無線視頻傳輸系統(tǒng)中UWB信號繞射特性研究

摘 要： 在超寬帶無線視頻傳輸系統(tǒng)中，經(jīng)常會遇到非視距傳播環(huán)境，需要研究在該環(huán)境下超寬帶信號繞射傳播特性。利用時域一致性繞射理論（UTD）和物理光學（PO）分析繞射傳播特性的優(yōu)勢，提出一種混合方法來分析超寬帶信號在無線視頻傳輸系統(tǒng)中的繞射傳播特性。該混合方法利用一組簡單的遞推關系代替一致性繞射理論中的高階繞射項。這種基于時域UTD?PO的混合分析方法不僅能夠用來準確地分析無線視頻傳輸環(huán)境下超寬帶信號的多重繞射傳播特性而且還能夠明顯提高運算效率。

關鍵詞： 超寬帶； 多重繞射； 無線視頻； 傳播特性

中圖分類號： TN915.01?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）17?0012?04

0 引 言

2008年工業(yè)和信息化部發(fā)布了中國超寬帶（Ultra Wide?band，UWB）頻譜規(guī)劃，推進了UWB技術在中國的推廣應用。UWB技術作為一種新型的短距離、高速率無線通信技術，其傳輸速率可以達到480 Mb/s以上，UWB技術已經(jīng)成為視頻設備和便攜多媒體設備等需要高品質(zhì)視頻傳輸?shù)募夹g基礎[1]。UWB信號無線傳播環(huán)境的特性是UWB通信系統(tǒng)研究的基礎[2]，建立能夠真實反映UWB信號傳播特性的信道傳播模型是進行UWB系統(tǒng)設計的首要任務[3?4]。

在UWB無線視頻傳輸環(huán)境中，無線發(fā)射模塊發(fā)射的UWB信號在傳播路徑上往往會遇到多個障礙物。利用時域一致性繞射理論（TD?UTD）的方法可以分析UWB信號經(jīng)歷單個半平面、劈形和圓形障礙物繞射后的時域傳播特性。TD?UTD方法也能夠被應用于分析UWB信號經(jīng)歷多個障礙物后的時域傳播特性，但是利用TD?UTD理論分析過渡區(qū)的傳播特性時，需要引入復雜的高階繞射項[5?7]。因此，TD?UTD方法無法分析障礙物數(shù)目比較多的多重繞射模型。文獻[8]利用物理光學（PO）在分析多重繞射時的優(yōu)勢，提出了一種利用UTD理論和PO方法的混合方法，并利用這種混分方法在頻域內(nèi)研究了多重繞射的繞射系數(shù)。本文將頻域內(nèi)UTD?PO方法推廣到時域，利于時域UTD?PO方法分析UWB信號在典型傳播環(huán)境下經(jīng)歷多個障礙物后的時域傳播特性。該方法利用PO方法中的遞推關系代替過渡區(qū)內(nèi)的高階繞射項，在時域內(nèi)分析了Bertoni模型[6]的多重繞射系數(shù)。利用簡單的卷積運算，可以預測接收點的UWB信號，從而分析無線視頻傳輸系統(tǒng)中UWB信號的多重繞射傳播特性。

4 仿真結果

本節(jié)利用式（5）來研究圖1所示的無線視頻傳輸環(huán)境中的UWB信號的多重繞射傳播特性。在圖1所示的UWB信號的傳播環(huán)境中，障礙物的高度為[hb=2]m，相鄰障礙物之間的距離為[w=1.5]m，障礙物橫截面寬度為[v=0.5]m，接收天線的高度為[hr=1]m，距離左邊障礙物的水平距離為[dr=0.5]m，障礙物的相對介電常數(shù)[εr=5.5，]電導率為[σ=0.023]S/m。本文中使用的UWB信號是高斯二階導脈沖信號，其數(shù)學表達式為：

