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Noah Schmitz

　　從WLAN到W-CDMA，所有無線設備有一點是共同的，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，也會因發射機和接收機的相對移動而進一步變化。這種過程稱為衰落。衰落在現實環境中是不可避免的，因此無線通信系統必須能夠在處理這個問題的同時，保持準確的數據傳輸能力。

　　對實際信道的衰落損傷進行仿真對無線設備的測試非常關鍵。為精確地進行信道仿真，必須理解不同的衰落情形及其影響，并創建這些衰落效應的數學模型。安捷倫科技提供了一個新型解決方案，用來在無線設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。

　　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信道。

　　衰落的成因

　　發射機和接收機之間要能夠成功地進行通信，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過長距離傳播的效應（幾百個波長或更多波長）。小范圍衰落機制則影響著接收機附近的信號。

　　大范圍衰落包括信號經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。由于被發送信號在遇到信箱、樹木和正在移動的車輛時導致反射、衍射和局部散射，而通過不同的路徑到達接收機，所以會發生多徑衰落。因此，接收機在不同的到達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行接收，導致信號互相干擾而發生功率波動。

圖1. 當發送信號在到達接收機的路徑上遇到各種物體時，會發生多徑衰落，導致其在略微不同的多個時間到達接收機。

　　多普勒頻移衰落是移動的結果。如果接收機相對于發射機正在移動，那么進入接收機的信號頻率會發生變化，具體取決于接收機相對于發射機移動的方向和速度。沿著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送的信號，而沿著移動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改變（衰落）發送的信號，使得接收機很難精確地理解該信號。根據信道環境（市區或農村）、信號波長和發射機/接收機及環境中物體的相對移動，這些效應會有所不同。

　　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函數。這個函數表示兩個信號的脈沖響應之間的相關程度。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或固定接收機。移動接收機以及在包含移動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間變化或空間變化的函數。如果接收機以恒定的速度移動，在不同時間上發送脈沖與在不同位置發送脈沖完全相同。

　　在變化的信道發送信號時，知道這些條件在多長時間內是穩定的非常重要。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高度相關的時間長度。

　　我們還可以在頻域中查看時間變化。一直移動的接收機會經受頻移，而這取決于接收信號的到達角度。時間展寬會導致信號在時間上展寬；而時間（或空間）上的變化會導致信號在頻率上展寬。接收機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）成負相關的關系。


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，小范圍衰落表現為時間展寬（時延展寬）或時間變化（多普勒展寬）。（如果接收機在移動，信號可能會同時經歷這兩種衰落。） 根據衰落隨頻率或時間的不同變化情況，可以對這兩種衰落進一步分類。下面列明了這些衰落的特點。

　　時間展寬：平衰落
　　· 傳送一個符號的時間大于最大時延展寬（Ts > Tm）。
　　· 信號帶寬小于相干帶寬（B < f0）。
　　· 在一個符號的周期內收到所有多徑分量。

　　時間展寬：頻率選擇性衰落
　　· 傳送一個符號的時間小于最大時延展寬（Ts < Tm）。
　　· 信號帶寬大于相干帶寬（f0 > B）。
　　· 信道以不同方式改變信號的不同頻譜成分，因此寬帶信號的接收功率可能會在其帶寬范圍內隨頻率發生大的變化。

　　時間變化：快衰落
　　· 符號周期長于相干時間（Ts > T0）。
　　· 信號帶寬小于多普勒展寬（B < fd）。
　　· 信道衰落條件的變化速度快于符號發送的速度。

　　時間變化：慢衰落
　　· 符號周期短于相干時間（Ts < T0）。
　　· 信號帶寬大于多普勒展寬（B > fd）。
　　· 在符號發送過程中，信道條件穩定、可以預測。

　　衰落的影響

　　大范圍衰落主要會導致整體信號的電平衰落。路徑衰減極其依賴于距離。它對設備的影響是，由于降低了接收的信號功率，從而降低了信噪比（SNR）。陰影效應和大范圍反射表現為在這種平均路徑衰減上的偏差。

