超寬帶室內信道測量及數據處理技術研究

任景英，郝雙洋，趙紅梅

(1.鄭州輕工業學院，河南 鄭州450002;2.中國聯通河南省分公司，河南 鄭州450045)

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

對室內信道進行測量，獲得準確可靠的原始數據是UWB室內信道建模的關鍵步驟，目前國內借鑒的大部分信道模型都是借助于國外的測試數據創建的，真正適合中國頻譜使用現狀的信道模型較少，在我國鮮有關于室內UWB無線信道的測量報道。因此，搭建UWB無線信道測量系統并對實際室內信道環境實施測量，是我國UWB無線信道研究中有待迫切解決的問題。同時，通過測量可以獲得反映超寬帶室內信道環境的實際數據，對實測數據進行研究和分析，可以計算出描述室內多徑信道的沖激響應函數［3］。由沖激響應函數計算可以得到信道的各種統計參數，這些數據參數能夠幫助人們更好地了解不同室內信道環境下信道的傳播特性和進一步建立室內的信道模型［4］。

1 UWB信道測量方案

1.1 測量方法的選定

制定一個可行的信道測量方案，必須考慮測試環境、測試成本和系統需求指標等因素的影響。目前主要有兩種信道測量方法［5］:1)時域法。測量系統在發射端發射一個納秒級的非正弦波窄脈沖，抽樣示波器在接收端對接收信號進行時域抽樣，通過對抽樣后的數據一系列的后期處理可以得到信道沖激響應。2)頻域法。測量系統首先在發射端發射點頻信號，通過掃頻得到某一頻率范圍內的信道頻率響應，最后經傅里葉反變換等數據處理技術得到信道沖激響應。

在時域測量方法中，調整系統時間分辨率必須調整發射的窄脈沖寬度和抽樣示波器的采樣率，因此搭建室內高分辨率的時域測量系統結構復雜、耗時長、成本高。而在頻域測量中，網絡分析儀被用作收發機，它的靈敏度高，測量系統分辨率的調節可以相對簡單地通過調節網絡分析儀的測量帶寬來實現。因此考慮到測量系統的測量成本、系統分辨率指標、測量距離、測量數據后期處理以及一些其他因素的影響，結合現有實驗室的條件，本文采用頻域測量方法［6］，通過對UWB室內環境下采集的實測數據進行后處理，計算出實際信道的沖激響應函數。

1.2 測量技術路線

頻域測量的具體工作過程是由矢量網絡分析儀通過一個可變衰減器、功率放大器和超寬帶天線發射信號，經信道作用后被超寬帶接收天線接收，然后經過低噪放大器，最后被送回到矢量網絡分析儀的接收端，網絡分析儀在要測量的范圍內掃頻，自動計算出每個單頻處信道傳遞函數的幅度和相位［7］。最后再對所得到的數據進行后處理操作，如圖1所示。

圖1 頻域測試系統及數據處理框圖

1.3 UWB室內信道實測方案

測量系統主要由Agilent N5242A高性能矢量網絡分析儀、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、高性能轉接頭、遠程控制終端等組成［8］。測量前，設定網絡分析儀頻率掃描范圍為3.0～11.0 GHz，頻點選擇3 000個，頻點間隔4.88 MHz。測量36個局部點，測量距離2～11 m，每個局部點測量9次。

選擇位于鄭州輕工業學院超寬帶無線通信實驗室測試區作為場景進行了實測。

測量分為視距(Line of Sight，LOS)和非視距(Non-Line of Sight，NLOS)測量，首先對視距LOS情況進行測量，將發射天線固定在室內墻上，距離地面1.3 m，接收天線在一個可以移動的小車上，然后在房間的一個區域內預先測量的節點上移動，每個節點相距0.5 m，在測量中對每個節點處使接收天線在其周圍做9次微小移動，分別進行測量。對于非視距NLOS情況，將接收天線放在與發射天線不同的區域內，由于有擋板隔開兩個區域，因此可以構成非視距情況。在整個測量過程中需要考慮房間門與窗開關的影響，因此需要進行多次測量。圖2所示為一組典型的頻域實測數據。

圖2 典型的頻域實測數據

2 頻域數據后處理關鍵技術研究

通過對圖2的頻域測量結果的分析，網絡分析儀實測的接收信號在頻域上的表達式為

式中:Tx(f)為發射天線的頻域響應;Rx(f)為接收天線的頻域響應;P(f)為發射信號的頻譜;H(f)為UWB室內信道的傳遞函數;N(f)為噪聲功率譜密度。從接收信號R(f)中求出H(f)是頻域數據后處理中要解決的主要問題，再經過傅里葉反變換得到信道沖激響應h(t)。整個過程包括對數據進行校正、頻域數據加窗、實數傅里葉反變換、去噪和設置時間零點等。

