無(wú)線(xiàn)設備測試的衰落仿真

從WLAN到W-CDMA，所有無(wú)線(xiàn)設備有一點(diǎn)是共同的，即沒(méi)有有線(xiàn)連接。通過(guò)空氣傳送的信號會(huì )因大氣損傷而失真，會(huì )因自然的和人為的障礙而中斷，也會(huì )因發(fā)射機和接收機的相對移動(dòng)而進(jìn)一步變化。這種過(guò)程稱(chēng)為衰落。衰落在現實(shí)環(huán)境中是不可避免的，因此無(wú)線(xiàn)通信系統必須能夠在處理這個(gè)問(wèn)題的同時(shí)，保持準確的數據傳輸能力。
　　對實(shí)際信道的衰落損傷進(jìn)行仿真對無(wú)線(xiàn)設備的測試非常關(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 )建這些衰落效應的數學(xué)模型。安捷倫科技提供了一個(gè)新型解決方案，用來(lái)在無(wú)線(xiàn)設備測試過(guò)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。
　　在考慮解決方案之前，理解衰落的不同表現非常重要，衰落的不同表現有不同的成因，它們以各種方式影響著(zhù)信道。
　　衰落的成因
　　發(fā)射機和接收機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(guò)長(cháng)距離傳播的效應（幾百個(gè)波長(cháng)或更多波長(cháng)）。小范圍衰落機制則影響著(zhù)接收機附近的信號。
　　大范圍衰落包括信號經(jīng)過(guò)一段距離時(shí)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果。由于被發(fā)送信號在遇到信箱、樹(shù)木和正在移動(dòng)的車(chē)輛時(shí)導致反射、衍射和局部散射，而通過(guò)不同的路徑到達接收機，所以會(huì )發(fā)生多徑衰落。因此，接收機在不同的到達時(shí)間獲得信號的多個(gè)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，導致信號互相干擾而發(fā)生功率波動(dòng)。 



圖1. 當發(fā)送信號在到達接收機的路徑上遇到各種物體時(shí)，會(huì )發(fā)生多徑衰落，導致其在略微不同的多個(gè)時(shí)間到達接收機。
　　多普勒頻移衰落是移動(dòng)的結果。如果接收機相對于發(fā)射機正在移動(dòng)，那么進(jìn)入接收機的信號頻率會(huì )發(fā)生變化，具體取決于接收機相對于發(fā)射機移動(dòng)的方向和速度。沿著(zhù)接收機正前方的路徑到達的信號拷貝，其檢測到的頻率將高于發(fā)送的信號，而沿著(zhù)移動(dòng)接收機后方的路徑到達的信號拷貝，其檢測到的頻率將較低。
　　因此，多徑反射和多普勒頻移會(huì )改變（衰落）發(fā)送的信號，使得接收機很難精確地理解該信號。根據信道環(huán)境（市區或農村）、信號波長(cháng)和發(fā)射機/接收機及環(huán)境中物體的相對移動(dòng)，這些效應會(huì )有所不同。
　　衰落分類(lèi)
　　多徑傳播的影響之一是信號的時(shí)間展寬，這樣從接收機得到最短路徑上的第一個(gè)信號拷貝到它收到最長(cháng)路徑上的最后一個(gè)信號拷貝，其間的時(shí)延是有限的。最大時(shí)延用Tm 表示 （如圖2a）。
　　在頻域中，時(shí)間展寬可以描述為頻率相關(guān)函數。這個(gè)函數表示兩個(gè)信號的脈沖響應之間的相關(guān)程度。相干帶寬（f0）是信道的信號損傷不會(huì )明顯變化的頻率范圍（圖2b）。F0與Tm成反比。



圖2. 時(shí)間分布對信道的影響：a） 最大時(shí)延；b） 相干帶寬。
　　多徑衰落可以影響移動(dòng)接收機或固定接收機。移動(dòng)接收機以及在包含移動(dòng)物體的信道中工作的接收機還必須處理影響信號幅度和相位的其它因素。這些效應可以描述為時(shí)間變化或空間變化的函數。如果接收機以恒定的速度移動(dòng)，在不同時(shí)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(shí)，知道這些條件在多長(cháng)時(shí)間內是穩定的非常重要。這稱(chēng)為相干時(shí)間（T0）（如圖3a）。T0 也可以視為與信道的脈沖響應高度相關(guān)的時(shí)間長(cháng)度。
　　我們還可以在頻域中查看時(shí)間變化。一直移動(dòng)的接收機會(huì )經(jīng)受頻移，而這取決于接收信號的到達角度。時(shí)間展寬會(huì )導致信號在時(shí)間上展寬；而時(shí)間（或空間）上的變化會(huì )導致信號在頻率上展寬。接收機并不是在一個(gè)頻率上得到一個(gè)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(shí)間T0 （如圖3b）成負相關(guān)的關(guān)系。



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