超宽带室内信道测量及数据处理技术研究

任景英，郝双洋，赵红梅

(1.郑州轻工业学院，河南 郑州450002;2.中国联通河南省分公司，河南 郑州450045)

超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)技术是近年来发展起来的一种新兴的无线通信技术。任意相对带宽大于20%或绝对带宽大于500 MHz的信号定义为超宽带信号［1］，由于它利用时域上的超短脉冲进行通信，UWB技术的传输速率高达1 Gbit/s，具有很强的抗多径能力，并且在无线通信中可与现有其他通信系统共享频谱资源。在这样的背景下，室内短距离无线通信正需要这种通信技术［2］。因此UWB技术已成为宽带无线通信系统研究的核心技术之一，具有广阔的应用和市场前景。

对室内信道进行测量，获得准确可靠的原始数据是UWB室内信道建模的关键步骤，目前国内借鉴的大部分信道模型都是借助于国外的测试数据创建的，真正适合中国频谱使用现状的信道模型较少，在我国鲜有关于室内UWB无线信道的测量报道。因此，搭建UWB无线信道测量系统并对实际室内信道环境实施测量，是我国UWB无线信道研究中有待迫切解决的问题。同时，通过测量可以获得反映超宽带室内信道环境的实际数据，对实测数据进行研究和分析，可以计算出描述室内多径信道的冲激响应函数［3］。由冲激响应函数计算可以得到信道的各种统计参数，这些数据参数能够帮助人们更好地了解不同室内信道环境下信道的传播特性和进一步建立室内的信道模型［4］。

1 UWB信道测量方案

1.1 测量方法的选定

制定一个可行的信道测量方案，必须考虑测试环境、测试成本和系统需求指标等因素的影响。目前主要有两种信道测量方法［5］:1)时域法。测量系统在发射端发射一个纳秒级的非正弦波窄脉冲，抽样示波器在接收端对接收信号进行时域抽样，通过对抽样后的数据一系列的后期处理可以得到信道冲激响应。2)频域法。测量系统首先在发射端发射点频信号，通过扫频得到某一频率范围内的信道频率响应，最后经傅里叶反变换等数据处理技术得到信道冲激响应。

在时域测量方法中，调整系统时间分辨率必须调整发射的窄脉冲宽度和抽样示波器的采样率，因此搭建室内高分辨率的时域测量系统结构复杂、耗时长、成本高。而在频域测量中，网络分析仪被用作收发机，它的灵敏度高，测量系统分辨率的调节可以相对简单地通过调节网络分析仪的测量带宽来实现。因此考虑到测量系统的测量成本、系统分辨率指标、测量距离、测量数据后期处理以及一些其他因素的影响，结合现有实验室的条件，本文采用频域测量方法［6］，通过对UWB室内环境下采集的实测数据进行后处理，计算出实际信道的冲激响应函数。

1.2 测量技术路线

频域测量的具体工作过程是由矢量网络分析仪通过一个可变衰减器、功率放大器和超宽带天线发射信号，经信道作用后被超宽带接收天线接收，然后经过低噪放大器，最后被送回到矢量网络分析仪的接收端，网络分析仪在要测量的范围内扫频，自动计算出每个单频处信道传递函数的幅度和相位［7］。最后再对所得到的数据进行后处理操作，如图1所示。

图1 频域测试系统及数据处理框图

1.3 UWB室内信道实测方案

测量系统主要由Agilent N5242A高性能矢量网络分析仪、低损耗射频电缆、全向天线(1.0～18.0 GHz，0 dB)、可变衰减器、功率放大器、低噪放大器、高性能转接头、远程控制终端等组成［8］。测量前，设定网络分析仪频率扫描范围为3.0～11.0 GHz，频点选择3 000个，频点间隔4.88 MHz。测量36个局部点，测量距离2～11 m，每个局部点测量9次。

选择位于郑州轻工业学院超宽带无线通信实验室测试区作为场景进行了实测。

测量分为视距(Line of Sight，LOS)和非视距(Non-Line of Sight，NLOS)测量，首先对视距LOS情况进行测量，将发射天线固定在室内墙上，距离地面1.3 m，接收天线在一个可以移动的小车上，然后在房间的一个区域内预先测量的节点上移动，每个节点相距0.5 m，在测量中对每个节点处使接收天线在其周围做9次微小移动，分别进行测量。对于非视距NLOS情况，将接收天线放在与发射天线不同的区域内，由于有挡板隔开两个区域，因此可以构成非视距情况。在整个测量过程中需要考虑房间门与窗开关的影响，因此需要进行多次测量。图2所示为一组典型的频域实测数据。

图2 典型的频域实测数据

2 频域数据后处理关键技术研究

通过对图2的频域测量结果的分析，网络分析仪实测的接收信号在频域上的表达式为

式中:Tx(f)为发射天线的频域响应;Rx(f)为接收天线的频域响应;P(f)为发射信号的频谱;H(f)为UWB室内信道的传递函数;N(f)为噪声功率谱密度。从接收信号R(f)中求出H(f)是频域数据后处理中要解决的主要问题，再经过傅里叶反变换得到信道冲激响应h(t)。整个过程包括对数据进行校正、频域数据加窗、实数傅里叶反变换、去噪和设置时间零点等。

