無線視頻傳輸系統(tǒng)中UWB信號繞射特性研究

韓　濤，張明軍，王紅成，李秀平

（1.東莞理工學院 電子工程學院，廣東 東莞　523808；2.法國國立工藝學院 電子自動化與系統(tǒng)學院，法國 巴黎　75003）

無線視頻傳輸系統(tǒng)中UWB信號繞射特性研究

韓濤1，張明軍2，王紅成1，李秀平1

（1.東莞理工學院 電子工程學院，廣東 東莞523808；
2.法國國立工藝學院 電子自動化與系統(tǒng)學院，法國 巴黎75003）

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(guān)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。

超寬帶；多重繞射；無線視頻；傳播特性

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(shù)在中國的推廣應用。UWB技術(shù)作為一種新型的短距離、高速率無線通信技術(shù)，其傳輸速率可以達到480 Mb/s以上，UWB技術(shù)已經(jīng)成為視頻設(shè)備和便攜多媒體設(shè)備等需要高品質(zhì)視頻傳輸?shù)募夹g(shù)基礎(chǔ)［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(chǔ)［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(shè)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)UTDPO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(guān)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。

1　UWB信號的多重繞射傳播模型

在本文研究的無線視頻傳輸環(huán)境中，UWB信號多重繞射傳播模型如圖1所示。N個障礙物被等效成平頂長方形的結(jié)構(gòu)體，這種結(jié)構(gòu)體的障礙物可以看成由兩個直角劈拼接而成，橫截面的寬度為v，同時假定具有相同的高度hb，相鄰障礙物之間的距離都為w，天線的高度為ht，距離第一個障礙物的距離為d。接收設(shè)備的高度為hr，放置于第n個障礙物和第n+1個障礙物之間，距離第n個障礙物的水平距離為dr。從發(fā)射模塊發(fā)射的UWB信號以入射角為α的平面波入射到這排障礙物上。從圖1中可以看到，UWB信號在到達第n個障礙物右頂點后會經(jīng)歷兩條不同的路徑（路徑長度分別為d1和d2）后抵達接收模塊。

圖1　UWB信號的多重繞射傳播模型

2　頻域模型

文獻［9-12］利用物理光學在分析多重繞射特性方面的優(yōu)勢，利用UTD-PO的混合方法分析超寬帶信號經(jīng)歷多個障礙物后的繞射傳播特性。該方法利用一組遞推關(guān)系回避處理UTD理論中的高階繞射項，提高了運算效率。本文將上述混合方法引入到分析圖1所示的無線視頻傳輸系統(tǒng)中，利用基于UTD-PO的混合方法分析上述傳播環(huán)境時，只需要分析一條射線的簡單繞射，通過遞推關(guān)系能夠得出接收點的場強表達式。根據(jù)文獻［6］的分析方法，圖1所示傳播環(huán)境中參考點的場強E可以表示為：

式中：k是波數(shù)；E0是入射UWB信號的幅度。

UWB信號在平頂障礙物的左頂角的場強Em（ω）可以表示為：

3　時域模型

式（1）給出了接收點場強的頻域遞推關(guān)系，利用拉普拉斯變換可以得到時域遞推表達式，利用時域遞推關(guān)系可以分析超寬帶信號在圖1所示的傳播環(huán)境下的時域多重繞射傳播特性。根據(jù)拉普拉斯變換，圖1所示的參考點的時域脈沖響應可以表示為：

圖1中障礙物左頂點的時域脈沖響應可以表示為：

式中：c代表光速；（δ）·是Dirac Delta函數(shù)；s和h分別代表水平極化和垂直極化。ds，h（L ），t是時域UTD繞射系數(shù)，可以表示為：

文獻［8］給出了時域反射系數(shù)rs，h（）t的表達式，文獻［3］給出了式（7）中的各項d（t）的表達式：

UWB信號在到達圖1中所示的參考點后，分別經(jīng)歷兩條不同路徑（路徑長度分別為d1和d2）抵達接收模塊。因此，接收模塊會收到兩個在時間軸上分開的脈沖信號，這兩個脈沖信號可以表示為：

式中：RH，V是文獻［5］中給出的反射系數(shù)；d1和d2是從參考點到接收模塊經(jīng)歷的兩條路徑的距離；是上述兩條路徑在參考點處的時域繞射系數(shù)。

4　仿真結(jié)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=2m，相鄰障礙物之間的距離為w=1.5m，障礙物橫截面寬度為v=0.5m，接收天線的高度為hr=1m，距離左邊障礙物的水平距離為 dr=0.5m，障礙物的相對介電常數(shù)εr=5.5，電導率為σ=0.023S/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：

式中τ決定信號的脈沖寬度，這里τ=0.1ns。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(shè)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(shè)發(fā)射模塊發(fā)射一個水平極化（soft）UWB信號，入射角接收模塊收到的信號如圖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r1（t）和在波形上差異很小。這是因為經(jīng)歷路徑2（路徑長d1）抵達接收模塊的UWB信號r1（）t。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(shè)計無線視頻傳輸系統(tǒng)而言有很好的工程指導意義。

圖2　含有2個障礙物的傳播環(huán)境中，入射角為α=π 20時，接收模塊收到的信號r1（t）和r2（t）

圖3　含有2個障礙物的傳播環(huán)境中，入射角為α=π 20時，水平極化和垂直極化分別入射時，接收模塊收到的信號r1（t）

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(shè)發(fā)射模塊發(fā)射的信號的入射角α分別為和π 20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時入射信號的到達時間會先于入射角為入射信號的到達時間。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

圖4　含有4個障礙物的傳播環(huán)境中，入射角α分別為π 15和π 20時，接收模塊收到的信號r1（t）

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(shè)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(shù)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。

表1　不同障礙物個數(shù)下兩種預測方法運算時間比

5結(jié)　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(jié)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。

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Study on diffraction propagation characteristic of UWB signal in wireless video transmission system

HAN Tao1，ZHANG Mingjun2，WANG Hongcheng1，LI Xiuping1
（1.School of Electronic Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China；2.Le département Electronique Automatique et Systèmes，Conservatoire National des Arts et Métiers，Paris 75003，F(xiàn)rance）

Since the environment of non-line-of-sight（NLOS）propagation is often encountered in ultra-wideband（UWB）wireless video transmission system，the diffraction propagation characteristic of UWB signal should be studied in this environment.The advantage of diffraction propagation characteristic is analyzed with the time domain uniformity theory of diffraction （UTD）and physical optics（PO），and a hybrid method is presented to analyze the diffraction propagation characteristic of UWB signal in wireless video transmission system.The hybrid method utilizes a group simple recursion relation instead of the higherorder diffraction item in the consistency diffraction theory.This hybrid analysis method based on time-domain UTD-PO can analyze the multi-diffraction propagation characteristic of UWB signal in wireless video transmission environment accurately，and improve the computational efficiency obviously.

ultra-wideband；multi-diffraction；wireless video；propagation characteristic

TN915.01-34

A

1004-373X（2016）17-0012-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.17.003

2015-12-24

國家自然科學基金（61308019）；廣東省自然科學基金（S2013010013261）

韓濤（1981—），男，湖北武漢人，博士研究生。主要研究領(lǐng)域為超寬帶通信系統(tǒng)。張明軍（1975—），男，法國人，博士研究生，副教授。主要研究領(lǐng)域為無線傳感器網(wǎng)絡。王紅成（1981—），男，湖南衡陽人，博士研究生，副教授。主要研究領(lǐng)域為光通信、無線傳感器網(wǎng)絡。李秀平（1963—），男，貴州鎮(zhèn)遠人，博士研究生，教授。主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡。