基于Matlab的IRUWB無線通信信道模型仿真畢業(yè)論文

1、畢業(yè)論文（設(shè)計）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計）是我在導師的指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計）不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本論文（設(shè)計）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。 作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設(shè)計）授權(quán)使用說明本論文（設(shè)計）作者完全了解紅河學院有關(guān)保留、使用畢業(yè)論文（設(shè)計）的規(guī)定，學校有權(quán)保留論文（設(shè)計）并向相關(guān)部門送交論文（設(shè)計）的電子版和紙質(zhì)版。有權(quán)將論文（設(shè)計）用于非贏利目的的少量復制并允許論文（設(shè)計）進入學校圖書館被查閱。學?？梢怨颊撐模ㄔO(shè)計）的全部或部分內(nèi)容。保密

2、的論文（設(shè)計）在解密后適用本規(guī)定。 作者簽名： 指導教師簽名： 日期： 日期： 摘 要超寬帶通信技術(shù)是一種全新的短距離無線通信技術(shù)。它利用極窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，具有傳輸速率高、功耗低、抗多徑能力強等許多優(yōu)點，并且由于頻譜的功率譜密度極小，它通常具有擴頻通信的特點。該技術(shù)以其獨有的特性正受到通信學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界乃至軍方的重視，并將取得進一步的發(fā)展，獲得日益廣泛的應(yīng)用。本文首先概括地介紹了超寬帶無線通信的基礎(chǔ)知識，重點研究th-uwb信號特點及傳播特性，對比超寬帶信道模型與窄帶無線信道的不同，在此基礎(chǔ)上分析路徑損耗模型和多徑衰落模型對ppm-th-uwb超寬帶信號傳輸?shù)挠绊?。利用matlab仿真分析了p

3、pm-th-uwb和pam-th-uwb信號時域表達式及其功率譜密度（psd），同時對修改的s-v室內(nèi)信道模型進行建模，在此基礎(chǔ)上仿真分析了脈沖超寬帶信號在此信道模型下的傳輸特性，分析模型參數(shù)對信號傳輸?shù)挠绊?。關(guān)鍵詞：超寬帶；脈幅脈位調(diào)制；功率譜密度；平均功率時延；均方根時延abstract ultra-wideband communication technology is a new short-range wireless communication technology. it was used by very narrow pulses to transmit data with a

4、 high transfer rate, low power consumption, anti-multipath capability and many other advantages，and because of the spectrum of power spectral density is extremely small, it usually has the characteristics of spread spectrum communication. the technology with its unique features is paying more attent

5、ion by the communications and the academic, even the military. and it will make more development, access to an increasingly wide range of applications.the paper first briefly introduced the basic knowledge of ultra-wideband wireless communications, which focuses on the th-uwb signal propagation char

6、acteristics and compared the different of ultra-wideband channel model with narrow-band radio channel, based on this analysis of path loss model and the multipath fading model ppm-th-uwb ultra-wideband signal transmission. with using matlab simulated analysis the use of ppm-th-uwb and pam-th-uwb sig

7、nal the time-domain expression and the power spectral density (psd), at the same time on the modified s-v channel model for indoor modeling. on the basis of simulated analysis of the pulse signal of uwb channel model in transmission characteristics, on the impact of signal transmission under the ana

8、lysis of model parameters. key words: ultra-wideband; ppm pulse rate; power spectral density; average power delay; rms delay摘 要iabstracti第1章 緒論11.1 uwb通信技術(shù)背景和發(fā)展現(xiàn)狀11.2 uwb的技術(shù)特點31.3 uwb與其它短距離無線技術(shù)的比較41.4 uwb的應(yīng)用前景51.5論文內(nèi)容及結(jié)構(gòu)6第2章 超寬帶通信信道模型72.1 無線信道特性72.1.1大尺度衰落72.1.2小尺度衰落72.1.3多徑效應(yīng)82.2 超寬帶室內(nèi)信道模型92.2.1 室內(nèi)

9、信道模型92.2.2 室內(nèi)信道特征參數(shù)122.2.3 ieee802.15.3a標準信道模型152.3 本章小結(jié)19第3章 ir-uwb信號的發(fā)射和接收203.1 uwb無線電通信的基本原理203.2 ir-uwb脈沖213.3 信號調(diào)制技術(shù)233.3.1 單脈沖調(diào)制233.3.2 多脈沖調(diào)制243.4 超寬帶系統(tǒng)發(fā)送信號243.4.1 基本信號243.4.2 調(diào)制信號243.4.3 發(fā)送信號253.5 多徑信道ppm-th-uwb接收機273.5.1 連續(xù)時間信道沖激響應(yīng)273.5.2 離散時間信道沖激響應(yīng)273.5.3 th-ppm-uwb接收機283.6 本章小結(jié)29第4章 ir-uwb

10、 無線通信信道仿真304.1 發(fā)射端信號的仿真304.1.1 二進制th-uwb信號304.1.2 二進制th-uwb信號的psd分析324.1.3 其他典型ir-uwb信號及其功率譜密度仿真364.2 ieee802.15.3a標準信道模型494.3 ppm-th-uwb信號通過不同信道環(huán)境的仿真分析574.3.1 高斯噪聲環(huán)境的信號傳輸584.3.2 ieee802.15.3a信道環(huán)境下的信號傳輸604.4 本章小結(jié)63結(jié)論64致 謝66參考文獻67摘 要iabstractichapter one introduction11.1 uwb communications technology