2.1 數據校正

為了確保實測結果不受收發天線及測量器件的影響，測試之前首先將發射天線和接收天線置于間隔1 m的距離，在此狀態下測量數據記為

式中:N'(f)是收發天線距離1 m時的噪聲功率譜密度。將所有的實測數據與收發天線間隔1 m的測量數據相減就可以得到校正后的實測數據。

2.2 數據加窗

實測頻域數據所占的頻率范圍是3.0～11.0 GHz，因此在3.0 GHz和11.0 GHz這2個頻點上的數據相對于其他頻點而言有非常明顯的跳變。由數字信號處理的基本理論可知，若對該數據直接進行傅里葉反變換，過調和拖尾現象會在時域沖激響應中呈現。因此在處理數據時，首先要對頻域數據加窗截斷，可供采用的數據窗有很多。由于漢明窗(Hamming)主瓣集中的能量約為99.96%，對旁瓣抑制達到41 dB，因此本文采用漢明窗對數據進行截斷處理。

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h(t)［9］。常見的傅里葉反變換的方法有兩種:實數通帶傅里葉反變換和復數基帶傅里葉反變換。前者是假設網絡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0，再令-f2～0的頻譜是0～f2頻譜的共軛對稱，得到反變換結果是實數序列。而在復數基帶傅里葉反變換處理中，缺少補零和共軛對稱的步驟，得到的反變換結果是復數序列。由時域和頻域的變換性質可知，實數通帶IDFT處理的時間分辨率遠高于復數基帶IDFT處理的時間分辨率。因此本文選擇實數通帶IDFT，使用該方法可以降低由窗函數引起的時間分辨率損失。

2.4 去噪和設置時間零點

按照上述步驟對實測數據進行處理，就可以得到UWB室內的信道沖激響應h(t)，但其中可能會含有由測量系統內部噪聲引起的一些增益較小的多徑信號，這種信號認為是無效的多徑分量，如保留這些無效的多徑分量則會使后期建立信道模型變得復雜［10］。實際操作中，通過設置閾值將這些幅度較小的多徑信號去除掉。由于傅里葉反變換具有周期性，根據實測的UWB室內信道的物理特性需要對信道沖激響應設置時間零點，以確定后續多徑分量的到達時間。

3 數據處理結果及分析

采用上述方法，用MATLAB語言對數據進行處理，首先將網絡分析儀輸出的頻域實測數據轉換成MATLAB軟件中常用格式的實測數據文件。

圖3 實測視距(LOS)信道處理結果

圖4 實測非視距(NLOS)信道處理結果

實測數據進行校正加窗后，將圖2中的幅度、相位的0～3 GHz頻譜補0，令-11～0 GHz的頻譜為0～11 GHz頻譜的共軛，且關于零點與正頻譜對稱，由此得到-11～11 GHz共22 GHz頻譜，根據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測數據的幅度和相位，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。隨后設置信道沖激響應時間零點，得到的典型視距信道沖激響應如圖3d所示。圖4為對非視距頻域實測數據所處理的結果。從處理的實驗結果圖3和圖4可以看出，對于LOS數據，幅度最大的多徑為首徑，其到達時間為時間零點，另外一條傳輸能量較高的分量緊接著呈現，不同簇的表現沒有明顯差異，可能只有一簇就表征了所考慮的沖激響應。對于NLOS數據，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，多徑沖激響應由多個簇相互疊加而成，這是由于在NLOS情況下，發射機和接收機之間存在障礙物的結果，在這種情況下最強峰值通過反射或衍射到達接收機，而第一個峰值是穿透障礙物到達接收機的，一般穿透障礙物的衰減大于發射或衍射的衰竭。上述現象很好地驗證了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，時間分辨率達到1/(22 GHz)=45.5 ps，比直接將3～11 GHz的頻譜做傅里葉反變換，時間分辨率提高了22/8=2.75倍。

4 結論

對實際信道進行測量是分析信道環境的最直接有效的方法，是建立信道模型的前提和基礎，本文提出了實驗室環境下的信道測量方案，搭建了頻域測量系統，根據測量結果，研究了基于測量系統的后期數據處理方法，處理結果進一步驗證了UWB信道的傳輸特征，在此基礎上可以建立準確描述超寬帶室內傳輸特性的信道模型。下一步的工作，希望能夠在UWB室內信道的建模上有所突破。

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