2.1 数据校正

为了确保实测结果不受收发天线及测量器件的影响，测试之前首先将发射天线和接收天线置于间隔1 m的距离，在此状态下测量数据记为

式中:N'(f)是收发天线距离1 m时的噪声功率谱密度。将所有的实测数据与收发天线间隔1 m的测量数据相减就可以得到校正后的实测数据。

2.2 数据加窗

实测频域数据所占的频率范围是3.0～11.0 GHz，因此在3.0 GHz和11.0 GHz这2个频点上的数据相对于其他频点而言有非常明显的跳变。由数字信号处理的基本理论可知，若对该数据直接进行傅里叶反变换，过调和拖尾现象会在时域冲激响应中呈现。因此在处理数据时，首先要对频域数据加窗截断，可供采用的数据窗有很多。由于汉明窗(Hamming)主瓣集中的能量约为99.96%，对旁瓣抑制达到41 dB，因此本文采用汉明窗对数据进行截断处理。

2.3 傅里叶反变换(IDFT)

频域后期处理最重要的一步就是将H(f)变换为信道冲激响应h(t)［9］。常见的傅里叶反变换的方法有两种:实数通带傅里叶反变换和复数基带傅里叶反变换。前者是假设网络分析仪得到的频谱范围为f1～f2，则先在0～f1之间的频带上补0，再令-f2～0的频谱是0～f2频谱的共轭对称，得到反变换结果是实数序列。而在复数基带傅里叶反变换处理中，缺少补零和共轭对称的步骤，得到的反变换结果是复数序列。由时域和频域的变换性质可知，实数通带IDFT处理的时间分辨率远高于复数基带IDFT处理的时间分辨率。因此本文选择实数通带IDFT，使用该方法可以降低由窗函数引起的时间分辨率损失。

2.4 去噪和设置时间零点

按照上述步骤对实测数据进行处理，就可以得到UWB室内的信道冲激响应h(t)，但其中可能会含有由测量系统内部噪声引起的一些增益较小的多径信号，这种信号认为是无效的多径分量，如保留这些无效的多径分量则会使后期建立信道模型变得复杂［10］。实际操作中，通过设置阈值将这些幅度较小的多径信号去除掉。由于傅里叶反变换具有周期性，根据实测的UWB室内信道的物理特性需要对信道冲激响应设置时间零点，以确定后续多径分量的到达时间。

3 数据处理结果及分析

采用上述方法，用MATLAB语言对数据进行处理，首先将网络分析仪输出的频域实测数据转换成MATLAB软件中常用格式的实测数据文件。

图3 实测视距(LOS)信道处理结果

图4 实测非视距(NLOS)信道处理结果

实测数据进行校正加窗后，将图2中的幅度、相位的0～3 GHz频谱补0，令-11～0 GHz的频谱为0～11 GHz频谱的共轭，且关于零点与正频谱对称，由此得到-11～11 GHz共22 GHz频谱，根据IDFT的周期性，把-11～0 GHz的频谱搬移到11～22 GHz。图3a和图3b分别给出频率变换后的实测数据的幅度和相位，再将其所示的频谱作IDFT得到图3c所示的初步的信道冲激响应。随后设置信道冲激响应时间零点，得到的典型视距信道冲激响应如图3d所示。图4为对非视距频域实测数据所处理的结果。从处理的实验结果图3和图4可以看出，对于LOS数据，幅度最大的多径为首径，其到达时间为时间零点，另外一条传输能量较高的分量紧接着呈现，不同簇的表现没有明显差异，可能只有一簇就表征了所考虑的冲激响应。对于NLOS数据，首径不是幅度最大的多径，而是幅度最大的多径前第一条幅度大于其1/10的多径，多径冲激响应由多个簇相互叠加而成，这是由于在NLOS情况下，发射机和接收机之间存在障碍物的结果，在这种情况下最强峰值通过反射或衍射到达接收机，而第一个峰值是穿透障碍物到达接收机的，一般穿透障碍物的衰减大于发射或衍射的衰竭。上述现象很好地验证了UWB信道在视距和非视距条件下信道的传输特性，并且采用上述的处理方法，时间分辨率达到1/(22 GHz)=45.5 ps，比直接将3～11 GHz的频谱做傅里叶反变换，时间分辨率提高了22/8=2.75倍。

4 结论

对实际信道进行测量是分析信道环境的最直接有效的方法，是建立信道模型的前提和基础，本文提出了实验室环境下的信道测量方案，搭建了频域测量系统，根据测量结果，研究了基于测量系统的后期数据处理方法，处理结果进一步验证了UWB信道的传输特征，在此基础上可以建立准确描述超宽带室内传输特性的信道模型。下一步的工作，希望能够在UWB室内信道的建模上有所突破。

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