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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要超宽带通信技术是一种全新的短距离无线通信技术。它利用极窄脉冲传输数据，具有传输速率高、功耗低、抗多径能力强等许多优点，并且由于频谱的功率谱密度极小，它通常具有扩频通信的特点。该技术以其独有的特性正受到通信学术界和产业界乃至军方的重视，并将取得进一步的发展，获得日益广泛的应用。本文首先概括地介绍了超宽带无线通信的基础知识，重点研究TH-UWB信号特点及传播特性，对比超宽带信道模型与窄带无线信道的不同，在此基础上分析路径损耗模型和多径衰落模型对PPM-TH-UWB超宽带信号传输的影响。利用MATLAB仿真分析了PPM-TH-UWB和PAM-TH-UWB信号时域表达式
2、及其功率谱密度（PSD），同时对修改的S-V室内信道模型进行建模，在此基础上仿真分析了脉冲超宽带信号在此信道模型下的传输特性，分析模型参数对信号传输的影响。关键词：超宽带；脉幅脉位调制；功率谱密度；平均功率时延；均方根时延专心-专注-专业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 high transfer rate
3、, 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 attention by the communic
4、ations 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 characteristics and com
5、pared 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 signal the time-domain
6、 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 analysis of model para
7、meters. Key words: Ultra-Wideband; PPM pulse rate; Power spectral density; Average power delay; RMS Delay第1章 绪论 超宽带(UWB)无线通信技术是近年来通信领域兴起的一种无线互连技术。超宽带无线通信是使用微弱的，持续时间极短的脉冲进行短距离通信。一般脉冲持续时间为0.2ns到1ns，因此脉冲序列不必转换成较高的载波频率进行传输，而是直接利用纳秒至皮秒级的窄脉冲形式传输。这种方式占用带宽非常之宽，具有G量级带宽。信号占空比极低，每个信号间出现较长的无信号状态，让每个频道脉冲反应能逐渐衰减至
8、零，并将字符间干扰降至可忽略的程度，所以它有很好的多径免疫能力。一般认为，如果一个信号的带宽相对于载波中心频率或中心频率来说较宽，即相对带宽很大，那么这个信号就是UWB信号。更一般的定义来自于雷达领域，规定只要一个信号在10dB处的绝对带宽大于0.5GHz或分数带宽大于20%，则这个信号就是超宽带信号。传统上，UWB信号是通过很窄的脉冲来获得的，这项技术目前已经在雷达系统中广泛应用，称其为脉冲无线电（IR）。这种脉冲传输的特点是，通过对非常窄的脉冲信号进行调制，以获得非常宽的带宽来传输数据。1.1 UWB通信技术背景和发展现状UWB的历史渊源，可以追溯到一百多年前的无线电报时代。早在1894-
9、1896年，马可尼(Marconi)就率先实现了利用电火花隙(spark gap)发射机向2英里外传输莫尔斯电码，而早在1900年，费森登(Fessenden)就利用了火花隙发射机将声音传到了1英里之外。由于技术上的限制和需求可靠通信的商界压力，研究和开发转向连续波传输，直到最近几年，都只是局限在雷达领域。但是Marconi的一些追随者也不断地出现：1946年，开发了一种不寻常的微波中继系统，该系统以传输脉冲信号为基础，采用脉冲位置调制(PPM)方式，双向语音传输的无线链路总共可达1600英里，单向时为3200英里。Barrett曾在2000年指出，美国国防部于1989年“铸造”了UWB这个词
10、。20世纪90年代，一些中小型企业又重新引入基于UWB概念的无线通信思想，并进一步发展了遵从IR范例的UWB技术，提升了无载波和极短脉冲传输技术123。2002年2月28日，美国英特尔公司主办的开发商会议“Intel Developer Forum(IDF)Spring 2002”上公开演示了下一代短距离无线技术“UWB（超宽带技术）”。主要有如下三大特点：(1)高达数百Mbit/秒的高速通信；(2)耗电量为现有无线技术的1/100以下；(3)较现有无线技术成本更低。除英特尔外，美国Time Domain、美国Multispectral Solutions以及美国XtremeSpectrum等