11、 background and current situation11.2 technical characteristics of uwb31.3 uwb and other relatively short-range wireless technology41.4 uwb application prospects51.5 content and structure of paper6chapter two uwb channel model82.1 channel characteristics82.1.1large scale fading82.1.2small scale fadi

12、ng82.1.3 multipath effect 92.2 uwb indoor channel model102.2.1 indoor channel model102.2.2 indoor channel characteristic parameter132.2.3 ieee802.15.3a standard channel model162.3 summary20chapter three ir-uwb signal transmission and reception213.1 the basic principles of uwb radio communications213

13、.2 ir-uwb pulse223.3 signal modulation243.3.1 signal-pluse modulation243.3.2 multi-pluse modulation253.4 uwb systems to send signals253.4.1 basic signal253.4.2 modulation signal253.4.3 send signal263.5 multi-path channel ppm-th-uwb receiver283.5.1 continuous-time channel impulse response283.5.2 disc

14、rete-time channel impulse response283.5.3 th-ppm-uwb receiver293.6 summary30chapter four ir-uwb wireless communication channel simulation314.1 simulation of the transmitter signal314.1.1 binary th-uwb signals314.1.2 binary th-uwb signal psd analysis334.1.3 other typical ir-uwb signal and its psd sim

15、ulation374.2 ieee802.15.3a standard channel model504.3 ppm-th-uwb signals through different channels of the simulation environment584.3.1 gaussian noise in the signal transmission594.3.2 channel environment ieee802.15.3a signal transmission614.4 summary64conclusion65express thanks67references68第1章 緒

16、論 超寬帶(uwb)無線通信技術(shù)是近年來通信領(lǐng)域興起的一種無線互連技術(shù)。超寬帶無線通信是使用微弱的，持續(xù)時間極短的脈沖進行短距離通信。一般脈沖持續(xù)時間為0.2ns到1ns，因此脈沖序列不必轉(zhuǎn)換成較高的載波頻率進行傳輸，而是直接利用納秒至皮秒級的窄脈沖形式傳輸。這種方式占用帶寬非常之寬，具有g(shù)量級帶寬。信號占空比極低，每個信號間出現(xiàn)較長的無信號狀態(tài)，讓每個頻道脈沖反應(yīng)能逐漸衰減至零，并將字符間干擾降至可忽略的程度，所以它有很好的多徑免疫能力。一般認為，如果一個信號的帶寬相對于載波中心頻率或中心頻率來說較寬，即相對帶寬很大，那么這個信號就是uwb信號。更一般的定義來自于雷達領(lǐng)域，規(guī)定只要一個信號在

17、10db處的絕對帶寬大于0.5ghz或分數(shù)帶寬大于20%，則這個信號就是超寬帶信號。傳統(tǒng)上，uwb信號是通過很窄的脈沖來獲得的，這項技術(shù)目前已經(jīng)在雷達系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，稱其為脈沖無線電（ir）。這種脈沖傳輸?shù)奶攸c是，通過對非常窄的脈沖信號進行調(diào)制，以獲得非常寬的帶寬來傳輸數(shù)據(jù)。1.1 uwb通信技術(shù)背景和發(fā)展現(xiàn)狀uwb的歷史淵源，可以追溯到一百多年前的無線電報時代。早在1894-1896年，馬可尼(marconi)就率先實現(xiàn)了利用電火花隙(spark gap)發(fā)射機向2英里外傳輸莫爾斯電碼，而早在1900年，費森登(fessenden)就利用了火花隙發(fā)射機將聲音傳到了1英里之外。由于技術(shù)上的限制

18、和需求可靠通信的商界壓力，研究和開發(fā)轉(zhuǎn)向連續(xù)波傳輸，直到最近幾年，都只是局限在雷達領(lǐng)域。但是marconi的一些追隨者也不斷地出現(xiàn)：1946年，開發(fā)了一種不尋常的微波中繼系統(tǒng)，該系統(tǒng)以傳輸脈沖信號為基礎(chǔ)，采用脈沖位置調(diào)制(ppm)方式，雙向語音傳輸?shù)臒o線鏈路總共可達1600英里，單向時為3200英里。barrett曾在2000年指出，美國國防部于1989年“鑄造”了uwb這個詞。20世紀90年代，一些中小型企業(yè)又重新引入基于uwb概念的無線通信思想，并進一步發(fā)展了遵從ir范例的uwb技術(shù)，提升了無載波和極短脈沖傳輸技術(shù)123。2002年2月28日，美國英特爾公司主辦的開發(fā)商會議“intel d

