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UWB调制信号室内反射特性研究
杨海波，王艳芬，张传祥
中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（221008）
摘 要：对于无线通信技术，其传输特性的详细研究非常重要。在短距离无线通信领域，超
宽带（Ultra-Wideband)以其能够提供高速率、低功耗及低成本的短距离无线链路特性使得其
具有巨大的潜力。UWB非常适合室内密集多径传输环境下的高速无线传输，所以对其传输
波形的特性分析就显得十分重要了。本文首先基于超宽带 PAM-TH-BPSK 调制技术和时域
分析理论，建立了室内 UWB调制信号模型和反射模型。然后在此基础上，应用 matlab仿真
分析了 UWB调制信号在室内环境下的反射特性影响因素，特别是在不同反射介质、入射角
和极化方式下的特性。
关键词：超宽带；时域分析理论；调制；反射；影响因素
1．引言
超宽带在商业化中的应用主要对象是室内环境的多媒体无线接入, 所以研究室内的传
播信道及其失真十分重要。在室内多径环境下，信号反射特性的影响因素非常复杂，很有必
要进行详细的研究，这对于正确设计 UWB收发机和波形及估算现实信道中不同 UWB物理
层协议的性能是具有重要的实际意义。为了更贴近实际环境，本文介绍在室内环境下，用时
域分析理论[3]研究超宽带的传播特性及其波形失真，利用 PAM-TH-BPSK调制方式[1]对UWB
信号进行调制并对室内环境下的反射特性影响因素进行了研究。
2．理论模型
UWB信号模型
UWB系统发送的是纳秒级脉冲串，脉冲宽度 mT 远小于脉冲之间的平均间隔 fT ，两个
脉冲之间的间隔可以固定也可以时变。本文采用跳时二进制移相键控（PAM-TH-BPSK）调
制，这种方式中，发送的数据采用 BPSK调制，脉冲的发送时刻受伪随机序列控制。 )(kjc 为
第 k个用户 PN码的第 j个码元，其取值范围为（0， 1−hN ），伪码周期为 pN 。则第 k个
用户的信号波形[1]为：
)()( )()( ]/[
)(
c
k
jf
j
k
Nj
k
tr TcjTtwdtS S −−= ∑∞−∞= （1）
其中，[ ]表示取整符号，上标 k为用户索引， cT 表示跳时序列所控制的脉冲时延，数据
符号周期 fss TNT = 。
在本文中我们研究的入射信号脉冲波形选为高斯二阶导脉冲，其时域表达式为：
2)/)((22 ])(41[)( auc TTt
au
c e
T
TtAtw −−−−= ππ （2）
其中 A是幅度， auT 是波形参数。为方便设入射脉冲幅度为 1，设脉冲持续时间为 ，
则 cT 取 , auT 取 [2].
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入射脉冲信号的时域波形如图 1所示，入射脉冲经过 PAM-TH-BPSK的调制产生发射
波形如图 2所示。
图 1 高斯二阶导脉冲信号时域波形 图 2 调制后时域波形
反射模型
信号 )(sE inc 以入射角为ψ 入射到一个有限电导率反射面时，则反射信号频谱[3]为：
)(),()( sEsRsE incref ψ= （3）
其中 s 是拉普拉斯复频率的变量， ),( sR ψ 是菲涅尔（Pressed）反射系数，入射信号
)(sE inc 的垂直极化和水平极化分量分别有各自的菲涅尔反射系数，即 vR 和 hR 。
对（3）式进行拉普拉斯反变换，就可以得到相应的反射信号场强的时域表达式：
ξζξ drtEtE t incref )()()( −= ∫ ∞− （4）
其中 r(t)是前述 ),( sR ψ 的拉普拉斯反变换函数。
若 rε 较大（通常大于 10以上），且ψ 角很大的条件下，则垂直与水平极化反射系数近
似具有相同的形式[4]：
skas
skassR ++
−+±≈
2
2),(ψ （5）
其中 rga εσ 2= ，公式中 cg πσσ 120= ， rε 反射面的相对介电常数，σ 是反射面的
电导率，c是自由空间的传播速度 smc / 8×= 。对于垂直极化入射信号 β=k ，取正
号；对于水平极化入射信号 1)( −= βε rk ，并取负号。 θεθε sin/cos2 rrk −= 。
根据文献[4]，对（5）式进行拉普拉斯反变换可以得到：
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −−+±= ∑
∞
=
+
−
)()1(
1
4)()(
1
1
2 atInKt
e
k
ktKtr n
n
n
n
at
δ （6）
其中 )(tI n 是修正 n阶贝塞尔函数， )1()1( kkK +−= ，（6）式中的脉冲的时域反射
系数有两项，第一项独立于电导率，第二项是一个时不变响应项，将上式代入（4）式可以
得到反射信号场强的时域表达式：
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⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −−−+±= ∫ ∑∞−
∞
=
+
−t
n
n
n
n
a
incincref dInKetE
k
ktKEtE ξσξξξ
ξ
)()1()(
1
4)()(
1
1
2 （7）
（7）式由 k和 K的值和正负关系分别适于垂直和水平极化入射信号。
通过级数展开的方法可以对（7）式进行简化为：
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −−+−+±≈
− XatX
K
XKe
k
ktKtr at
4
)1(
2
1
21(
4)()( )2δ (8)
其中 2/KateX −= 。
3．仿真实现
通过对以上的分析，我们可以利用 matlab仿真软件来进行仿真。下面我们从入射角度、
反射介质和极化方式进行仿真。
(a)不同入射角的对比
图 3(a) 是在垂直极化入射并且反射介质为干燥混凝土情况下的反射信号在接收端的时
