，在每一个子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值恰 好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每一子载波 频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符号，而 不会受到其他子信道的干扰。 2 1 3m b - o f d m 超宽带信号模型1 钔 o f d m 发送信号复等效基带信号描述为 n l； s ( 力= 4e x p ( ，2 万专。一) ) r + ， ( 2 4 ) i = 0 上 其中：矾表示被调制数据，n 为传输的o f d m 符号的个数，z 为每个o f d m 符号 的持续时间。 多带系统中，有m b o f d m 发送信号时域波形【6 1 表示为 f n i1 k ( f ) = r e o 一船南) e x p ( y 2 f ( 七。o d 6 ) f ) ( 2 5 ) l k = 0j 其中r e ( ) 代表取实数部分，r k ( t ) 表示第k 个o f d m 符号的复基带信号，为传输的 o f d m 符号的个数，乃聊为符号间隔时间，m b o f d m 系统中使用了跳频技术，第k 个o f d m 符号的子带中心频率由长度为6 的时频编码决定。 r k ( t ) = r p 阳a m b l e 七( f ) a d c r ，k 一删缸( f ) r d a t a ，k 一，。扛( ，) 0sk n p r e n m b i e 旭绷b l e k m p 砒， ( 2 6 ) m e 口d e ，k 南京邮屯人学硕士研究生学位论文第三章室内环境下超宽带信道的测量及数据处理 第三章室内环境下超宽带信道的测量及数据处理 当前u w b 信道模型研究的重点是建立基于实际信道测量的统计模型。建立统计模型的 前提是在实际环境中得到实测信道的冲激响应，信道实际测量过程可以分解为信道测量和 后期数据处理两部分，信道测量主要包括测量系统的硬件构成和配置，参数选择及测量过 程；后期数据处理完成相应实测数据变换和校正等。 信道测量的最终目的是得到信道的实测冲激响应，这可以通过直接发射窄脉冲，并接 收信号的时域响应波形得到，也可以先获得信道的频率响应，再经傅立叶反变换得到。因 此，u w b 室内信道测量系统也主要分为两种，即时域测量系统和频域测量系统。 本章首先分别介绍信道测量的两种方案时域测量和频域测量，包括各自的测量系 统配置和后期数据处理方法，并对两种方案进行比较；然后根据实际情况，采用频域测量 方法测量特定环境下的信道特性，并对测量数据进行处理。 3 1 信道测量概述 获得信道冲激响应是研究信道传播特性的核心问题，这主要由于：( 1 ) 信道冲激响应包 含所有信道信息，输入信号与信道冲激响应的卷积就是经过信道传输后的接收信号：( 2 ) 由信道冲激响应计算得出的各种统计量，如平均附加时延、r m s 时延扩展、平均多径数目、 功率延迟分布等，不但能够使我们更好地了解在各种不同信道下信号的传播特性，还可以 用于优化接收机的设计；( 3 ) 在对实测信道冲激响应数据进行分类、分析和建模的基础上建 立的数学解析模型( 即信道模型) 可以对实际信道进行模拟，通过计算机仿真或解析计算， 可以准确的预测信号经过信道后的特性，继而可以准确分析接收机在相应信道下传输的性 能，提高接收机的设计效率。获得信道冲激响应最直接和准确的途径就是对实际信道进行 测量，因此可以说信道测量是研究信道传输特性的基础和着眼点。 当前主要的信道测量方法主要有两种：( 1 ) 时域法，测量系统发射端发射窄脉冲( 纳秒 或亚纳秒级) ，在接收端由抽样示波器在时域对接收信号进行采样，通过一定的后期处理就 可以得到信道冲激响应：( 2 ) 频域法，测量系统通过发射点频扫频信号得到某一频段上信道 的频率响应，经傅立叶反变换可得到信道冲激响应。