超寬帶室內(nèi)信道測(cè)量及數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

任景英，郝雙洋，趙紅梅

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南 鄭州450002;2.中國聯(lián)通河南省分公司，河南 鄭州450045)

超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新興的無線通信技術(shù)。任意相對(duì)帶寬大于20%或絕對(duì)帶寬大于500 MHz的信號(hào)定義為超寬帶信號(hào)［1］，由于它利用時(shí)域上的超短脈沖進(jìn)行通信，UWB技術(shù)的傳輸速率高達(dá)1 Gbit/s，具有很強(qiáng)的抗多徑能力，并且在無線通信中可與現(xiàn)有其他通信系統(tǒng)共享頻譜資源。在這樣的背景下，室內(nèi)短距離無線通信正需要這種通信技術(shù)［2］。因此UWB技術(shù)已成為寬帶無線通信系統(tǒng)研究的核心技術(shù)之一，具有廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。

對(duì)室內(nèi)信道進(jìn)行測(cè)量，獲得準(zhǔn)確可靠的原始數(shù)據(jù)是UWB室內(nèi)信道建模的關(guān)鍵步驟，目前國內(nèi)借鑒的大部分信道模型都是借助于國外的測(cè)試數(shù)據(jù)創(chuàng)建的，真正適合中國頻譜使用現(xiàn)狀的信道模型較少，在我國鮮有關(guān)于室內(nèi)UWB無線信道的測(cè)量報(bào)道。因此，搭建UWB無線信道測(cè)量系統(tǒng)并對(duì)實(shí)際室內(nèi)信道環(huán)境實(shí)施測(cè)量，是我國UWB無線信道研究中有待迫切解決的問題。同時(shí)，通過測(cè)量可以獲得反映超寬帶室內(nèi)信道環(huán)境的實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和分析，可以計(jì)算出描述室內(nèi)多徑信道的沖激響應(yīng)函數(shù)［3］。由沖激響應(yīng)函數(shù)計(jì)算可以得到信道的各種統(tǒng)計(jì)參數(shù)，這些數(shù)據(jù)參數(shù)能夠幫助人們更好地了解不同室內(nèi)信道環(huán)境下信道的傳播特性和進(jìn)一步建立室內(nèi)的信道模型［4］。

1 UWB信道測(cè)量方案

1.1 測(cè)量方法的選定

制定一個(gè)可行的信道測(cè)量方案，必須考慮測(cè)試環(huán)境、測(cè)試成本和系統(tǒng)需求指標(biāo)等因素的影響。目前主要有兩種信道測(cè)量方法［5］:1)時(shí)域法。測(cè)量系統(tǒng)在發(fā)射端發(fā)射一個(gè)納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖，抽樣示波器在接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)域抽樣，通過對(duì)抽樣后的數(shù)據(jù)一系列的后期處理可以得到信道沖激響應(yīng)。2)頻域法。測(cè)量系統(tǒng)首先在發(fā)射端發(fā)射點(diǎn)頻信號(hào)，通過掃頻得到某一頻率范圍內(nèi)的信道頻率響應(yīng)，最后經(jīng)傅里葉反變換等數(shù)據(jù)處理技術(shù)得到信道沖激響應(yīng)。

在時(shí)域測(cè)量方法中，調(diào)整系統(tǒng)時(shí)間分辨率必須調(diào)整發(fā)射的窄脈沖寬度和抽樣示波器的采樣率，因此搭建室內(nèi)高分辨率的時(shí)域測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗時(shí)長、成本高。而在頻域測(cè)量中，網(wǎng)絡(luò)分析儀被用作收發(fā)機(jī)，它的靈敏度高，測(cè)量系統(tǒng)分辨率的調(diào)節(jié)可以相對(duì)簡單地通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量帶寬來實(shí)現(xiàn)。因此考慮到測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量成本、系統(tǒng)分辨率指標(biāo)、測(cè)量距離、測(cè)量數(shù)據(jù)后期處理以及一些其他因素的影響，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的條件，本文采用頻域測(cè)量方法［6］，通過對(duì)UWB室內(nèi)環(huán)境下采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，計(jì)算出實(shí)際信道的沖激響應(yīng)函數(shù)。

1.2 測(cè)量技術(shù)路線

頻域測(cè)量的具體工作過程是由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過一個(gè)可變衰減器、功率放大器和超寬帶天線發(fā)射信號(hào)，經(jīng)信道作用后被超寬帶接收天線接收，然后經(jīng)過低噪放大器，最后被送回到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收端，網(wǎng)絡(luò)分析儀在要測(cè)量的范圍內(nèi)掃頻，自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)單頻處信道傳遞函數(shù)的幅度和相位［7］。最后再對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理操作，如圖1所示。