11、公司也在进行UWB无线设备的开发和生产。这些公司都正在从事军用无线设备及雷达方面的研发。通过通信界专家们大量努力所作出技术成果的铺垫，UWB无线通信史上最具里程碑意义的时间发生在2002年4月，美国FCC（联邦通信委员会）批准了第一个指南，允许（至少在美国）在指定地功率辐射掩蔽(emission mask)下的UWB信号有意识发射。然而，根据FCC的规定，UWB并不局限于脉冲传输，而是可以扩展为类似地传输技术，只要发射信号大带宽大于500MHz。FCC规定的发布产生了双重影响。一方面，FCC关于UWB的辐射规定，提高了主要芯片生产商（如Texas Instrument、Motorola、IBM
12、和Intel等）的兴趣；而在另一方面，引发了围绕IR方式与传统地基于连续载波传输技术的优势问题的争论。争论一直没有达成一致，这一点可从当前在UWB标准问题上的分歧，尤其IEEE是802.15.3a任务组(Task Group)的框架便知。这个任务组于2011年底为了发展高速低功耗WPAN的而成立。到2004年3月为止，对基于UWB的物理层提出了两种仍在考虑中的提案：一种是将跳频与正交频分复用(OFDM)结合起来的MB(Multi-Band)方案，另一种是保存了原始UWB脉冲属性的DS-UWB方案。由于两种方案的截然不同，而且各自都有强大的阵营支持，制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在
13、两者中决出最终的标准方案，于是将其交由市场解决，该工作组也于05年宣布投票解散。至今，UWB还在争论之中。1.2 UWB的技术特点由于UWB与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点45：(1)系统结构的实现比较简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而也不需要功用放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB接收机
14、也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。(2)高速的数据传输：UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。(3)功耗低：UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲时间很短，一般在0.20ns1.5ns之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百W几十mW。因此，UWB设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统设备有很大的优越性。(4)安全性高：由于UWB信号能量弥
15、散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。(5)多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的事持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于多径脉冲信号在时间上不重叠，很容易分理处多径分量以充分利用
16、发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达1030dB的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB。(6)定位精准：冲击脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位于通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精准定位，而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内；与GPS提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器更为便宜。(7)工程造价便宜：在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产