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章室内环境下超宽带信道的测量及数据处理 3 2u w b 信道的时域测量方法 3 2 1 时域测量 发射端由脉冲发生器发射窄脉冲( 纳秒或亚纳秒级) ，脉冲信号经功率放大器、发射天 线后进入信道，接收信号经接收天线、低噪放后直接送数字抽样示波器，并转存到计算机 中。脉冲发生器和数字抽样示波器均由触发信号发生器发出的信号触发。后期处理中使用 m a t l a b 软件利用c l e a n 算法对接收信号进行去卷积，再通过对数据格式的处理就可得到信道 冲击响应h ( t ) 。时域测量系统如图3 1 所示。 图3 1u w b 信道时域测量系统 3 2 2 时域测量数据的后期处理 设脉冲发生器发出的脉冲信号波形为p ( t ) ，抽样示波器得到的接收信号波形r ( t ) 为： r ( t ) = p ( t ) 木t ( t ) 枣h ( t ) 水r ( t ) - in ( t ) 1 2 ( 3 - 1 ) 童塞塑皇奎兰堡圭堡窒生堂笪丝壅 蔓三兰窒塑堑垄! 塑壅堂堕堕箜型至丝墼塑竺堡 其中幸代表卷积，t ( t ) 和r ( t ) 分别是发射和接收天线的时域冲激响应，1 1 ( t ) 是信道 冲激响应，n ( 0 是加性高斯白噪声。 时域信道测量的后期数据处理的主要任务就是从接收信号r ( o 中提取信道冲激响应 h m 。如图2 1 所示，时域信道测量的后期数据处理主要包括以下过程： 1 ) 利用c l e a n 算法对接收信号进行去卷积 利用模板信号与接收信号间的相关特性，提取时域实测接收信号中的多径分量，获得 信道冲激响应。 2 ) 设置时间零点 确定去卷积后的信道冲激响应的时间起点，并设置为时间零点，以确定后续达到多径 分量的到达时间。 3 ) 确定系统分辨率，并重新计算多径增益。 时域 图3 2 时域测量的后期数据处理 直接用c l e a n 算法处理得到的信道冲激响应中多径分量的时间间隔远小于系统的实际 时间分辨率，需要按照系统的时间分辨率重新计算多径增益。在确定系统分辨率后，将冲 激响应按系统时间分辨率分成相等的时间片( b i n ) ；将每个时间片内的所有多径幅度相加作 为此时间片多径分量增益。 上述后期处理的关键在于基于c l e a n 算法的去卷积处理，由于时域算法不是本文重点， 所以这里不再赘述。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章室内环境下超宽带信道的测量及数据处理 3 3u w b 信道的频域测量方法 3 3 1 频域测量 矢量网络分析仪 2 h ( v e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r ，q a ) 的发射端发出某一频率信号，经功 率放大器、发射天线后进入信道，接收信号经接收天线、低噪放后送v n a 的接收端，通过 v n a 的计算即可得到信道频率响应对应此频率分量的幅度值和相位值，v n a 在测量频带内 重复上述过程，即可得到该频带内的信道频率响应。计算机通过g p i b 接口与v n a 通信，利 用l a b v i e w 软件对v n a 的扫频过程进行控制，得到的数据直接存储到计算机中。后期处理 使用m a t l a b 软件对数据进行数据校正、加窗、i d f t 、设置门限和时间零点等处理后即可得 到实测信道的冲激响应。频域测量系统如图3 3 所示。 图3 3t l w b 频域测量系统 3 3 2 频域测量数据的后期处理 图3 3 中v n a 实测的接收信号为 ，( 厂) = p ( 厂) r ( 厂) 日( ) 尺( 厂) + ( 厂) ( 3 1 ) 其中t ( f ) 和r ( f ) 分别是发射和接收天线的频率响应，p ( f ) 是发射信号的频谱，h ( f ) 是信道频域响应，n ( f ) 是加性高斯白噪声功率谱密度。