圖1 頻域測(cè)試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理框圖

1.3 UWB室內(nèi)信道實(shí)測(cè)方案

測(cè)量系統(tǒng)主要由Agilent N5242A高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、低損耗射頻電纜、全向天線(1.0～18.0 GHz，0 dB)、可變衰減器、功率放大器、低噪放大器、高性能轉(zhuǎn)接頭、遠(yuǎn)程控制終端等組成［8］。測(cè)量前，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率掃描范圍為3.0～11.0 GHz，頻點(diǎn)選擇3 000個(gè)，頻點(diǎn)間隔4.88 MHz。測(cè)量36個(gè)局部點(diǎn)，測(cè)量距離2～11 m，每個(gè)局部點(diǎn)測(cè)量9次。

選擇位于鄭州輕工業(yè)學(xué)院超寬帶無線通信實(shí)驗(yàn)室測(cè)試區(qū)作為場(chǎng)景進(jìn)行了實(shí)測(cè)。

測(cè)量分為視距(Line of Sight，LOS)和非視距(Non-Line of Sight，NLOS)測(cè)量，首先對(duì)視距LOS情況進(jìn)行測(cè)量，將發(fā)射天線固定在室內(nèi)墻上，距離地面1.3 m，接收天線在一個(gè)可以移動(dòng)的小車上，然后在房間的一個(gè)區(qū)域內(nèi)預(yù)先測(cè)量的節(jié)點(diǎn)上移動(dòng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)相距0.5 m，在測(cè)量中對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)處使接收天線在其周圍做9次微小移動(dòng)，分別進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于非視距NLOS情況，將接收天線放在與發(fā)射天線不同的區(qū)域內(nèi)，由于有擋板隔開兩個(gè)區(qū)域，因此可以構(gòu)成非視距情況。在整個(gè)測(cè)量過程中需要考慮房間門與窗開關(guān)的影響，因此需要進(jìn)行多次測(cè)量。圖2所示為一組典型的頻域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)。

圖2 典型的頻域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)

2 頻域數(shù)據(jù)后處理關(guān)鍵技術(shù)研究

通過對(duì)圖2的頻域測(cè)量結(jié)果的分析，網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測(cè)的接收信號(hào)在頻域上的表達(dá)式為

式中:Tx(f)為發(fā)射天線的頻域響應(yīng);Rx(f)為接收天線的頻域響應(yīng);P(f)為發(fā)射信號(hào)的頻譜;H(f)為UWB室內(nèi)信道的傳遞函數(shù);N(f)為噪聲功率譜密度。從接收信號(hào)R(f)中求出H(f)是頻域數(shù)據(jù)后處理中要解決的主要問題，再經(jīng)過傅里葉反變換得到信道沖激響應(yīng)h(t)。整個(gè)過程包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、頻域數(shù)據(jù)加窗、實(shí)數(shù)傅里葉反變換、去噪和設(shè)置時(shí)間零點(diǎn)等。

2.1 數(shù)據(jù)校正

為了確保實(shí)測(cè)結(jié)果不受收發(fā)天線及測(cè)量器件的影響，測(cè)試之前首先將發(fā)射天線和接收天線置于間隔1 m的距離，在此狀態(tài)下測(cè)量數(shù)據(jù)記為

式中:N'(f)是收發(fā)天線距離1 m時(shí)的噪聲功率譜密度。將所有的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與收發(fā)天線間隔1 m的測(cè)量數(shù)據(jù)相減就可以得到校正后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)加窗

實(shí)測(cè)頻域數(shù)據(jù)所占的頻率范圍是3.0～11.0 GHz，因此在3.0 GHz和11.0 GHz這2個(gè)頻點(diǎn)上的數(shù)據(jù)相對(duì)于其他頻點(diǎn)而言有非常明顯的跳變。由數(shù)字信號(hào)處理的基本理論可知，若對(duì)該數(shù)據(jù)直接進(jìn)行傅里葉反變換，過調(diào)和拖尾現(xiàn)象會(huì)在時(shí)域沖激響應(yīng)中呈現(xiàn)。因此在處理數(shù)據(jù)時(shí)，首先要對(duì)頻域數(shù)據(jù)加窗截?cái)?，可供采用的?shù)據(jù)窗有很多。由于漢明窗(Hamming)主瓣集中的能量約為99.96%，對(duì)旁瓣抑制達(dá)到41 dB，因此本文采用漢明窗對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)嗵幚怼?/p>

2.3 傅里葉反變換(IDFT)