17、生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。1.3 UWB与其它短距离无线技术的比较 从UWB技术参数来看，UWB的传输距离只有10M左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与UWB作一对比，从中更能显示出UWB的杰出的优点。常见的短距离无线技术有IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。(1)IEEE802.11a与UWB：IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一，物理层速率在54Mbps，传输层速率在25Mbps，它的通信距离可能 达到100M，而UWB的通信距离在10M左右。在短距离的范围（如10M以内），IEEE802.11a的通信速率与UWB相差太
18、大；超过这个距离范围（即大于10M），由于UWB发射功率受限，UWB性能就差很多（目前从演示的产品来看，UWB的有效距离已扩展到20M左右）。另外与UWB相比，802.11a的功耗相当大。(2)蓝牙(Bluetooth)与UWB蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。蓝牙的传输距离为10cm10m。它采用2.4GHz ISM频段和调频、跳频技术，速率为1Mbps。从技术参数上看，显而易见UWB在速度方面较蓝牙有非常大的优势。只是目前状况，蓝牙唯一比UWB优越的地方就是蓝牙技术已经发展的比较成熟，但是随着UWB的发展这种优势就不会再是优势，因此有人在UWB出现时
19、，把UWB看成是蓝牙的杀手，不是没有道理的。(3)HomeRF与UWBHomeRF是专门针对家庭住宅环境开发出来的无线网络技术，工作频段为2.4GHz，这是不需许可证的公用无线频段，有效传输范围约50m其速率为1Mbps至2Mbps。与UWB相比，各有优势：HomeRF的传输距离远，但速率太低；UWB传输距离只有HomeRF的五分之一，但速度却是HomeRF的几百倍甚至上千倍。总而言之，这些流行的短距离无线通信技术各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争，但在某些实际应用领域内它们又相互补充。单纯地说“UWB取代某种技术”这是一种不负责任的说法，就好像飞机又快又稳，也没有取代自行车一样，各有各的应
20、用领域。1.4 UWB的应用前景超宽带技术在通信、雷达和无线定位等领域都将有广阔的应用前景。近年来，人们对超宽带技术深入的研究使超宽带技术在系统理论、天线、功率放大器、脉冲的产生与接收、同步、集成电路等方面取得了重大进步，尤其是在超宽带无线产生领域的技术进步，使超宽带通信成为了无线网络的重要组成部分成为可能34。利用超宽带技术可以提供高数据率传输的能力与定位功能，可以设计依赖定位信息优化网络资源管理的WPAN和WLAN，并应用于多媒体传输、计算机通信和家庭娱乐等领域。利用脉冲超宽带信号对障碍物的良好穿透特性与精确测距功能，可以设计既具有通信功能也具有定位功能的超宽带脉冲无线通信与定位系统。广泛
21、用于传感器网络、消防、公共安全、库存盘点、人员监护与救生等重要领域。超宽带信号具有很低的辐射功率，而这样的辐射功率分布在频率范围内，功率谱密度极低，类似白噪声频谱，具有低干扰、低截获概率特性同时由于使用窄脉冲为信号载体并采用跳时扩频，接收端必须已知发射端扩频吗的条件下才能够解调出发射数据来，加上它具有很强的抗多径干扰能力，非常适合在军事保密通信的应用。1.5论文内容及结构本文在理解超宽带无线通信的基础上，对TH-UWB信号特点及传播特性，信道模型进行深入研究。利用MATLAB对修改的S-V室内信道模型进行建模，仿真分析路径损耗模型和多径衰落模型对PPM-TH-UWB超宽带信号传输的影响。论文各
22、章节内容具体安排如下：第1章为绪论。简单介绍超宽带的概念、简史和发展现状及应用前景。第2章概括介绍了无线通信信道的特性，对比分析超宽带信道模型特点，重点探讨IEEE802.15.3a推荐的室内信道模型。第3章重点分析UWB脉冲成形技术，脉冲调制技术和超宽带系统发送信号的基本方式，为后续仿真分析打下理论基础。第4章在前文理论学习的基础上，确定仿真模型和参数设置。对发送信号模型及功率谱密度进行分析，通过对IEEE802.15.3a室内信道的冲激响应建模，分析信号在四种不同环境下的传输性能。第2章 超宽带通信信道模型2.1 无线信道特性在无线通信系统中，无线信道的特性对整个系统的性能有着重大的影响。