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章室内环境下超宽带信道的测量及数据处理 频域测 图3 4 频域测量的后期数据处理 与时域测量类似，频域信道测量的后期数据处理的主要任务就是从接收信号r ( f ) 中 提取h ( f ) ，并最终得到信道冲激响应h ( t ) 。如图3 4 所示，该过程主要包括数据校正、 加窗、傅立叶变换、设置门限和设置时间零点五部分【2 2 】。 1 ) 数据校正 频域测量中的数据校正对应时域测量中的去卷积，数据校正应去除丁( 厂) 、尺( ) 、尸( 厂) 的影响。由于频域中上述各项与信道频域响应h ( f ) 是相乘关系，所以相对于时域去卷积 处理，频域的数据校正相对容易。通常可以将整套测量设备设置在一个微波暗室中进行测 量，此时h ( f ) 可认为近似为常数，并得到校正数据c ( f ) - p ( f ) t ( f ) 奉r ( f ) + n ( f ) ， 其中n ( f ) 是暗室测量的高斯自噪声功率谱密度，对于任意实测数据r ( f ) 作r ( f ) c ( f ) ， 可得到校正后的h ( f ) 的近似值。 2 加窗 每组实测频域数据的起点和终点处的数据较其他部分的数据有明显的跳变，如果直接 对这样的数据进行傅立叶反变换，则在时域冲激响应中会出现所谓过调( o v e r s h o o t ) 和拖尾 ( r i n g i n g ) 现象。因此通常把频域数据转换到时域之前，需要进行加窗操作。在实际测量中 v n a 了提供多个窗函数可供选择，由于加窗会造成等效时域脉冲主瓣宽度变大，降低时域 分辨率，因此需要综合考虑选择适合的窗函数，同时在数据处理的其他部分应考虑选择能 够改善时域分辨率的方法，以弥补上述损失。 3 ) 傅立叶反变换( i d f t ) 【2 3 】 i d f t 实现将h ( f ) 变换为信道冲激响应h ( 0 ，是频域后期处理的关键步骤。i d f t 的方法 雨京m b 电大学硕士研究生学位论文 第三章室内环境下超宽带信道的测量及数据处理 有两种，即实数通带i d f t 和复数基带i d f t 。对于实数通带i d f t ，假设从矢量网络分析仪 得到的频谱是从f l 到晓，则先在o - 塑j f l 之间的频带上补o ，令f 2 至0 0 的频谱是o 到f 2 频谱的对 称共轭，由i d f t 的基本理论可知，对称共轭频谱的傅立叶反变换结果是实数序列。复数基 带i d f t 处理中，没有补0 和共轭对称的步骤，矢量网络分析仪得到的从n 到f 2 的频谱在傅立 叶反变换时被认为是从- ( f 1 + 亿) 2 到( f l + 亿) 2 ，得到的反变换结果是一复数序列，如图3 5 所 示。由时、频域的对应关系可知，实数通带i d f t 处理获得的时间分辨率是复数基带i d f t 处理的2 倍以上，选用前者可以在一定程度上弥补由于使用窗函数造成的时间分辨率损失。 门夕 、0 。 l 原测量频谱 ，r ， m f t r _ 一 - 厶一石石以 g h z j f 。 0 v v w i 图3 5 数据处理算法 4 ) 设置门限 由于某些增益较小的多径信号可能由测量系统的内部噪声产生，此外，幅度较小的多 径信号对建立相应豹多径模型贡献较小( 其对平均附加时延、r m s 时延等信道特征参数影响 较小) ，因此通常通过设置门限从实测信道冲激响应中排除幅度较小的多径分量。频域信道 测量的门限也通常分为绝对门限和相对门限两类，但由于其门限的选取与具体数据处理算 法无关，取值相对简单，通常选择将超过一定时延的多径分量置零即可。 5 ) 设置时间零点 由于i d f t 具有周期性，因此必须结合实测信道的物理性质，对i d f t 后的信道冲激响应 设置零点。