無線設(shè)備測試的衰落仿真

從WLAN到W-CDMA，所有無線設(shè)備有一點是共同的，即沒有有線連接。通過空氣傳送的信號會因大氣損傷而失真，會因自然的和人為的障礙而中斷，也會因發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相對移動而進(jìn)一步變化。這種過程稱為衰落。衰落在現(xiàn)實環(huán)境中是不可避免的，因此無線通信系統(tǒng)必須能夠在處理這個問題的同時，保持準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸能力。
　　對實際信道的衰落損傷進(jìn)行仿真對無線設(shè)備的測試非常關(guān)鍵。為精確地進(jìn)行信道仿真，必須理解不同的衰落情形及其影響，并創(chuàng)建這些衰落效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。安捷倫科技提供了一個新型解決方案，用來在無線設(shè)備測試過程中仿真衰落，緩和信道仿真中某些最困難的、成本高昂的挑戰(zhàn)。
　　在考慮解決方案之前，理解衰落的不同表現(xiàn)非常重要，衰落的不同表現(xiàn)有不同的成因，它們以各種方式影響著信道。
　　衰落的成因
　　發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間要能夠成功地進(jìn)行通信，在一定程度上取決于信號在其中傳播的信道的衰落特性。大范圍衰落包括信號經(jīng)過長距離傳播的效應(yīng)（幾百個波長或更多波長）。小范圍衰落機(jī)制則影響著接收機(jī)附近的信號。
　　大范圍衰落包括信號經(jīng)過一段距離時信號的平均衰減（在理想的視距傳播（LOS）條件下，它與距離的平方成正比），以及大型物體（如山脈或摩天大樓）導(dǎo)致的信號衍射。
　　小范圍衰落是多徑傳播和多普勒頻移兩者作用的結(jié)果。由于被發(fā)送信號在遇到信箱、樹木和正在移動的車輛時導(dǎo)致反射、衍射和局部散射，而通過不同的路徑到達(dá)接收機(jī)，所以會發(fā)生多徑衰落。因此，接收機(jī)在不同的到達(dá)時間獲得信號的多個拷貝（如圖1）。這些拷貝以不同的相位和功率電平進(jìn)行接收，導(dǎo)致信號互相干擾而發(fā)生功率波動。 



圖1. 當(dāng)發(fā)送信號在到達(dá)接收機(jī)的路徑上遇到各種物體時，會發(fā)生多徑衰落，導(dǎo)致其在略微不同的多個時間到達(dá)接收機(jī)。
　　多普勒頻移衰落是移動的結(jié)果。如果接收機(jī)相對于發(fā)射機(jī)正在移動，那么進(jìn)入接收機(jī)的信號頻率會發(fā)生變化，具體取決于接收機(jī)相對于發(fā)射機(jī)移動的方向和速度。沿著接收機(jī)正前方的路徑到達(dá)的信號拷貝，其檢測到的頻率將高于發(fā)送的信號，而沿著移動接收機(jī)后方的路徑到達(dá)的信號拷貝，其檢測到的頻率將較低。
　　因此，多徑反射和多普勒頻移會改變（衰落）發(fā)送的信號，使得接收機(jī)很難精確地理解該信號。根據(jù)信道環(huán)境（市區(qū)或農(nóng)村）、信號波長和發(fā)射機(jī)/接收機(jī)及環(huán)境中物體的相對移動，這些效應(yīng)會有所不同。
　　衰落分類
　　多徑傳播的影響之一是信號的時間展寬，這樣從接收機(jī)得到最短路徑上的第一個信號拷貝到它收到最長路徑上的最后一個信號拷貝，其間的時延是有限的。最大時延用Tm 表示 （如圖2a）。
　　在頻域中，時間展寬可以描述為頻率相關(guān)函數(shù)。這個函數(shù)表示兩個信號的脈沖響應(yīng)之間的相關(guān)程度。相干帶寬（f0）是信道的信號損傷不會明顯變化的頻率范圍（圖2b）。F0與Tm成反比。



圖2. 時間分布對信道的影響：a） 最大時延；b） 相干帶寬。
　　多徑衰落可以影響移動接收機(jī)或固定接收機(jī)。移動接收機(jī)以及在包含移動物體的信道中工作的接收機(jī)還必須處理影響信號幅度和相位的其它因素。這些效應(yīng)可以描述為時間變化或空間變化的函數(shù)。如果接收機(jī)以恒定的速度移動，在不同時間上發(fā)送脈沖與在不同位置發(fā)送脈沖完全相同。
　　在變化的信道發(fā)送信號時，知道這些條件在多長時間內(nèi)是穩(wěn)定的非常重要。這稱為相干時間（T0）（如圖3a）。T0 也可以視為與信道的脈沖響應(yīng)高度相關(guān)的時間長度。
　　我們還可以在頻域中查看時間變化。一直移動的接收機(jī)會經(jīng)受頻移，而這取決于接收信號的到達(dá)角度。時間展寬會導(dǎo)致信號在時間上展寬；而時間（或空間）上的變化會導(dǎo)致信號在頻率上展寬。接收機(jī)并不是在一個頻率上得到一個信號，而是在不同頻率上得到信號的不同部分。這種多普勒展寬（fd）與相干時間T0 （如圖3b）成負(fù)相關(guān)的關(guān)系。



圖3. 時間變化對信道的影響：a） 相干時間；b） 多普勒展寬。
　　總之，小范圍衰落表現(xiàn)為時間展寬（時延展寬）或時間變化（多普勒展寬）。（如果接收機(jī)在移動，信號可能會同時經(jīng)歷這兩種衰落。） 根據(jù)衰落隨頻率或時間的不同變化情況，可以對這兩種衰落進(jìn)一步分類。下面列明了這些衰落的特點。
　　時間展寬：平衰落