23、无线通信的信道是指基站天线、移动用户天线和两副天线之间的传播路径。与其他通信信道相比较，由于无线通信环境的复杂性，移动通信信道无疑是最复杂的一种。无线信道的基本特性是衰落特性。其衰落特性有以下三种表现：一种是信号随着传播距离而导致的传播损耗和弥散，称为大尺度衰落；一种是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物的存在所引起的衰落，称为中尺度衰落，又称为阴影衰落；另外一种是到达接收机的多径信号叠加时产生的衰落，称为小尺度衰落，也称为多径衰落。在传统传播模型中的研究，主要几种在给定范围内平均接收场强的预测，和特定位置附近场强的变化。2.1.1大尺度衰落对于预测平均场强并用与估计无线覆盖范围的传播
24、模型，由于它们所描述的是发射机和接收机之间（T-R）长距离（几百或几千米）上的场强变化，所以被称为大尺度传播模型。而这种模型中因传播距离而引起的传播损耗，称为大尺度衰落。在本课题中，只涉及到室内信道模型，因此无需考虑大尺度衰落。2.1.2小尺度衰落小尺度衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收端的信号相互间干涉所引起的。这些波称之为多径波。无线信道的多径性导致小尺度衰落效应的产生。三个主要效应表现为：（1）经过短距离或短时间传播后信号强度的急速变化。（2）在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制。（3）多径传播时延引起的扩展。在无线通信信道中，有许多
25、的因素影响小尺度衰落，包括：多径传播：信道中反射及反射物的存在，构成了一个不断消耗信号能量的环境，导致信号幅度、相位及时间的变化；移动台的运动速度：基站与移动台间的相对运动会引起随机频率调制，这是由于多径分量存在的多普勒频移现象；环境物体的运动速度：如环境物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落起决定作用；信号的传输带宽：小尺度信号强度和短距传输后信号模糊的可能性与多径信道的特定幅度、时延及传输信号的带宽有关。2.1.3 多径效应无线通信中，从发射机发出的信号在传播过程中往往要受到各种障碍物的影响，导致到达接收机端的信号是来自不同传播路径下的信号的总和。在多径环境下引起的信号的多
26、径衰落可以从时间和空间两个方面来描述。从空间角度来看，若沿着移动台的移动方向，接收信号的幅度会随着距离的变动而衰减。其中，由本地反射物所引起的多径效应呈现出较为快速的幅度变化，其局部均值为随着距离增加而下降的曲线，这反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗。从时域角度来看，由于信号通过路径的长度不同，因此不同路径下信号的到达时间也会有差异。这样，从发射机发送一个脉冲信号，那么接收机端所接收的信号中不仅还有脉冲信号，而且还包含了该脉冲信号在通过传输路径时所产生的时延信号。这种由于多径效应所引起的接收信号脉冲变宽的扩展现象，称之为时延扩展。2.2 超宽带室内信道模型室内传播环境非常复杂，有很多因
27、素会对信号的传播过程产生影响。如室内障碍物对传播信号的反射、散射、透射和衍射等会引起信号的多径衰落、阴影衰落和路径损耗。2.2.1 室内信道模型对室内信道模型的最初研究可追溯到1959年，从那时起，已经提出了多个用于室内窄带传输模型。针对超宽带信道的情况，也进行了多次室内传播测量实验，提出了许多不同的信号模型，其中包括它们的信道测量时延环境、数据描述、路径损耗模型、多径模型等。超宽带信道的主要特征主要体现在信道的路径损耗和多径衰落上，因此，本设计从路径损耗和多径衰落两方面考虑。1、路径损耗模型超宽带信号的短距离、高速传输的特点十分适合于室内环境，但室内多径的现象十分严重。并且由于多径及室内障碍
28、物的存在，不可避免的存在了路径损耗。所以研究信道模型就要先研究路径损耗模型。路径损耗模型主要用于描述发射机和接收机之间距离大于5米以上的信号强度的变化，属于大尺度信道模型，它表征了接收信号在一定时间内的均值或功率随传播距离的变化呈现出缓慢变化，最新研究发现它与信号传输频率也有关系。在文献9中所描述的模型就是路径损耗模型。利用参数（，）表示在个时间窗内接收信号功率延迟剖面图（PDPs），能量增益表示在时间窗为、中心频率在、传输距离为l的接收信号能量与传输距离为的参考接收信号能量的比值。选取时间窗。平均能量增益平均可分辨的多径分量数量可用PDP的时间衰落常数描述，而第二个多径分量的大小为： （2.