对于l o s 情况，由于首径具有最大多径增益，所以班通常将具有最大多径增益 的多径射线到达时问设为时间零点，再根据周期原理，把此多径前的多径分量平移到其后； 对于n l o s 情况，选择幅度最大的多径前5 0 n s 第一条幅度大于其十分之一多径的到达时间 为时间零点，再根据周期原理，把此多径前多径分量平移到其后。 3 4 时域与频域测量方法比较 u w b 室内时域信道测量是直接信道测量方法( 直接得到时域接收信号) ，能够充分反映 信号经信道传输后的时域特性，此外该方法还适合分析脉冲传播过程中的瞬态特性，是研 1 6 壹室塑垒查堂堡主堑窒竺堂垡堡奎釜三童皇空堑塑! 整蜜堂堕望堕塑至墨鍪塑竺些 究u w b 脉冲信号传输的理想方法。其缺点是系统时间分辨率由发射脉冲宽度决定，提高系 统分辨率必须减小脉冲宽度同时提高抽样示波器采样率，因此具有高分辨率的u w b 室内时 域测量系统结构将十分复杂且成本较高。 u w b 室内频域信道测量是间接的信道测量方法( 得到的是信道的频域响应) ，v n a 的灵 敏度高，通过增加q a 的测量带宽，可以相对容易的提高测量系统分辨率，是相对高效的 信道测量方法。然而v n a 与收发天线间需要电缆连接，而传输电缆的使用会带来一系列问 题：( 1 ) 随着测量距离的增加，由电缆带来的噪声增加，提高发射信号功率的办法很难消除 这种噪声的影响；( 2 ) 增加电缆长度会增加信号在电缆中的传输时延，长传输时延会导致 v n a 无法正常工作。因此利用v n a 进行信道测量的t o r 最大距离通常不超过3 0 m 。时域信 道测量中，电缆是用来传输触发信号的，只需要简单的计算就可以设置触发时间以满足长 传输距离的要求，所以时域方法适用各种传输距离条件。 综上，实际信道测量中应该根据系统分辨率指标、测量距离、测量成本等因素综合选 择时域或频域测量系统。 3 5 室内环境下超宽带无线信道测量及数据处理 本课题中，采用了频域测量方案，其简化模型如图3 6 所示，测量环境如图3 7 和图3 8 所示。 天线 1_7 v 唉劁l i 欠量网络分析仪i 2 图3 6 频域测量系统 ( a ) 视距( l o s ) 情况( b ) 非视距( n l o s ) 情况 图3 7 测量环境示意图 1 7 ； 卫星些苎查兰婴! ! 苎! 兰堡丝三苎三童塞! ! 些! 些堂堂! i 垄堕型! 些塾堡竺些 信道测量环境情况( 图38 ) ：收发天线之间的间距为3 5 c m 左右为了尽可能消除馈电 电缆的辐射，已用尖劈状的微波吸收材料将馈电电缆完全包裹起来、仅仅露出天线；趾离 天线前方的1 2 0 c m 处的墙壁上放置确尺寸足够大的金属反射板，在距离仪器较远的地方还 任意放置着其它家具和电器，房间的墙壁材料为普通混凝土，地板为普通瓷砖，非视距的 情况采用了一块4 0 c m 4 0 c m 的金属板子作为两个天线之间的挡板、人为地消除了视距传播 路径。可见，这是个较典型的室内非开阔传播环境，因此具有一定的代表性，比理想自 由空间的情况更接近工程实际情况。 图38 剥量环境 基于上述原理，为了尽可能降低电缆馈线乱真发射对传输实验的干扰，实验中采用结 构简单、制作与馈电容易、相对较成熟的板状单极子作为研究对象。最终分别选取了圆形、 六边形、方形、椭圆形、“钻石”形、圆环形、“水滴”形、五边形单极子天线作为代表， 这些天线的辐射单元实物己在第二章介绍。 分别测出信道的幅度和相位，采用3 32 节中的数据处理方法，可以得m 信道的时域 冲激响应。图39 ( a ) ( h ) 为视距情况下采用八种单极子天线时得到的信道冲激响应。 时闻一 对涸b ， 时问c 站 ( c ) 1 9 时闫( 埘， a - , j - r s l ， i 跏 e l ( n i ) ( f ) 斛罾髓蜂荦皿 譬-倒氅i皿蹦星-雠磐晕，皿 刷字拦一荦皿 翻罾雠罂挈，皿 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章室内环境下超宽带信道的测量及数据处理 ( g ) 【 图3 9 视距情况下采用不同单极子天线传输、所得的广义信道的时域冲激响应 ( a ) 圆形( b ) “钻石”形( c ) 六边形( d ) 椭圆形( e ) 五边形( f ) 圆环形( g ) 方形( h ) “水滴”形 从图中结果可见，视距情况下采用不同的天线进行收发，广义滤波器的脉冲响应特性 相差并不显著，均呈现“单峰 特性；由于是视距传播且传输距离有限，天线具有宽带工 作特性，因此基本上没有出现“成簇”和“拖尾 的现象。