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(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。這種基于時域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(yīng)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(fù)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(xiàn)[8]利用物理光學(xué)（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(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(yù)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(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(yù)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[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。這是因為經(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)第二個障礙右頂點繞射后還需要經(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，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，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(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，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(shè)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(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(dá)時間會先于入射角為[α=π20]入射信號的到達(dá)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(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[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(zhǔn)確地應(yīng)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(jié) 語

本文在時域內(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。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(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算效率更高。

參考文獻(xiàn)

[1] 張正華，謝敏.UWB無線視頻傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，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.