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(shí)域一致性繞射理論（UTD）和物理光學(xué)（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(xiàng)。這種基于時(shí)域UTD?PO的混合分析方法不僅能夠用來準(zhǔn)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(yùn)算效率。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(jìn)了UWB技術(shù)在中國的推廣應(yīng)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(dá)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(shí)反映UWB信號傳播特性的信道傳播模型是進(jìn)行UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)[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(gè)障礙物。利用時(shí)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(gè)半平面、劈形和圓形障礙物繞射后的時(shí)域傳播特性。TD?UTD方法也能夠被應(yīng)用于分析UWB信號經(jīng)歷多個(gè)障礙物后的時(shí)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(shí)，需要引入復(fù)雜的高階繞射項(xiàng)[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(xiàn)[8]利用物理光學(xué)（PO）在分析多重繞射時(shí)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(shí)域，利于時(shí)域UTD?PO方法分析UWB信號在典型傳播環(huán)境下經(jīng)歷多個(gè)障礙物后的時(shí)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(xiàng)，在時(shí)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(yùn)算，可以預(yù)測接收點(diǎn)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(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=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(dǎo)率為[σ=0.023]S/m。本文中使用的UWB信號是高斯二階導(dǎo)脈沖信號，其數(shù)學(xué)表達(dá)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(gè)數(shù)參數(shù)[n]可以根據(jù)仿真的需要調(diào)整。

為了驗(yàn)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(gè)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(yù)測圖1接收點(diǎn)的接收信號。假設(shè)發(fā)射模塊發(fā)射一個(gè)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(yù)測的接收點(diǎn)的UWB信號和用基于高階繞射場的UTD方法預(yù)測的信號吻合。因此，本文提出的混合方法能夠準(zhǔn)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?yàn)榻?jīng)歷路徑2（路徑長度分別為[d2]）抵達(dá)接收模塊的UWB信號在到達(dá)第二個(gè)障礙右頂點(diǎn)繞射后還需要經(jīng)歷一次反射后才能到達(dá)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(dá)接收模塊的UWB信號時(shí)，只給出了經(jīng)歷路徑1（路徑長度分別為[d1]）抵達(dá)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(shí)，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(jì)無線視頻傳輸系統(tǒng)而言有很好的工程指導(dǎo)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(shí)，接收模塊收到的信號[r1t]

接下來在含有4個(gè)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[π15]和[π20]時(shí)，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(diǎn)的UWB信號的幅度有所增加。這是因?yàn)樵趫D1所示的傳播環(huán)境中的參考點(diǎn)處接收到的信號是經(jīng)發(fā)射模塊發(fā)射的直達(dá)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(diǎn)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(diǎn)處信號繞射后的信號，隨著角度的增加，繞射信號的強(qiáng)度會增強(qiáng)。因此，在入射角度增加時(shí)，接收模塊的信號有所增強(qiáng)。另一方面，相比于參考相位點(diǎn)，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(shí)間軸上入射角為[α=π15]時(shí)入射信號的到達(dá)時(shí)間會先于入射角為[α=π20]入射信號的到達(dá)時(shí)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(shè)圖1傳播環(huán)境中分別含有2個(gè)，3個(gè)和4個(gè)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(yù)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(yùn)算時(shí)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(yùn)算效率。這是因?yàn)閷τ诤衃n]個(gè)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(jì)算過程只需要考慮2條射線（經(jīng)第一個(gè)障礙物左頂角和右頂角繞射后的繞射射線），接收點(diǎn)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(shí)域方法不僅能夠準(zhǔn)確地應(yīng)用于分析無線視頻傳輸系統(tǒng)中含有多個(gè)障礙物的多重繞射模型，而且在障礙物數(shù)目比較多時(shí)，還能夠明顯節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

5 結(jié) 語

本文在時(shí)域內(nèi)將物理光學(xué)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(fù)雜的高階繞射項(xiàng)。通過這種混合方法研究了典型Bertoni模型中的時(shí)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(zhǔn)確有效地應(yīng)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(yùn)算效率更高。

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