19、eveloper forum(idf)spring 2002”上公開演示了下一代短距離無線技術(shù)“uwb（超寬帶技術(shù)）”。主要有如下三大特點：(1)高達數(shù)百mbit/秒的高速通信；(2)耗電量為現(xiàn)有無線技術(shù)的1/100以下；(3)較現(xiàn)有無線技術(shù)成本更低。除英特爾外，美國time domain、美國multispectral solutions以及美國xtremespectrum等公司也在進行uwb無線設(shè)備的開發(fā)和生產(chǎn)。這些公司都正在從事軍用無線設(shè)備及雷達方面的研發(fā)。通過通信界專家們大量努力所作出技術(shù)成果的鋪墊，uwb無線通信史上最具里程碑意義的時間發(fā)生在2002年4月，美國fcc（聯(lián)邦通信委員會

20、）批準了第一個指南，允許（至少在美國）在指定地功率輻射掩蔽(emission mask)下的uwb信號有意識發(fā)射。然而，根據(jù)fcc的規(guī)定，uwb并不局限于脈沖傳輸，而是可以擴展為類似地傳輸技術(shù)，只要發(fā)射信號大帶寬大于500mhz。fcc規(guī)定的發(fā)布產(chǎn)生了雙重影響。一方面，fcc關(guān)于uwb的輻射規(guī)定，提高了主要芯片生產(chǎn)商（如texas instrument、motorola、ibm和intel等）的興趣；而在另一方面，引發(fā)了圍繞ir方式與傳統(tǒng)地基于連續(xù)載波傳輸技術(shù)的優(yōu)勢問題的爭論。爭論一直沒有達成一致，這一點可從當前在uwb標準問題上的分歧，尤其ieee是802.15.3a任務(wù)組(task gro

21、up)的框架便知。這個任務(wù)組于2011年底為了發(fā)展高速低功耗wpan的而成立。到2004年3月為止，對基于uwb的物理層提出了兩種仍在考慮中的提案：一種是將跳頻與正交頻分復用(ofdm)結(jié)合起來的mb(multi-band)方案，另一種是保存了原始uwb脈沖屬性的ds-uwb方案。由于兩種方案的截然不同，而且各自都有強大的陣營支持，制定uwb標準的802.15.3a工作組沒能在兩者中決出最終的標準方案，于是將其交由市場解決，該工作組也于05年宣布投票解散。至今，uwb還在爭論之中。1.2 uwb的技術(shù)特點由于uwb與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，工作原理迥異，因此uwb具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無法比擬的技術(shù)特

22、點45：(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單：當前的無線通信技術(shù)所使用的通信載波是連續(xù)的電波，載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化，從而利用載波的狀態(tài)變化來傳輸信息。而uwb則不使用載波，它通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號。uwb發(fā)射器直接用脈沖小型激勵天線，不需要傳統(tǒng)收發(fā)器所需要的上變頻，從而也不需要功用放大器與混頻器，因此，uwb允許采用非常低廉的寬帶發(fā)射器。同時在接收端，uwb接收機也有別于傳統(tǒng)的接收機，不需要中頻處理，因此，uwb系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單。(2)高速的數(shù)據(jù)傳輸：uwb以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且不單獨占用現(xiàn)在已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術(shù)使用的頻帶。在軍

23、事應(yīng)用中，可以利用巨大的擴頻增益來實現(xiàn)遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數(shù)據(jù)傳輸。(3)功耗低：uwb系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖時間很短，一般在0.20ns1.5ns之間，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以做到很低，在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百w幾十mw。因此，uwb設(shè)備在電池壽命和電磁輻射上，相對于傳統(tǒng)設(shè)備有很大的優(yōu)越性。(4)安全性高：由于uwb信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對一般通信系統(tǒng)，uwb信號相當于白噪聲信號，并且大多數(shù)情況下，uwb信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數(shù)進行偽隨機化后，脈沖的檢測

24、將更加困難。(5)多徑分辨能力強：由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號或其持續(xù)時間遠大于多徑傳播時間多徑傳播效應(yīng)限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。由于超寬帶無線電發(fā)射的事持續(xù)時間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發(fā)生交疊，其多徑傳輸路徑長度應(yīng)小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于多徑脈沖信號在時間上不重疊，很容易分理處多徑分量以充分利用發(fā)射信號的能量。大量的實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達1030db的多徑環(huán)境，對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5db。(6)定位精準：沖擊脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位于通信合一，而常規(guī)

25、無線電難以做到這一點。超寬帶無線電具有極強的穿透能力，可在室內(nèi)和地下進行精準定位，而gps定位系統(tǒng)只能工作在gps定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)；與gps提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，其定位精度可達厘米級，此外，超寬帶無線電定位器更為便宜。(7)工程造價便宜：在工程實現(xiàn)上，uwb比其它無線技術(shù)要簡單得多，可全數(shù)字化實現(xiàn)。它只需要以一種數(shù)學方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖產(chǎn)生調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，設(shè)備的成本將很低。1.3 uwb與其它短距離無線技術(shù)的比較 從uwb技術(shù)參數(shù)來看，uwb的傳輸距離只有10m左右，因此我們只拿常見的短距離無線技術(shù)與uwb作一對比，從中更能顯示

