射频衰落的仿真和测试问题

编者按:由于反射、衍射和局部散射效应,从基站发出的信号可能经不同的路径到达接收机,因而产生了多径衰落。衰落现象对无线通信的冲击问题可以通过智能设计和全面彻底的测试得到缓解。而采用信道仿真的新型数字实现方案可以降低一些难度太大和成本超高的测试试验的难度和成本。

射频信号在穿越大气时因受到空气和环境条件的损害(包括多径散射效应)而产生失真。采用信道仿真的新型数字实现方案可以降低一些难度太大和成本超高的测试试验的难度和成本。

在基站发射机和移动(或固定)接收机之间的通信质量取决于多种因素,其中包括信号传播信道的总体质量。由于空气吸收作用以及建筑物和树木的反射作用,信号在传播中的幅度和相位都将产生量值不定的波动。这种现象通常被称为衰落(fading),有时称为多径衰落(一种特殊类型的衰落),或者更一般地称为信道损害(impairment)。

由于反射、衍射和局部散射效应,从基站发出的信号可能经不同的路径到达接收机,因而产生了多径衰落。不同的路径具有不同的长度,这使得接收机将在不同的到达时间“看到”该信号幅度不一的多个副本。还有,当被局部实体反射或散射的时候,这个信号会产生相位偏移。随着接收机的天线在空间中移动,当这些干涉小波在接收机端相互加强或减弱时,接收机将感受到信号强度的高峰和低谷。

目前无线设备设计人员必须在真实信道条件下对其设计进行测试。信道损害可以依靠模仿衰落信道响应的数学模型模拟出来。这些模型使用统计方法来表达当电磁波遇到物理障碍时将发生的变化,包括瑞利衰落、Rician衰落和铃木衰落。

瑞利衰落是一个用来描述信道传播规律的数学分布,适用于在从发射机到接收机之间没有强视距(line-of-sight )路径的情况。这个分布可以表达在一个繁忙的城市街道上看到的信道条件,这种情况下基站被隐藏在几个街区之外的建筑物背后。在乡村环境中,多径衰落模型由几个反射路径与一个强视距路径组合而成,其频谱功率遵循Rician分布。直接射束和多径射束的能量之比被称为K系数。如果在频域观察这个效应,你会看到一个功率毛刺,其幅度由K系数决定。铃木衰落把来自多路径的小幅度衰落叠加在反射和散射造成的大幅度衰落之上。大幅度衰落遵循对数正态分布,小幅度衰落遵循瑞利分布。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图1:瑞利衰落的蜂值和谷底。">

虽然来自遮蔽和大幅度反射的平均路径损失呈正态(高斯)分布,信号衰减的典型值为6-10 dB,但在非视距小幅度衰落的最坏情况下,多径各部分完全反相而发生最深度衰落,此时的信号衰减将达到20-30dB。

对于设备设计者而言,这意味着在链接预算中必须提供足够的“衰落裕度”。为了能够承受40-50dB以上的深度衰落,系统必须具有足够高的信号发射功率或者足够高的接收机灵敏度。

目前的信道仿真方法是在射频输入、射频输出的基础上或在模拟I/Q输入、射频输出的基础上运行的。在这个过程中,首先对将被衰落的信号进行下行转换或数字化,或两者都进行。然后把衰落仿真信号加入到数字信号中,再把其结果上行转换回射频信号。这样,就加入了附带噪声的白色高斯噪声(AWGN)。由于AWGN独立于任何一个多径信道响应,故噪声必须同衰落仿真信号分开。

这一过程在效率方面有两个主要的缺点:产生转换损失和需要噪声校准。每当进行模拟信号采样或重新恢复成模拟信号时,都会产生转换损失。这就向系统增加了由测试设备引起而不是待测信道或设备本身产生的误差。类似地,增加噪声改变了总功率水平以及载波/噪声比(C/N)。为把噪声校准到输入信号的功率水平,必须采用统计方法确定衰落之后的载波功率,这是一个昂贵且耗时的过程。

安捷伦公司的“面向衰落的基带工作平台”(Baseband Studio for Fading)是该公司的E4438C ESG向量信号发生器的一个补充。它为基带设备设计者提供了一种衰落测试方案,并使工程师们可以回避与传统的衰落仿真器相关的校准问题。来自ESG的基带信号被送到衰落器并在衰落之后加入噪声,所有这些过程都在数字域进行。事实上,在被上行转换成射频信号之前,整个过程一直保持数字形式。

在设计周期中迫切要求尽量早地在真实条件下验证接收机的性能。衰落属性对无线通信的冲击问题可以通过智能设计和全面彻底的测试得到缓解。

作者:Noah Schmitz

微波测试配件组的无线应用营销工程师。

安捷伦科技公司