域波形图。(b)是截取的一段波形的放大图。从图中可知，在入射角度小于 °90 的情况下，接
收信号波形的幅度随着入射角的增大而增加，而且从图(b)中可以发现，当入射角度小于 °25
时发射信号的波形存在严重失真，以致观察不到波形。所以发射信号的最佳发射角度应在
°25[ ]90° 之间。这样接收的信号不至于完全失真。
(a) (b)
图 3 垂直极化、介质为干燥混凝土
(b) 不同反射介质的对比
图 4 (a) 是在垂直极化入射并且入射角度为 45 °的情况下的接收端的接收信号的时域波
形图。图(b)是部分放大图，由图中可看出，不同的反射介质对入射波能量的衰减不同，干
燥混凝土反射面对入射脉冲能量的衰减大于玻璃表面，小于石膏板。
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(a) (b)
图 4 垂直极化、入射角度为 45 °
(c)不同极化方式的对比
图 5 (a) 为入射角度为 45 °并且介质为玻璃的情况下接收端的接收信号的时域波形图。图
(b)还是截取的部分放大图。从图中可知，垂直极化入射脉冲信号的反射脉冲极性不变，而
水平极化入射脉冲信号的反射脉冲极性反转；反射信号的能量被反射面衰减，垂直极化入射
脉冲能量衰减大于水平极化入射脉冲。
(a) (b)
图 5 入射角度 45 °、介质为玻璃
4．结论
从以上仿真结果可知，室内多径环境下，超宽带调制信号反射时，接收端的波形与入射
角度、反射介质和极化方式有密切联系。特别是角度的变化会引起波形的严重失真。所以入
射角要控制在一定范围内才能接收到比较理想的接收波形。这些结论为下一步研究室内环境
脉冲信号的多径传播提供了依据和基础。
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参考文献
[1] Woo Cheol Chung ,DONG Sam Ha. On the Performance of Bi-Phase modulated UWB Signals in a Multipath
Channel [J].IEEE 2003:1654-1658
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International Symposium on, May 2002: I-597-I-600.
[3] Barnes P R, Tesche F M. On the direct calculation of a transient plane wave reflected from a finitely
conducting half space[J], Electromagnetic Compatibility. IEEE Transactions, May 1991; 33(2):90-96.
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characteristics[J]. Universal Personal Communications Record,1997. Conference Record. 1997 IEEE 6th
International Conference, Oct,1997:2:848-852.
Study of the Reflection Characteristics of UWB modulation
signals indoor environment
YANG Haibo,WANG Yanfen , ZHANG Chuanxiang
School of Infor. and Electr. Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou,
Jiangsu （221008)
Abstract
For wireless communication technology,the detailed study of its transmission characteristics is very
the short-range wireless communications,UWB(Ultra-Wideband) its able to provide
high-speed,low-power and low-cost short-range wireless link features making it has tremendous
is ideal for high-speed wireless transmission under indoor dense multipath transmission
environment,so their transmission characteristics of the waveform analysis is very this
paper,,Based on the PAM-TH-BPSK modulation technology and time domain analysis of
Ultra-wideband signals,we build UWB modulation signal model and the basis of the
application of matlab simulation to study the influencing factors of reflection characteristics of UWB
modulation signals in indoor environment,specially under different reflecting medium,incidence angle
and polarization mode characteristic.
Keywords: UWB; time domain analysis theory; modulation; reflection; influencing factors