26、出uwb的杰出的優(yōu)點。常見的短距離無線技術(shù)有ieee802.11a、藍牙、homerf。(1)ieee802.11a與uwb：ieee802.11a是由ieee制定的無線局域網(wǎng)標準之一，物理層速率在54mbps，傳輸層速率在25mbps，它的通信距離可能 達到100m，而uwb的通信距離在10m左右。在短距離的范圍（如10m以內(nèi)），ieee802.11a的通信速率與uwb相差太大；超過這個距離范圍（即大于10m），由于uwb發(fā)射功率受限，uwb性能就差很多（目前從演示的產(chǎn)品來看，uwb的有效距離已擴展到20m左右）。另外與uwb相比，802.11a的功耗相當大。(2)藍牙(bluetooth)

27、與uwb藍牙技術(shù)是愛立信、ibm等5家公司在1998年聯(lián)合推出的一項無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。藍牙的傳輸距離為10cm10m。它采用2.4ghz ism頻段和調(diào)頻、跳頻技術(shù)，速率為1mbps。從技術(shù)參數(shù)上看，顯而易見uwb在速度方面較藍牙有非常大的優(yōu)勢。只是目前狀況，藍牙唯一比uwb優(yōu)越的地方就是藍牙技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，但是隨著uwb的發(fā)展這種優(yōu)勢就不會再是優(yōu)勢，因此有人在uwb出現(xiàn)時，把uwb看成是藍牙的殺手，不是沒有道理的。(3)homerf與uwbhomerf是專門針對家庭住宅環(huán)境開發(fā)出來的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作頻段為2.4ghz，這是不需許可證的公用無線頻段，有效傳輸范圍約50m其速率為1mbps

28、至2mbps。與uwb相比，各有優(yōu)勢：homerf的傳輸距離遠，但速率太低；uwb傳輸距離只有homerf的五分之一，但速度卻是homerf的幾百倍甚至上千倍?？偠灾?，這些流行的短距離無線通信技術(shù)各有千秋，這些技術(shù)之間存在著相互競爭，但在某些實際應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)它們又相互補充。單純地說“uwb取代某種技術(shù)”這是一種不負責任的說法，就好像飛機又快又穩(wěn)，也沒有取代自行車一樣，各有各的應(yīng)用領(lǐng)域。1.4 uwb的應(yīng)用前景超寬帶技術(shù)在通信、雷達和無線定位等領(lǐng)域都將有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，人們對超寬帶技術(shù)深入的研究使超寬帶技術(shù)在系統(tǒng)理論、天線、功率放大器、脈沖的產(chǎn)生與接收、同步、集成電路等方面取得了重大進步

29、，尤其是在超寬帶無線產(chǎn)生領(lǐng)域的技術(shù)進步，使超寬帶通信成為了無線網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分成為可能34。利用超寬帶技術(shù)可以提供高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)哪芰εc定位功能，可以設(shè)計依賴定位信息優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源管理的wpan和wlan，并應(yīng)用于多媒體傳輸、計算機通信和家庭娛樂等領(lǐng)域。利用脈沖超寬帶信號對障礙物的良好穿透特性與精確測距功能，可以設(shè)計既具有通信功能也具有定位功能的超寬帶脈沖無線通信與定位系統(tǒng)。廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)、消防、公共安全、庫存盤點、人員監(jiān)護與救生等重要領(lǐng)域。超寬帶信號具有很低的輻射功率，而這樣的輻射功率分布在頻率范圍內(nèi)，功率譜密度極低，類似白噪聲頻譜，具有低干擾、低截獲概率特性同時由于使用窄脈沖為信號載體并

30、采用跳時擴頻，接收端必須已知發(fā)射端擴頻嗎的條件下才能夠解調(diào)出發(fā)射數(shù)據(jù)來，加上它具有很強的抗多徑干擾能力，非常適合在軍事保密通信的應(yīng)用。1.5論文內(nèi)容及結(jié)構(gòu)本文在理解超寬帶無線通信的基礎(chǔ)上，對th-uwb信號特點及傳播特性，信道模型進行深入研究。利用matlab對修改的s-v室內(nèi)信道模型進行建模，仿真分析路徑損耗模型和多徑衰落模型對ppm-th-uwb超寬帶信號傳輸?shù)挠绊?。論文各章?jié)內(nèi)容具體安排如下：第1章為緒論。簡單介紹超寬帶的概念、簡史和發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景。第2章概括介紹了無線通信信道的特性，對比分析超寬帶信道模型特點，重點探討ieee802.15.3a推薦的室內(nèi)信道模型。第3章重點分析uw

31、b脈沖成形技術(shù)，脈沖調(diào)制技術(shù)和超寬帶系統(tǒng)發(fā)送信號的基本方式，為后續(xù)仿真分析打下理論基礎(chǔ)。第4章在前文理論學習的基礎(chǔ)上，確定仿真模型和參數(shù)設(shè)置。對發(fā)送信號模型及功率譜密度進行分析，通過對ieee802.15.3a室內(nèi)信道的沖激響應(yīng)建模，分析信號在四種不同環(huán)境下的傳輸性能。第2章 超寬帶通信信道模型2.1 無線信道特性在無線通信系統(tǒng)中，無線信道的特性對整個系統(tǒng)的性能有著重大的影響。無線通信的信道是指基站天線、移動用戶天線和兩副天線之間的傳播路徑。與其他通信信道相比較，由于無線通信環(huán)境的復雜性，移動通信信道無疑是最復雜的一種。無線信道的基本特性是衰落特性。其衰落特性有以下三種表現(xiàn)：一種是信號隨著傳播