响应中所有的“单峰”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。 然而，实际应用中通常很少遇到视距传输的情况因为室内可能存在很多诸如墙 壁、家具、电器、人体之类的散射体和遮挡，这种情况下往往不存在直达路径；另外，由 于散射体较多、环境复杂，还会产生视距传输中没有的“多径 传输现象，这种现象会使 得系统的性能恶化。因此，超宽带天线设计中，完全有必要模拟非视距传输的情况，以便 合理选择收发天线、评估系统的性能，下面将进一步研究非视距情况下不同收发天线对之 间的传输性能。 实验采用图3 7 ( b ) 中的装置，仍然在图3 8 所示的实验环境中完成，因此实验的边界 条件几乎是完全一样的，唯一不同的是采用了一块4 0 0 毫米4 0 0 毫米的金属板子作为两 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脉冲 冲激响应如图3 1 0 ( a ) ( h ) 所示： 2 0 ( a ) 时问( m ， 时间 ) 时间( m ， 2 1 ( b ) 时问【m ) 时同c ( d ) 时阍cn _ ) 翻善世孽窜，皿 鐾口嚣一书，诹 捌寡雠颦荦，皿 氆譬螂啤荦皿 刨霉雠罂对十，硬 南京邮电大学硕j 二研究生学位论文第三章室内环境下超宽带信道的测量及数据处理 ( 曲【h ) 图3 10 非视距情况下采用不同单极子天线传输、所得的广义信道的时域冲激响应 ( a ) 圆形( b ) “钻石”形( c ) 六边形( d ) 椭圆形( e ) 五边形( f ) 圆环形( g ) 方形( h ) “水滴”形 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二 首先，由于存在较大尺寸的遮挡、已经不存在视距分量，故第一个主峰值出现的时刻必然 不同，这个峰值的出现可能与挡板边缘出现的绕射路径有关，因此应该与天线到挡板边缘 的距离有关。图3 1 1 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 m m ，由此根据简单的平面几何关系、并假定挡板边缘是锋利且理想( 理想导体且厚度 可以忽略) 的、不会出现成簇的散射而只有一条绕射的路径( 如虚线箭头所示) ，不难计 算出这条绕射路径的长度约为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1 5 7 8 3 n s ，折算成绕射路径长度约为4 7 3 m m 左右。因此，在实验误差 允许的范围内，基本可以认为两者的结果是吻合得比较好的。 接收天线 一一 绕射路径 发射天线 图3 1 1 绕射路径几何示意图 此外，由于实验环境中人为地加入了障碍物( 墙壁、室内家具、电器等散射体、人体 等等) 和挡板，因此可能会造成“多径”传播的现象。通过图3 1 2 不难发现广义信道脉冲 响应中出现了非常有趣的“成簇”现象这种现象与“多径”传播有密切的关系，“多 径 传播现象是由于传播环境中存在数目较多的散射体，从而造成信号出现多重反射、使 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章一室内环境下超宽带信道的测量及数据处理 得多个接收分量同时到达接收天线而造成的，这种现象对外的表现就是“成簇”现象。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“成簇 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。