頻域后期處理最重要的一步就是將H(f)變換為信道沖激響應(yīng)h(t)［9］。常見的傅里葉反變換的方法有兩種:實(shí)數(shù)通帶傅里葉反變換和復(fù)數(shù)基帶傅里葉反變換。前者是假設(shè)網(wǎng)絡(luò)分析儀得到的頻譜范圍為f1～f2，則先在0～f1之間的頻帶上補(bǔ)0，再令-f2～0的頻譜是0～f2頻譜的共軛對(duì)稱，得到反變換結(jié)果是實(shí)數(shù)序列。而在復(fù)數(shù)基帶傅里葉反變換處理中，缺少補(bǔ)零和共軛對(duì)稱的步驟，得到的反變換結(jié)果是復(fù)數(shù)序列。由時(shí)域和頻域的變換性質(zhì)可知，實(shí)數(shù)通帶IDFT處理的時(shí)間分辨率遠(yuǎn)高于復(fù)數(shù)基帶IDFT處理的時(shí)間分辨率。因此本文選擇實(shí)數(shù)通帶IDFT，使用該方法可以降低由窗函數(shù)引起的時(shí)間分辨率損失。

2.4 去噪和設(shè)置時(shí)間零點(diǎn)

按照上述步驟對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可以得到UWB室內(nèi)的信道沖激響應(yīng)h(t)，但其中可能會(huì)含有由測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部噪聲引起的一些增益較小的多徑信號(hào)，這種信號(hào)認(rèn)為是無效的多徑分量，如保留這些無效的多徑分量則會(huì)使后期建立信道模型變得復(fù)雜［10］。實(shí)際操作中，通過設(shè)置閾值將這些幅度較小的多徑信號(hào)去除掉。由于傅里葉反變換具有周期性，根據(jù)實(shí)測(cè)的UWB室內(nèi)信道的物理特性需要對(duì)信道沖激響應(yīng)設(shè)置時(shí)間零點(diǎn)，以確定后續(xù)多徑分量的到達(dá)時(shí)間。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

采用上述方法，用MATLAB語言對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先將網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的頻域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MATLAB軟件中常用格式的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)文件。

圖3 實(shí)測(cè)視距(LOS)信道處理結(jié)果

圖4 實(shí)測(cè)非視距(NLOS)信道處理結(jié)果

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正加窗后，將圖2中的幅度、相位的0～3 GHz頻譜補(bǔ)0，令-11～0 GHz的頻譜為0～11 GHz頻譜的共軛，且關(guān)于零點(diǎn)與正頻譜對(duì)稱，由此得到-11～11 GHz共22 GHz頻譜，根據(jù)IDFT的周期性，把-11～0 GHz的頻譜搬移到11～22 GHz。圖3a和圖3b分別給出頻率變換后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的幅度和相位，再將其所示的頻譜作IDFT得到圖3c所示的初步的信道沖激響應(yīng)。隨后設(shè)置信道沖激響應(yīng)時(shí)間零點(diǎn)，得到的典型視距信道沖激響應(yīng)如圖3d所示。圖4為對(duì)非視距頻域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)所處理的結(jié)果。從處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3和圖4可以看出，對(duì)于LOS數(shù)據(jù)，幅度最大的多徑為首徑，其到達(dá)時(shí)間為時(shí)間零點(diǎn)，另外一條傳輸能量較高的分量緊接著呈現(xiàn)，不同簇的表現(xiàn)沒有明顯差異，可能只有一簇就表征了所考慮的沖激響應(yīng)。對(duì)于NLOS數(shù)據(jù)，首徑不是幅度最大的多徑，而是幅度最大的多徑前第一條幅度大于其1/10的多徑，多徑?jīng)_激響應(yīng)由多個(gè)簇相互疊加而成，這是由于在NLOS情況下，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在障礙物的結(jié)果，在這種情況下最強(qiáng)峰值通過反射或衍射到達(dá)接收機(jī)，而第一個(gè)峰值是穿透障礙物到達(dá)接收機(jī)的，一般穿透障礙物的衰減大于發(fā)射或衍射的衰竭。上述現(xiàn)象很好地驗(yàn)證了UWB信道在視距和非視距條件下信道的傳輸特性，并且采用上述的處理方法，時(shí)間分辨率達(dá)到1/(22 GHz)=45.5 ps，比直接將3～11 GHz的頻譜做傅里葉反變換，時(shí)間分辨率提高了22/8=2.75倍。

4 結(jié)論

對(duì)實(shí)際信道進(jìn)行測(cè)量是分析信道環(huán)境的最直接有效的方法，是建立信道模型的前提和基礎(chǔ)，本文提出了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的信道測(cè)量方案，搭建了頻域測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，研究了基于測(cè)量系統(tǒng)的后期數(shù)據(jù)處理方法，處理結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了UWB信道的傳輸特征，在此基礎(chǔ)上可以建立準(zhǔn)確描述超寬帶室內(nèi)傳輸特性的信道模型。下一步的工作，希望能夠在UWB室內(nèi)信道的建模上有所突破。

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