32、距離而導致的傳播損耗和彌散，稱為大尺度衰落；一種是由于傳播環(huán)境中的地形起伏、建筑物及其他障礙物的存在所引起的衰落，稱為中尺度衰落，又稱為陰影衰落；另外一種是到達接收機的多徑信號疊加時產(chǎn)生的衰落，稱為小尺度衰落，也稱為多徑衰落。在傳統(tǒng)傳播模型中的研究，主要幾種在給定范圍內(nèi)平均接收場強的預測，和特定位置附近場強的變化。2.1.1大尺度衰落對于預測平均場強并用與估計無線覆蓋范圍的傳播模型，由于它們所描述的是發(fā)射機和接收機之間（t-r）長距離（幾百或幾千米）上的場強變化，所以被稱為大尺度傳播模型。而這種模型中因傳播距離而引起的傳播損耗，稱為大尺度衰落。在本課題中，只涉及到室內(nèi)信道模型，因此無需考慮大尺

33、度衰落。2.1.2小尺度衰落小尺度衰落是由于同一傳輸信號沿兩個或多個路徑傳播，以微小的時間差到達接收端的信號相互間干涉所引起的。這些波稱之為多徑波。無線信道的多徑性導致小尺度衰落效應(yīng)的產(chǎn)生。三個主要效應(yīng)表現(xiàn)為：（1）經(jīng)過短距離或短時間傳播后信號強度的急速變化。（2）在不同多徑信號上，存在著時變的多普勒頻移引起的隨機頻率調(diào)制。（3）多徑傳播時延引起的擴展。在無線通信信道中，有許多的因素影響小尺度衰落，包括：多徑傳播：信道中反射及反射物的存在，構(gòu)成了一個不斷消耗信號能量的環(huán)境，導致信號幅度、相位及時間的變化；移動臺的運動速度：基站與移動臺間的相對運動會引起隨機頻率調(diào)制，這是由于多徑分量存在的多普勒

34、頻移現(xiàn)象；環(huán)境物體的運動速度：如環(huán)境物體以大于移動臺的速度運動，那么這種運動將對小尺度衰落起決定作用；信號的傳輸帶寬：小尺度信號強度和短距傳輸后信號模糊的可能性與多徑信道的特定幅度、時延及傳輸信號的帶寬有關(guān)。2.1.3 多徑效應(yīng)無線通信中，從發(fā)射機發(fā)出的信號在傳播過程中往往要受到各種障礙物的影響，導致到達接收機端的信號是來自不同傳播路徑下的信號的總和。在多徑環(huán)境下引起的信號的多徑衰落可以從時間和空間兩個方面來描述。從空間角度來看，若沿著移動臺的移動方向，接收信號的幅度會隨著距離的變動而衰減。其中，由本地反射物所引起的多徑效應(yīng)呈現(xiàn)出較為快速的幅度變化，其局部均值為隨著距離增加而下降的曲線，這反映

35、了地形起伏所引起的衰落以及空間擴散損耗。從時域角度來看，由于信號通過路徑的長度不同，因此不同路徑下信號的到達時間也會有差異。這樣，從發(fā)射機發(fā)送一個脈沖信號，那么接收機端所接收的信號中不僅還有脈沖信號，而且還包含了該脈沖信號在通過傳輸路徑時所產(chǎn)生的時延信號。這種由于多徑效應(yīng)所引起的接收信號脈沖變寬的擴展現(xiàn)象，稱之為時延擴展。2.2 超寬帶室內(nèi)信道模型室內(nèi)傳播環(huán)境非常復雜，有很多因素會對信號的傳播過程產(chǎn)生影響。如室內(nèi)障礙物對傳播信號的反射、散射、透射和衍射等會引起信號的多徑衰落、陰影衰落和路徑損耗。2.2.1 室內(nèi)信道模型對室內(nèi)信道模型的最初研究可追溯到1959年，從那時起，已經(jīng)提出了多個用于室內(nèi)

36、窄帶傳輸模型。針對超寬帶信道的情況，也進行了多次室內(nèi)傳播測量實驗，提出了許多不同的信號模型，其中包括它們的信道測量時延環(huán)境、數(shù)據(jù)描述、路徑損耗模型、多徑模型等。超寬帶信道的主要特征主要體現(xiàn)在信道的路徑損耗和多徑衰落上，因此，本設(shè)計從路徑損耗和多徑衰落兩方面考慮。1、路徑損耗模型超寬帶信號的短距離、高速傳輸?shù)奶攸c十分適合于室內(nèi)環(huán)境，但室內(nèi)多徑的現(xiàn)象十分嚴重。并且由于多徑及室內(nèi)障礙物的存在，不可避免的存在了路徑損耗。所以研究信道模型就要先研究路徑損耗模型。路徑損耗模型主要用于描述發(fā)射機和接收機之間距離大于5米以上的信號強度的變化，屬于大尺度信道模型，它表征了接收信號在一定時間內(nèi)的均值或功率隨傳播距