29、1）时间衰落常数服从参数为，的对数正态分布，即 （2.2）而参数服从参数、的对数正态分布，即 （2.3）对于路径损耗，总平均能量为： （2.4）式中，表示参考距离。然而，对于总平均接收信号能量的归一化（相当于1m距离的参考信号能量，则服从均值为公式（2.2）、标准差为5.9dB的对数正态分布，即 （2.5）除了文献9描述了路径损耗模型外，文献10也给出了不同信噪比下超宽带信号室内传播的路径损耗特性。2、多径传播模型多径传播模型用于描述短距离或短时间内接收信号强度的快速变化。主要描述无线信号经短距离或短时间传输后经两个或两个以上路径在一微小的时间间隔到达接收机的传播特性。（1）多径衰落信道功率统
30、计模型路径损耗模型是从宏观上描述无线电信号受传输环境影响的统计特性，而多径信道统计特性则是从微观上描述小范围环境变化对无线电信号传输的影响，有多个参数表征，分别描述信道的不同方面特性。 Gamma分布能很好的描述文献11中由于小范围多径衰落对测试结果的影响，通常用Gamma（；m）表示，其中均值为，参量为m。在每个接收窗内，小范围统计特性由不同的的参数表示：，随额外时延的增加而减少，即，其中服从截尾高斯分布，即当服从高斯分布，该分布的均值和方差的在每个接收信号时间窗内是不同的，其均值和方差分别为： （2.6） （2.7） （2）多径衰落信道信号幅度统计特性前面的结果是根据文献11的实际测量数据
31、得到的，从中反映了超宽带信道在室内多径环境中的部分统计特性，然而随着所处环境的变化，信号的分布特性可能会发生变化。由于超宽带无线电脉冲持续时间很短，因此大部分多径分量都可以从时域上分析出来，在接收信号很小的时间窗内，只有有限数目的多径分量发生重叠，这写重叠部分导致信号衰落。根据超宽带无线电信号在多径传播中这一特点，文献12提出适合超宽带无线电室内多径传播的信号幅度特性，即POCA-NAZU分布。2.2.2 室内信道特征参数对于室内信道模型的研究必然需要分析信道的一些特性。下面给出信道路径损耗指数、冲激响应、平均超量时延和RMS时延扩展以及多径分量数目等参数的分析方法。其中，路径损耗和阴影衰落根
32、据测量信道频率响应来估计，而其他统计参数则通过对信道冲激响应的分析得到。1、路径损耗路径损耗是在频域中对示波器数据FFT进行补偿后，通过对幅度平方求和进行估计。将数据分离为LOS路径分量和NLOS路径分量，则可以计算出路径为： （2.8）式中：路径损耗用dB表示；是在参考距离1m处的损耗；是用米为单位表示的中心波长；是以米为单位的距离；是阴影衰落（方差为的零均值高斯随机变量，单位是dB），而且在自由空间情况下路径损耗指数。2、冲激响应室内信道传播的主要特点是：由于发射机和接收机之间存在多条传播路径，发射信号传播之后会产生多个经过时延和衰减的信号。接收信号可以表示为： （2.9）其中，和分别是第
33、n条路径时刻t的信道增益和信道时延，是时刻t观测到的路径数，是接收机处的加性噪声。式（2.9）说明，信道可以由、和完全表征。从上式中可以得到信道的冲激响应，可以写成： （2.10）其中，是Dirac数。在式（2.9）中，考虑了发射机和接收机的移动等因素引起的传播环境的变化，信道冲激响应是时变的。而通常情况下，我们认为信道的变化速率与脉冲速率相比很慢。我们假定在观测时间T（T大于脉冲平均重复周期）内信道是稳定的。在这样的假设下，式（2.9）可以表示为： （2.11）信道冲激响应可写为： （2.12）上式即为著名的Truin模型。这种信道假定表征信道的所有参数都是服从特定分布的随机变量。所以我们需
