超宽带脉冲信号绕射传播特性研究

论文摘要

超宽带（Ultra-Wideband UWB）传输技术是目前业界研究的热点,其中脉冲超宽带（IR-UWB）通信方式是用极窄脉冲来传输数据比特,同时产生宽达数GHz的带宽,其传输速率高达至500M甚至更高。但因发射功率受到限制,使其传播的有效距离一般在10米范围之内,其主要用途为室内短距离高速率数据传输。因此,针对超宽带脉冲在室内环境的传播特性提出相应的信道模型,是整个超宽带通信系统设计工作的重要基础。无线信号有透射、反射、绕射等多种传播方式。其中,绕射虽然衰减较快,但却有使信号具有绕过障碍物继续传播的能力;在非可视距情况下,信号往往是以反射和绕射的方式到达接收机的。然而,目前对于超宽带脉冲绕射传播还没有十分一致的结论,尤其是针对室内环境的绕射特性研究还很不成熟。可以说,绕射传播特性的研究正是整个超宽带通信信道建模工作所缺失的一环。本文的主要研究内容是超宽带脉冲信号的绕射传播特性。考虑到室内材料在超宽带工作频带里有显著的变化,我们主要采用频域分析加IFFT反变换的方法。本文首先从经典的绕射计算方法——几何绕射理论出发,通过阐述绕射场的计算方法引出绕射系数这一概念,并详细研究了UTD分别在理想导体表面、阻抗表面的绕射场计算理论,为进一步的仿真奠定了理论基础。在此之上,本文所完成的主要工作包括（1）结合超宽带信道建模的课题背景,讨论了几何绕射理论与几何光学几何用于求解绕射场的步骤与注意前提;（2）建立了边缘绕射模型,完成了GTD和UTD两种绕射系数表达式的推导,分析论述了理想导体表面绕射场分布的基本特征;（3）论述了阻抗表面绕射系数的计算方法,比较了数种探索式结构及其与精确解理论值的拟合程度,得到了拟合较好的探索式解法;（4）分析不同材料下阻抗表面绕射场的分布情况,讨论了不同距离、入射角等参数对阻抗表面绕射场的影响;（5）用高斯二阶导脉冲作为入射信号,观察了绕射传播对波形及幅度造成的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 主要工作内容
• 1.3.2 论文安排
• 第2章 超宽带脉冲信号的传播特性概述
• 2.1 引言
• 2.2 IR-UWB信号特性
• 2.2.1 IR-UWB信号形式
• 2.2.2 IR-UWB功率谱密度特点
• 2.2.3 IR-UWB信号传播的特殊性
• 2.3 IR-UWB电参数测量现状
• 2.3.1 电参数的表达式
• 2.3.2 超宽带通信频带上电磁参数的测量
• 2.4 绕射研究对IR-UWB系统信道建模的意义
• 2.5 本章小结
• 第3章 几何绕射理论概述
• 3.1 引言
• 3.2 绕射射线的基本概念和分类
• 3.2.1 绕射射线的基本概念
• 3.2.2 绕射现象的分类
• 3.3 绕射场的基本表达式
• 3.3.1 几何光学的近似计算条件
• 3.3.2 绕射射线上的场强计算
• 3.4 几何绕射理论的使用步骤和特点
• 3.4.1 几何绕射理论的使用步骤
• 3.4.2 几何绕射理论的特点
• 3.5 本章小结
• 第4章 绕射系数的计算
• 4.1 绕射的几何模型
• 4.2 理想导体表面GTD绕射系数
• 4.2.1 GTD绕射系数的推导
• 4.2.2 GTD对光学边界附近区域的分析
• 4.2.3 GTD表达式在过渡区的失效
• 4.3 理想导体表面UTD绕射系数
• 4.3.1 过渡函数的定义
• 4.3.2 理想导体表面UTD绕射系数
• 4.3.3 UTD表达式对光学边界的描述
• 4.4 阻抗表面UTD绕射系数精确解
• 4.4.1 阻抗表面绕射系数表达式精确解
• 4.4.2 精确解类算法的限制
• 4.5 阻抗表面UTD绕射系数探索式
• 4.5.1 Luebeers/Holm的UTD探索式
• 4.5.2 Fresnel反射系数自变量的设置
• 4.5.3 El-sallabi的UTD探索式
• 4.5.4 Schettino的UTD探索式
• 4.5.5 UTD探索式总结
• 4.6 本章小结
• 第5章 仿真结果与分析
• 5.1 脉冲参数描述
• 5.2 理想导体表面绕射
• 5.3 阻抗表面绕射
• 5.3.1 多种UTD探索式的拟合性能分析
• 5.3.2 阻抗表面绕射系数分析
• 5.4 脉冲信号入射
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 室内材料超宽带范围电参数
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