37、離的變化呈現(xiàn)出緩慢變化，最新研究發(fā)現(xiàn)它與信號傳輸頻率也有關(guān)系。在文獻9中所描述的模型就是路徑損耗模型。利用參數(shù)（，）表示在個時間窗內(nèi)接收信號功率延遲剖面圖（pdps），能量增益表示在時間窗為、中心頻率在、傳輸距離為l的接收信號能量與傳輸距離為的參考接收信號能量的比值。選取時間窗。平均能量增益平均可分辨的多徑分量數(shù)量可用pdp的時間衰落常數(shù)描述，而第二個多徑分量的大小為： （2.1）時間衰落常數(shù)服從參數(shù)為，的對數(shù)正態(tài)分布，即 （2.2）而參數(shù)服從參數(shù)、的對數(shù)正態(tài)分布，即 （2.3）對于路徑損耗，總平均能量為： （2.4）式中，表示參考距離。然而，對于總平均接收信號能量的歸一化（相當于1m距離的參

38、考信號能量，則服從均值為公式（2.2）、標準差為5.9db的對數(shù)正態(tài)分布，即 （2.5）除了文獻9描述了路徑損耗模型外，文獻10也給出了不同信噪比下超寬帶信號室內(nèi)傳播的路徑損耗特性。2、多徑傳播模型多徑傳播模型用于描述短距離或短時間內(nèi)接收信號強度的快速變化。主要描述無線信號經(jīng)短距離或短時間傳輸后經(jīng)兩個或兩個以上路徑在一微小的時間間隔到達接收機的傳播特性。（1）多徑衰落信道功率統(tǒng)計模型路徑損耗模型是從宏觀上描述無線電信號受傳輸環(huán)境影響的統(tǒng)計特性，而多徑信道統(tǒng)計特性則是從微觀上描述小范圍環(huán)境變化對無線電信號傳輸?shù)挠绊?，有多個參數(shù)表征，分別描述信道的不同方面特性。 gamma分布能很好的描述文獻11

39、中由于小范圍多徑衰落對測試結(jié)果的影響，通常用gamma（；m）表示，其中均值為，參量為m。在每個接收窗內(nèi)，小范圍統(tǒng)計特性由不同的的參數(shù)表示：，隨額外時延的增加而減少，即，其中服從截尾高斯分布，即當服從高斯分布，該分布的均值和方差的在每個接收信號時間窗內(nèi)是不同的，其均值和方差分別為： （2.6） （2.7） （2）多徑衰落信道信號幅度統(tǒng)計特性前面的結(jié)果是根據(jù)文獻11的實際測量數(shù)據(jù)得到的，從中反映了超寬帶信道在室內(nèi)多徑環(huán)境中的部分統(tǒng)計特性，然而隨著所處環(huán)境的變化，信號的分布特性可能會發(fā)生變化。由于超寬帶無線電脈沖持續(xù)時間很短，因此大部分多徑分量都可以從時域上分析出來，在接收信號很小的時間窗內(nèi)，只有

40、有限數(shù)目的多徑分量發(fā)生重疊，這寫重疊部分導致信號衰落。根據(jù)超寬帶無線電信號在多徑傳播中這一特點，文獻12提出適合超寬帶無線電室內(nèi)多徑傳播的信號幅度特性，即poca-nazu分布。2.2.2 室內(nèi)信道特征參數(shù)對于室內(nèi)信道模型的研究必然需要分析信道的一些特性。下面給出信道路徑損耗指數(shù)、沖激響應(yīng)、平均超量時延和rms時延擴展以及多徑分量數(shù)目等參數(shù)的分析方法。其中，路徑損耗和陰影衰落根據(jù)測量信道頻率響應(yīng)來估計，而其他統(tǒng)計參數(shù)則通過對信道沖激響應(yīng)的分析得到。1、路徑損耗路徑損耗是在頻域中對示波器數(shù)據(jù)fft進行補償后，通過對幅度平方求和進行估計。將數(shù)據(jù)分離為los路徑分量和nlos路徑分量，則可以計算出路

41、徑為： （2.8）式中：路徑損耗用db表示；是在參考距離1m處的損耗；是用米為單位表示的中心波長；是以米為單位的距離；是陰影衰落（方差為的零均值高斯隨機變量，單位是db），而且在自由空間情況下路徑損耗指數(shù)。2、沖激響應(yīng)室內(nèi)信道傳播的主要特點是：由于發(fā)射機和接收機之間存在多條傳播路徑，發(fā)射信號傳播之后會產(chǎn)生多個經(jīng)過時延和衰減的信號。接收信號可以表示為： （2.9）其中，和分別是第n條路徑時刻t的信道增益和信道時延，是時刻t觀測到的路徑數(shù)，是接收機處的加性噪聲。式（2.9）說明，信道可以由、和完全表征。從上式中可以得到信道的沖激響應(yīng)，可以寫成： （2.10）其中，是dirac數(shù)。在式（2.9）中，

