基于matlab的ir-uwb无线通信信道模型仿真毕业论文(编辑修改稿)

基于matlab的ir-uwb无线通信信道模型仿真毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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）， 的通信速率与 UWB 相差太大；超过这个距离范围（即大 5 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， 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 10cm~10m。 它采用 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，把 UWB 看成是蓝牙的杀手，不是没有道理的。 (3)HomeRF 与 UWB HomeRF 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 ，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 有各的应用领域。 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 6 组成部分成为可能 [3][4]。 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。 本文在理解超宽带 无线通信的基础上，对 THUWB 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 SV 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 PPMTHUWB 超宽带信号传输的影响。 论文各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 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 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。 7 第 2 章 超宽带通信信道模型 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。 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。 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模型，由于它们所描述的是发射机和接收机之间（ TR）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。 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： 8 （ 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。 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。 9 超宽带室内信道模型 室内传播环境非常复杂，有很多因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。 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。 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（ kG ， k ）表示在个时间窗内接收信号功率延迟剖面图（ PDPs），能量增益 kG 表示在时间窗为 t 、中心频率在 ( 1)k kt    、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 2t ns。 平均能量增益 kG 平均可分辨的多径分量数量可用 PDP 的时间衰落常数 γ 描述，而第二个多径分量的 10 大小为： 21GG （ ） 时间衰落常数 γ 服从参数为   ，   的对数正态分布，即 ~ ( 3 9 .8。 1 .2 7 )L o g n n s d B （ ） 而参数  服从参数   、   的对数正态分布，即 ~ ( 0 .4。 0 .3 )L o g n d B d B  （ ） 对于路径损耗，总平均能量为： 0/ nPL (l l ) （ ） 式中， 0 1lm 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 totG ，则服从均值为公式（ ）、标准差为 的对数正态分布，即 ~ (。 5 .9 )to tG L o g n P L d B （ ） 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。 11 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（ Ω； m）表 示，其中均值为 Ω，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： kG ， km 随额外时延的增加而减少，即 ~ (。 )k k kG G am m a G m，其中 km 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： ( ) 3. 5 / 73kk   （ ） 2 ( ) 1 .8 4 / 1 6 0kk   （ ） （ 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 12 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 POCANAZU 分布。 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。 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： 0 1 0( ) 1 0 l o g ( )4 cL R C xl     。