34、要知道关于信道增益、脉冲到达时间以及路径数N的统计信息，他们可以在接收端得到。但是，在应用于冲激无线电时，式（2.11）表示的模型因为没有考虑脉冲在反射或穿透障碍物时其形状的变化，从而致使这个模型存在较大缺陷。脉冲的形状应与传播路径有关，不同的传播路径有不同的冲激响应。因此，接收信号应表示为： （2.13）这里，一个特定的脉冲波形与路径n对应1。3、多径分量数目对于每一个脉冲冲激响应进行归一化，使其峰值等于1，然后分别计算大于-10dB、-20dB、-30dB的样本数目。将每一类中的幅度平方和除以所有测量点的幅度平方和，可以得到它在整个能量中的比值。根据在峰值10dB范围内多径数目实测值可以知
35、道，多径数目会受到实数通带和复数值基带表示方法、不同时间窗长度、加窗和非加窗处理、利用NLOS和LOS数据或所有测量数据等多方面因素的影响18。4、时延扩展估计时延扩展的方法有时域方法和频域方法两种。对于时域方法，根据单个冲激响应可以按照下面的公式失算平均超量时延： （2.14）上式中是第i个冲激响应估计值的的所在时刻位置，时延相对于其均值的标准偏差可记为，它由下式计算： （2.15）其中： （2.16）式（2.15）表示了信道冲激响应的有效持续时间，它是接收端判断ISI存在与否的最基本参数：如果两个脉冲的时间间隔小于，就存在ISI。事实上，任一接受脉冲都会受到先前发射的脉冲延时到达的影响。对
36、于密集多径环境（如室内传播时），其信道冲激响应对大的显示出明显的功率分布。因此大，此时脉冲间隔必须增加以控制ISI。对于多径不太严重的信道（如室外信道），信道对冲激响应的能量主要几种在第一条路径（即对应于较小的值的路径），这是，比较小，脉冲重复周期可以相应减小。5、功率延迟剖面式（2.12）冲激响应的功率剖面（PDP）可以用一个图形表示，其坐标分量分别为不同分量的到达时间和相应的接收功率。基本路径的到达时间一般是相对于LOS而言的，LOS分量的到达时间固定为0。2.2.3 IEEE802.15.3a标准信道模型1、S-V信道模型Saleh和Valenzuela利用他们在其办公楼处的测量结果和其
37、他研究这的测量结果，提出了用于不同室内无线系统仿真和分析的室内无线信道统计模型。这一模型被证实和测量结果一致，并可以通过调整参数扩展到其它的建筑物。该模型主要用四个参数来描述不同的环境：簇到达速率、每簇中射线到达的速率、簇衰落因子和射线衰落因子。S-V模型假定多径成簇到达，在一簇里，接收到的多径中的一径的幅度是一个独立瑞利随机变量，并有一个随着传播衰减和时延而指数衰减的变量。多径中一径的相位角是一个在0，2之间均匀分布的独立随机变量。簇和一簇中的多径构成泊松到达过程，簇的表达式和建筑物结构有关，一簇内的多径是由发送和接收附近物体的多次反射组成。该模型仿真时比较简单，而且对被测信道模拟比较准确，
38、已经成功的应用在办公室环境中，但是在一些复杂室内环境中采集数据就不行了。2、IEEE802.15.3a的标准信道模型在最初的S-V模型中幅度统计是服从瑞利分布的。然而，在UWB信道的测试中发现幅度的分布更符合对数正态分布。因此，IEEE802.15.3a工作组对其子委员会在2002年11月提交的UWB信道模型稍作改进，规定了幅度是对数分布的，并引入了一个变量来表示总的多径能量的对数正态分布的信道增益的变化。最终与2003年7月颁布了UWB的室内信道模型，同时这个信道模型被假定在观察期间是静止的。IEEE模型的信道冲激响应可以表示为： （2.17）其中，X代表对数正态分布的信道增益的变化；L代表