42、考慮了發(fā)射機和接收機的移動等因素引起的傳播環(huán)境的變化，信道沖激響應(yīng)是時變的。而通常情況下，我們認為信道的變化速率與脈沖速率相比很慢。我們假定在觀測時間t（t大于脈沖平均重復周期）內(nèi)信道是穩(wěn)定的。在這樣的假設(shè)下，式（2.9）可以表示為： （2.11）信道沖激響應(yīng)可寫為： （2.12）上式即為著名的truin模型。這種信道假定表征信道的所有參數(shù)都是服從特定分布的隨機變量。所以我們需要知道關(guān)于信道增益、脈沖到達時間以及路徑數(shù)n的統(tǒng)計信息，他們可以在接收端得到。但是，在應(yīng)用于沖激無線電時，式（2.11）表示的模型因為沒有考慮脈沖在反射或穿透障礙物時其形狀的變化，從而致使這個模型存在較大缺陷。脈沖的形狀

43、應(yīng)與傳播路徑有關(guān)，不同的傳播路徑有不同的沖激響應(yīng)。因此，接收信號應(yīng)表示為： （2.13）這里，一個特定的脈沖波形與路徑n對應(yīng)1。3、多徑分量數(shù)目對于每一個脈沖沖激響應(yīng)進行歸一化，使其峰值等于1，然后分別計算大于-10db、-20db、-30db的樣本數(shù)目。將每一類中的幅度平方和除以所有測量點的幅度平方和，可以得到它在整個能量中的比值。根據(jù)在峰值10db范圍內(nèi)多徑數(shù)目實測值可以知道，多徑數(shù)目會受到實數(shù)通帶和復數(shù)值基帶表示方法、不同時間窗長度、加窗和非加窗處理、利用nlos和los數(shù)據(jù)或所有測量數(shù)據(jù)等多方面因素的影響18。4、時延擴展估計時延擴展的方法有時域方法和頻域方法兩種。對于時域方法，根據(jù)單

44、個沖激響應(yīng)可以按照下面的公式失算平均超量時延： （2.14）上式中是第i個沖激響應(yīng)估計值的的所在時刻位置，時延相對于其均值的標準偏差可記為，它由下式計算： （2.15）其中： （2.16）式（2.15）表示了信道沖激響應(yīng)的有效持續(xù)時間，它是接收端判斷isi存在與否的最基本參數(shù)：如果兩個脈沖的時間間隔小于，就存在isi。事實上，任一接受脈沖都會受到先前發(fā)射的脈沖延時到達的影響。對于密集多徑環(huán)境（如室內(nèi)傳播時），其信道沖激響應(yīng)對大的顯示出明顯的功率分布。因此大，此時脈沖間隔必須增加以控制isi。對于多徑不太嚴重的信道（如室外信道），信道對沖激響應(yīng)的能量主要幾種在第一條路徑（即對應(yīng)于較小的值的路徑）

45、，這是，比較小，脈沖重復周期可以相應(yīng)減小。5、功率延遲剖面式（2.12）沖激響應(yīng)的功率剖面（pdp）可以用一個圖形表示，其坐標分量分別為不同分量的到達時間和相應(yīng)的接收功率?；韭窂降牡竭_時間一般是相對于los而言的，los分量的到達時間固定為0。2.2.3 ieee802.15.3a標準信道模型1、s-v信道模型saleh和valenzuela利用他們在其辦公樓處的測量結(jié)果和其他研究這的測量結(jié)果，提出了用于不同室內(nèi)無線系統(tǒng)仿真和分析的室內(nèi)無線信道統(tǒng)計模型。這一模型被證實和測量結(jié)果一致，并可以通過調(diào)整參數(shù)擴展到其它的建筑物。該模型主要用四個參數(shù)來描述不同的環(huán)境：簇到達速率、每簇中射線到達的速率、

46、簇衰落因子和射線衰落因子。s-v模型假定多徑成簇到達，在一簇里，接收到的多徑中的一徑的幅度是一個獨立瑞利隨機變量，并有一個隨著傳播衰減和時延而指數(shù)衰減的變量。多徑中一徑的相位角是一個在0，2之間均勻分布的獨立隨機變量。簇和一簇中的多徑構(gòu)成泊松到達過程，簇的表達式和建筑物結(jié)構(gòu)有關(guān)，一簇內(nèi)的多徑是由發(fā)送和接收附近物體的多次反射組成。該模型仿真時比較簡單，而且對被測信道模擬比較準確，已經(jīng)成功的應(yīng)用在辦公室環(huán)境中，但是在一些復雜室內(nèi)環(huán)境中采集數(shù)據(jù)就不行了。2、ieee802.15.3a的標準信道模型在最初的s-v模型中幅度統(tǒng)計是服從瑞利分布的。然而，在uwb信道的測試中發(fā)現(xiàn)幅度的分布更符合對數(shù)正態(tài)分布