[p（t）=1ττ3π/21-2t2τ2e-2t2τ2] （11）

式中[τ]決定信號的脈沖寬度，這里[τ=0.1]ns。在仿真中，天線的高度參數(shù)[ht]和障礙物的個數(shù)參數(shù)[n]可以根據(jù)仿真的需要調(diào)整。

為了驗證上述基于UTD?PO方法的有效性，假設圖1所示的傳播環(huán)境中有2個障礙物，分別用基于斜率繞射場的UTD方法[7]（S?UTD）和本文基于UTD?PO的方法來預測圖1接收點的接收信號。假設發(fā)射模塊發(fā)射一個水平極化（soft）UWB信號，入射角[α=π20，]接收模塊收到的信號[r1t]和[r2t]如圖2所示。從圖2中可以看出，用本文提出的混合方法預測的接收點的UWB信號和用基于高階繞射場的UTD方法預測的信號吻合。因此，本文提出的混合方法能夠準確地分析UWB信號在無線視頻傳輸系統(tǒng)中的多重繞射傳播特性。另外，盡管經(jīng)歷了兩條不同的傳輸路徑，接收模塊收到的信號[r1t]和[r2t]在波形上差異很小。這是因為經(jīng)歷路徑2（路徑長度分別為[d2]）抵達接收模塊的UWB信號在到達第二個障礙右頂點繞射后還需要經(jīng)歷一次反射后才能到達接收模塊，而在路徑1（路徑長度分別為[d1]）上，接收模塊處于深陰影區(qū)內(nèi)。因此，后文在分析抵達接收模塊的UWB信號時，只給出了經(jīng)歷路徑1（路徑長度分別為[d1]）抵達接收模塊的UWB信號[r1t]。圖3給出了在上述傳播環(huán)境中，水平極化（soft）和垂直極化（hard）入射時，接收模塊處的UWB信號。從圖3可以看出，相同傳播環(huán)境下，相比垂直極化的入射信號，水平極化的入射信號衰減更為明顯。這對設計無線視頻傳輸系統(tǒng)而言有很好的工程指導意義。

接收模塊收到的信號[r1t]和[r2t]

水平極化和垂直極化分別入射時，接收模塊收到的信號[r1t]

接下來在含有4個障礙物的傳播環(huán)境下調(diào)整發(fā)射模塊所處位置的高度[ht，]研究不同發(fā)射模塊位置高度[ht]下，無線視頻傳輸環(huán)境中UWB信號的多重繞射傳播特性。假設發(fā)射模塊發(fā)射的信號的入射角[α]分別為[π15]和[π20]時，接收模塊處的UWB信號如圖4所示。從圖4中可以看出，由于障礙物和接收模塊都處于發(fā)射模塊的非視距內(nèi)（NLOS），隨著發(fā)射信號入射角度的增加，接收點的UWB信號的幅度有所增加。這是因為在圖1所示的傳播環(huán)境中的參考點處接收到的信號是經(jīng)發(fā)射模塊發(fā)射的直達信號和經(jīng)障礙物多重繞射后的信號的疊加信號，隨著入射角度的增加，參考點處的接收信號幅度有所增加；接收模塊處收到的信號是在經(jīng)過參考點處信號繞射后的信號，隨著角度的增加，繞射信號的強度會增強。因此，在入射角度增加時，接收模塊的信號有所增強。另一方面，相比于參考相位點，隨著UWB信號入射角度的增加，UWB信號經(jīng)歷的路徑長度有所減少，所以在時間軸上入射角為[α=π15]時入射信號的到達時間會先于入射角為[α=π20]入射信號的到達時間。

