无线设备测试的衰落仿真

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作者：Noah Schmitz 时间：2005-09-20 来源：EDN电子设计技术收藏

无线设备测试的衰落仿真

从WLAN到W-CDMA，所有无线设备有一点是共同的，即没有有线连接。通过空气传送的信号会因大气损伤而失真，会因自然的和人为的障碍而中断，也会因发射机和接收机的相对移动而进一步变化。这种过程称为衰落。衰落在现实环境中是不可避免的，因此无线通信系统必须能够在处理这个问题的同时，保持准确的数据传输能力。
　　对实际信道的衰落损伤进行仿真对无线设备的测试非常关键。为精确地进行信道仿真，必须理解不同的衰落情形及其影响，并创建这些衰落效应的数学模型。安捷伦科技提供了一个新型解决方案，用来在无线设备测试过程中仿真衰落，缓和信道仿真中某些最困难的、成本高昂的挑战。
　　在考虑解决方案之前，理解衰落的不同表现非常重要，衰落的不同表现有不同的成因，它们以各种方式影响着信道。
衰落的成因
　　发射机和接收机之间要能够成功地进行通信，在一定程度上取决于信号在其中传播的信道的衰落特性。大范围衰落包括信号经过长距离传播的效应（几百个波长或更多波长）。小范围衰落机制则影响着接收机附近的信号。
　　大范围衰落包括信号经过一段距离时信号的平均衰减（在理想的视距传播（LOS）条件下，它与距离的平方成正比），以及大型物体（如山脉或摩天大楼）导致的信号衍射。
　　小范围衰落是多径传播和多普勒频移两者作用的结果。由于被发送信号在遇到信箱、树木和正在移动的车辆时导致反射、衍射和局部散射，而通过不同的路径到达接收机，所以会发生多径衰落。因此，接收机在不同的到达时间获得信号的多个拷贝（如图1）。这些拷贝以不同的相位和功率电平进行接收，导致信号互相干扰而发生功率波动。

图1. 当发送信号在到达接收机的路径上遇到各种物体时，会发生多径衰落，导致其在略微不同的多个时间到达接收机。
　　多普勒频移衰落是移动的结果。如果接收机相对于发射机正在移动，那么进入接收机的信号频率会发生变化，具体取决于接收机相对于发射机移动的方向和速度。沿着接收机正前方的路径到达的信号拷贝，其检测到的频率将高于发送的信号，而沿着移动接收机后方的路径到达的信号拷贝，其检测到的频率将较低。
　　因此，多径反射和多普勒频移会改变（衰落）发送的信号，使得接收机很难精确地理解该信号。根据信道环境（市区或农村）、信号波长和发射机/接收机及环境中物体的相对移动，这些效应会有所不同。
衰落分类
　　多径传播的影响之一是信号的时间展宽，这样从接收机得到最短路径上的第一个信号拷贝到它收到最长路径上的最后一个信号拷贝，其间的时延是有限的。最大时延用Tm 表示（如图2a）。
　　在频域中，时间展宽可以描述为频率相关函数。这个函数表示两个信号的脉冲响应之间的相关程度。相干带宽（f0）是信道的信号损伤不会明显变化的频率范围（图2b）。F0与Tm成反比。

图2. 时间分布对信道的影响：a）最大时延；b）相干带宽。
　　多径衰落可以影响移动接收机或固定接收机。移动接收机以及在包含移动物体的信道中工作的接收机还必须处理影响信号幅度和相位的其它因素。这些效应可以描述为时间变化或空间变化的函数。如果接收机以恒定的速度移动，在不同时间上发送脉冲与在不同位置发送脉冲完全相同。
　　在变化的信道发送信号时，知道这些条件在多长时间内是稳定的非常重要。这称为相干时间（T0）（如图3a）。T0 也可以视为与信道的脉冲响应高度相关的时间长度。
　　我们还可以在频域中查看时间变化。一直移动的接收机会经受频移，而这取决于接收信号的到达角度。时间展宽会导致信号在时间上展宽；而时间（或空间）上的变化会导致信号在频率上展宽。接收机并不是在一个频率上得到一个信号，而是在不同频率上得到信号的不同部分。这种多普勒展宽（fd）与相干时间T0 （如图3b）成负相关的关系。