47、。因此，ieee802.15.3a工作組對其子委員會在2002年11月提交的uwb信道模型稍作改進，規(guī)定了幅度是對數(shù)分布的，并引入了一個變量來表示總的多徑能量的對數(shù)正態(tài)分布的信道增益的變化。最終與2003年7月頒布了uwb的室內(nèi)信道模型，同時這個信道模型被假定在觀察期間是靜止的。ieee模型的信道沖激響應(yīng)可以表示為： （2.17）其中，x代表對數(shù)正態(tài)分布的信道增益的變化；l代表觀測到的簇的數(shù)目；代表第n簇中接收到的多徑數(shù)目；代表第k條路徑的系數(shù)；表示第n簇的到達時間，是第n簇中第k條路徑的時延。信道系數(shù)可以定義為 （2.18）上式中，為以等概率取+1和-1的離散隨機變量，是第n簇中第k條路徑的

48、服從對數(shù)正態(tài)分布的信道系數(shù)，可以表示為 （2.19）其中，是均值為、標準差為的高斯隨機變量，特別的，可以進一步分解為 （2.20）其中和為兩個高斯隨機變量，分別表示每簇和每個分量的信道系數(shù)的變化，我們分別用和表示和的方差。另外，利用簇幅度和簇內(nèi)每個多徑分量的幅度都服從指數(shù)衰減的特點，可以得到的值： （2.21）對每個實現(xiàn)，項包含的總能量必須歸一化為單位能量，即 （2.22）根據(jù)s-v模型，到達時間變量和分別為到達速率為和的泊松過程。幅度增益x為對數(shù)正態(tài)隨機變量： （2.23）其中g(shù)是均值、方差為的高斯隨機變量。值取決于平均多徑增益g，它是在觀測位置測量得到的，即有； （2.24）對于給定的平均

49、衰減指數(shù)，g可以功過下式確定 （2.25）其中是距離d=1m時的參考功率增益，是能量或功率衰減指數(shù)。根據(jù)上面的定義，當下面的參數(shù)明確后，沖激響應(yīng)式（2.17）表示的信道模型就可以完全表征出來：（1）簇平均到達速率；（2）脈沖平均到達速率；（3）簇的功率衰減因子；（4）簇內(nèi)脈沖的功率衰減因子；（5）簇的信道系數(shù)標準偏差；（6）簇內(nèi)脈沖的信道系數(shù)標準偏差；（7）信道幅度增益的標準偏差1。2.3 本章小結(jié)本章首先分析了無線信道的傳輸特性，在此基礎(chǔ)上對超寬帶信道衰落特性和多徑效應(yīng)進行詳細分析，探討了描述超寬帶室內(nèi)信道特性的主要參數(shù)，選取ieee802.15.3a推薦的室內(nèi)信道模型為主要仿真對象。第3章

50、 ir-uwb信號的發(fā)射和接收ir-uwb是uwb通信最經(jīng)典的實現(xiàn)方式，通信時利用寬度在亞納秒級的，具有極低占空比的基帶窄脈沖序列攜帶信息。發(fā)射信號是由單脈沖信號組成的時域脈沖序列，其頻譜已經(jīng)在射頻段，無需經(jīng)過頻譜搬移就可以直接輻射。通常采用的調(diào)制方式有ppm、bpsk、pam等。窄脈沖通常采用高斯函數(shù)族波形，升余弦波形或者這些波形的組合。3.1 uwb無線電通信的基本原理根據(jù)香農(nóng)公式，通信系統(tǒng)的信道容量為： （3.1）其中c是信道最大容量，單位是b/s；b是信道帶寬hz；s是信號的功率w，n是噪聲的功率w。此式說明：在高斯信道中當傳輸系統(tǒng)的信噪比s/n下降時，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬的辦法來保持

51、信道容量c不變，以實現(xiàn)信道內(nèi)無差錯通信。香農(nóng)還指出，在高斯噪聲干擾下，有限平均功率的信道上，實現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號，這是由于高斯白噪聲理想的自相關(guān)特性所決定。超寬帶脈沖通信就是通過發(fā)射接收具有皮秒（, ）量級的脈沖信號來傳輸信息的。它以每秒數(shù)十兆的速率發(fā)射和接收脈寬小于1ns的窄脈沖信號，信息通過脈沖位置調(diào)制(ppm)調(diào)制到精確定時的脈沖串中去。3.2 ir-uwb脈沖根據(jù)方maxwell程可知，收發(fā)天線對uwb信號的微分作用比窄帶系統(tǒng)明顯的多，這樣，當采用高斯脈沖信號的時候，由于高斯脈沖信號的各次微分具有很簡單的形式，分析起來很方便，所以當選用脈沖信號作為uwb信號模型時，大多都使用高斯脈沖信號。高斯脈沖表達式如下： （3.2）式中=4是脈沖形成因子，為方差。上式中右邊取負號時所得的脈沖波形和相應(yīng)的能量譜密度（esd）如圖3.1所示。圖3.1 典型高斯脈沖波形及其能量譜密度圖（=0.714ns）如果要改變波形而獲得頻譜形成主要有以下三種方法改變脈沖寬度、對脈沖進行微分和對基函數(shù)的組合。脈沖寬度取決于脈沖形成因子。減小的值將會使脈沖寬度壓縮，從而擴展傳輸信號的帶寬。因此，同一波形可以通過改變脈沖形成因子的值來得到不同的帶寬。注意到高斯脈沖有無限的持續(xù)時間，這將不可避免地導致脈沖混疊和符號間干擾（isi