為了說明本文中提出的混合方法在分析無線視頻傳輸環(huán)境中UWB信號多重繞射傳播特性的優(yōu)越性，假設圖1傳播環(huán)境中分別含有2個，3個和4個障礙物，發(fā)射模塊發(fā)射的信號入射角為[α=π20]的入射信號。分別用基于斜率繞射場的UTD方法[7]和本文基于UTD?PO的方法預測圖1所示傳播環(huán)境中的UWB信號多重繞射傳播特性，并比較兩種方法的運算時間，如表1所示。從表1中可以看出，隨著障礙物數(shù)目的增加，本文中的混合方法相比基于S?UTD的方法有更高的運算效率。這是因為對于含有[n]個障礙物的傳播環(huán)境而言，利用基于S?UTD的處理方法，需要處理[22n]條射線；利用本文提出的方法，計算過程只需要考慮2條射線（經(jīng)第一個障礙物左頂角和右頂角繞射后的繞射射線），接收點的多重繞射信號可以看成一組繞射信號的算術平均值。因此，本文中提出的時域方法不僅能夠準確地應用于分析無線視頻傳輸系統(tǒng)中含有多個障礙物的多重繞射模型，而且在障礙物數(shù)目比較多時，還能夠明顯節(jié)省計算時間。

5 結 語

本文在時域內(nèi)將物理光學的方法引入到一致性繞射理論中，利用這種混合方法能夠回避處理過渡區(qū)內(nèi)復雜的高階繞射項。通過這種混合方法研究了典型Bertoni模型中的時域繞射系數(shù)，從而分析了UWB信號在無線視頻傳輸系統(tǒng)中多重繞射傳播特性。結果表明這種方法不僅能夠準確有效地應用于分析無線視頻傳輸系統(tǒng)中UWB信號的多重繞射傳播特性，而且隨著繞射障礙物數(shù)目的增加這種方法的運算效率更高。

參考文獻

[1] 張正華，謝敏.UWB無線視頻傳輸關鍵技術研究[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（11）：33?35.

[2] GEZICI S， TIAN Z， GIANNAKIS G B， et al. Localization via ultra?wideband radios： a look at positioning aspects for future sensor networks [J]. IEEE signal processing magazine， 2005， 22（4）： 70?84.

[3] ZHOU C， QIU R C. Pulse distortion caused by cylinder diffraction and its impact on UWB communications [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2007， 56（4）： 2385?2391.

[4] QIU R C. A generalized time domain multipath channel and its application in ultra?wideband （UWB） wireless optimal receiver design?part Ⅱ： physics based system analysis [J]. IEEE tran?sactions on wireless communication， 2004， 3（6）： 2312?2324.

[5] VERUTTIPONG T W. Time domain version of the uniform GTD [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 1990， 38（11）： 1757?1764.

[6] MCNAMARA D A， PISTORIUS C W I， MALHERBE J A G. Introduction to the uniform geometrical theory of diffraction [M]. Norwood： Artech House， 1990.

[7] KSROUSOS A， TZARAS C. Multiple time?domain diffraction for UWB signals [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2008， 56（5）： 1420?1427.

[8] RODRIGUEZ J V， MOLINA?GARCIA?PARDO J?M， JUAN?LLACER L. A hybrid UTD?PO solution for multiple?cylinder diffraction analysis assuming spherical?wave incidence [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2008， 56（9）： 3078?3081.

[9] LIU P， LONG Y. A new time domain solution for the multiple diffraction of spherical waves by an array of nonperfectly conducting wedges for UWB signals [J]. Microwave and optical technology letters， 2010， 52（5）： 1006?1008.

[10] LIU P， TAN J， LONG Y. Time domain UTD?PO solution for the multiple diffraction of spherical waves for UWB signals [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2011， 59（4）： 1420?1424.

[11] HAN T， LONG Y. Time?domain UTD?PO analysis of a UWB pulse distortion by multiple?building diffraction [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2010， 9： 795?798.

[12] HAN T， LONG Y. TD solution based on UTD?PO for multiple?building diffraction with shadowing caused by a wedge?shaped hill for UWB signals [J]. Microwave optical technology letter， 2011， 53（2）： 426?429.