39、观测到的簇的数目；代表第n簇中接收到的多径数目；代表第k条路径的系数；表示第n簇的到达时间，是第n簇中第k条路径的时延。信道系数可以定义为 （2.18）上式中，为以等概率取+1和-1的离散随机变量，是第n簇中第k条路径的服从对数正态分布的信道系数，可以表示为 （2.19）其中，是均值为、标准差为的高斯随机变量，特别的，可以进一步分解为 （2.20）其中和为两个高斯随机变量，分别表示每簇和每个分量的信道系数的变化，我们分别用和表示和的方差。另外，利用簇幅度和簇内每个多径分量的幅度都服从指数衰减的特点，可以得到的值： （2.21）对每个实现，项包含的总能量必须归一化为单位能量，即 （2.22）根据
40、S-V模型，到达时间变量和分别为到达速率为和的泊松过程。幅度增益X为对数正态随机变量： （2.23）其中g是均值、方差为的高斯随机变量。值取决于平均多径增益G，它是在观测位置测量得到的，即有； （2.24）对于给定的平均衰减指数，G可以功过下式确定 （2.25）其中是距离D=1m时的参考功率增益，是能量或功率衰减指数。根据上面的定义，当下面的参数明确后，冲激响应式（2.17）表示的信道模型就可以完全表征出来：（1）簇平均到达速率；（2）脉冲平均到达速率；（3）簇的功率衰减因子；（4）簇内脉冲的功率衰减因子；（5）簇的信道系数标准偏差；（6）簇内脉冲的信道系数标准偏差；（7）信道幅度增益的标准偏
41、差1。2.3 本章小结本章首先分析了无线信道的传输特性，在此基础上对超宽带信道衰落特性和多径效应进行详细分析，探讨了描述超宽带室内信道特性的主要参数，选取IEEE802.15.3a推荐的室内信道模型为主要仿真对象。第3章 IR-UWB信号的发射和接收IR-UWB是UWB通信最经典的实现方式，通信时利用宽度在亚纳秒级的，具有极低占空比的基带窄脉冲序列携带信息。发射信号是由单脉冲信号组成的时域脉冲序列，其频谱已经在射频段，无需经过频谱搬移就可以直接辐射。通常采用的调制方式有PPM、BPSK、PAM等。窄脉冲通常采用高斯函数族波形，升余弦波形或者这些波形的组合。3.1 UWB无线电通信的基本原理根据
42、香农公式，通信系统的信道容量为： （3.1）其中C是信道最大容量，单位是b/s；B是信道带宽Hz；S是信号的功率W，N是噪声的功率W。此式说明：在高斯信道中当传输系统的信噪比S/N下降时，可用增加系统传输带宽的办法来保持信道容量C不变，以实现信道内无差错通信。香农还指出，在高斯噪声干扰下，有限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号，这是由于高斯白噪声理想的自相关特性所决定。超宽带脉冲通信就是通过发射接收具有皮秒（, ）量级的脉冲信号来传输信息的。它以每秒数十兆的速率发射和接收脉宽小于1ns的窄脉冲信号，信息通过脉冲位置调制(PPM)调制到精确定时的脉冲串中去。
43、3.2 IR-UWB脉冲根据方Maxwell程可知，收发天线对UWB信号的微分作用比窄带系统明显的多，这样，当采用高斯脉冲信号的时候，由于高斯脉冲信号的各次微分具有很简单的形式，分析起来很方便，所以当选用脉冲信号作为UWB信号模型时，大多都使用高斯脉冲信号。高斯脉冲表达式如下： （3.2）式中=4是脉冲形成因子，为方差。上式中右边取负号时所得的脉冲波形和相应的能量谱密度（ESD）如图3.1所示。图3.1 典型高斯脉冲波形及其能量谱密度图（=0.714ns）如果要改变波形而获得频谱形成主要有以下三种方法改变脉冲宽度、对脉冲进行微分和对基函数的组合。脉冲宽度取决于脉冲形成因子。减小的值将会使脉冲宽度压缩，从而扩展传输信号的带宽。因此，同一波形可以通过改变脉