采用其它天线的情况下，虽然“成簇”现象不明显，但是 其脉冲响应较视距传输的情况而言，还是出现比较显著的“拖尾”现象，因此系统的传输 性能也可能会有一定程度的差异。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章室内环境下超宽带传输特性仿真与分析 第四章室内环境下超宽带传输特性仿真与分析 第三章提出了测量超宽带无线信道的方案并在频域对室内环境下超宽带信道进行了 测量，进而用数字信号处理方法对所测信道进行了处理，得出其时域冲激响应。 本章基于前面设计的多带o f d m 仿真平台并结合所测的信道时域冲激响应，对所测环 境中的超宽带传输特性进行性能评估。 在前面测量的基础上，把测量结果应用到先前设计的m b o f d m 超宽带仿真系统中， 替代了模型中的信道数据，然后对不同情况下( 多种天线，l o s n l o s ) 测得的信道进行 误码率测试，并进行比较，得出一些结论。本章主要从误比特率的角度来评估超宽带传输 特性的性能，考察带宽为3 5 g h z 。 超宽带广义无线信道的含义是指包括信号传播经过的无线空间和收发天线在内的信 道特性，“广义”是相对于狭义的无线信道而言。原仿真系统模型中不包含天线模块，只 有纯粹的信道模块，所以忽略了天线性能对超宽带信号传播的影响。引入超宽带“广义 无线信道，相当于在超宽带仿真系统中增加了天线模块，仿真结果比原仿真系统的仿真结 果更加合理。 本章首先介绍先前设计的m b o f d m 超宽带仿真系统，然后介绍信道数据在仿真系统 中的嵌入方法并对其进行改进，最后对不同情况下得到的结果进行讨论分析。 4 11 v i b - 0 f d m 超宽带系统仿真平台设计 4 1 1m b - o f d m 超宽带系统介绍 多带联盟建议的多带正交频分复用( m b o f d m ) 方案将整个可用频段( 3 1 1 0 6g h z ) 划分为1 4 个子带，每个子带带宽为5 2 8 m h z ，如图4 1 所示，并将这1 4 个子带分为5 个 带组，其中前4 个组带每组含3 个子带，第5 带组只含2 个子带。每个子带都分别使用o f d m 技术传送信息【2 4 2 5 】【2 6 1 【2 7 】。 2 4 童塞坚皇奎堂堡主婴壅生茎垡笙塞笙塑皇皇塑堑垄! 塑童堕堡塑鲎丝堕塞皇坌塑 图4 1 她一o f d m 子带和带组频率分配 式4 1 为每个子带中心频率计算公式 缸鲫衙= 2 9 0 4 + 5 2 8 x ，n b = 1 1 4 ( m h z ) ( 4 1 ) 目前第一带组的3 个子带用于强制性的标准操作模式( 称为模式1 ) ，所有m b o f d m 必须支持模式1 ，其他子带作为今后扩展使用。模式l 使用的频带如图4 2 所示。 图4 2m b - 0 f d m 模式1 下子带频率分配 m b o f d m 方案支持的速率包含5 3 3 ，5 5 ，8 0 ，1 0 6 6 7 ，11 0 ，1 6 0 ，2 0 0 ，3 2 0 和4 8 0m b p s ， 其中，要求所有的设备必须支持的速率是5 3 3 ，1 0 6 6 7 ，1 1 0 和2 0 0m b p s 。每个o f d m 符 号周期为31 2 5 m h z ，占用带宽5 2 8 m h z ，每个子带使用1 2 8 个子载波，这1 2 8 个子载波分 为1 0 0 个数据子载波、1 2 个导频子载波和1 0 个保护子载波。m b o f d m 每个子带分别使 用q p s k 调制方式，使用卷积编码进行前向纠错，支持的编码速率有1 3 ，1 1 3 2 ，1 1 2 ，5 8 和 3 4 。 图4 3 为模式1 下o f d m 符号传输方式及结构： 舞率 3 1 6 8 子带l 3 6 9 6 子带2 4 2 2 4 子带3 4 7 5 2 ( m h z ) 7 0 o 弧sz 簖op “ - - q