　　多徑和多普勒效應導致的小范圍衰落可能對通信的破壞力最強。頻率選擇性衰落會導致碼間干擾（ISI），使得精確地理解收到的符號變得更加困難。平衰落會使SNR惡化，因為反射會導致矢量成分互相抵消。快衰落會使發送的基帶數據脈沖失真，可能會導致鎖相環同步問題。慢衰落也會降低SNR。SNR的降低要求無線設備的設計人員在確定鏈路要求時要增加"衰落余量"；信號功率必須足夠強，或者接收機的靈敏度要足夠高，以便在衰落情形下能夠正常工作。

　　降低衰落的影響

　　只有在沒有信道損傷時，才能實現理想的無線鏈路性能。但是加性白色高斯噪聲（AWGN）的存在則會使得無線信道不可能完全沒有干擾。不過，在設計無線設備時可以采用許多技術，來降低衰落的影響。這些技術降低了最壞情況下的衰落曲線的誤碼概率，使其更接近最好情況下的AWGN曲線。不同形式的衰落對誤碼率有不同的影響。頻率選擇性衰落和快衰落會明顯影響誤碼率，而平衰落和慢衰落對誤碼率的影響較小。在設計可以容忍衰落對信號惡化的無線鏈路時，確定信道中的衰落類型非常重要。然后，可以選擇信息速率，減少能夠避免的誤碼。

　　由于符號頻率與符號周期呈倒數的關系，因此改變信號速率以補償頻率選擇性衰落也會改變其在衰落速度方面的性能。為避免頻率選擇性衰落，傳輸速率應低于信道的相干帶寬（B < f0）。但為了降低快衰落導致的失真，重要的是把傳輸速率設成大于信道衰落速率（B > fd）。換句話說，頻率選擇性衰落確定了信號帶寬的上限，快衰落則確定了信號帶寬的下限。

　　均衡是一種常用技術，它用來消除頻率選擇性衰落導致的ISI。這個過程是調用一個脈沖響應與傳播信道相反的濾波器。因此，傳輸通道與接收濾波器相結合，產生平坦的線性響應。例如，GSM采用自適應均衡技術，來緩和失真。

　　CDMA技術使用Raker接收機減輕ISI的影響。Raker接收機使用專用濾波器，檢測展寬信號里的成分，將這些成分收集起來，并將它們相干地疊加起來（對早到路徑采用比晚到路徑更多的延時）。

　　我們還可以使用交織技術和編碼技術，降低準確檢測信號所要求的Eb/No（能噪比）。編碼技術通過在正交碼道上發送多個信號拷貝，提供了冗余性。交織技術通過把誤碼分布到不同的時間，在鏈路中增加了穩定性，從而避免了大量連續數據丟失現象的發生，而這種現象可能會切斷無線鏈路。

　　某些傳輸技術具備的信號特性，可以避免衰落最常見的影響。例如，超寬帶傳輸技術，它傳送的脈沖周期如此之短，以致其不會受到信道時延展寬的影響。正交頻分復用技術通過把載波信號劃分成信息速率較低的子載波，來避免頻率選擇性衰落。

　　衰落曲線

　　衰落以某種方式對通過無線信道傳播的信號進行阻礙。為設計能夠容忍這種損傷的設備，重要的一點是需要使用可以在實驗室環境中仿真衰落的工具。這些工具通過以數學方式生成仿真大范圍衰落和小范圍衰落的條件，創建實際環境中的衰落效應。這些數學表達式基于某些數學模型，它們使用統計數據來預測電磁波在傳播過程中的行為方式。下面介紹了部分典型的衰落模型。

　　通過在與距離相關的平均路徑衰減上疊加對數正態分布的信號波動，可以用數學方式仿真大范圍衰落。對大范圍衰落，最精確的信道仿真方程來源于經驗公式，這些經驗公式來自在特定的市區進行測量并獲得的結果。

　　當發射機和接收機之間沒有很強的視距傳播路徑時，瑞利分布是一個很好的信道傳播模型。它可以適當地表示市區中的信道條件，其中大樓會阻礙視距傳播路徑，而且信號被各種物體反射后，在接收端時間上被展寬。在時域中，瑞利衰落在40 dB或更深的槽之間有不高于10 dB的周期峰值 （深度衰落） （如圖4a）。

　　在頻域中，瑞利分布生成一條U形曲線（如圖4b）。密集散射模型可以用來描述蜂窩通信的情況，這意味著多徑信號的幅度將呈現瑞利分布，而到達角度 （多徑相位） 將呈現正態分布。


圖4. 瑞利分布：a） 時域；b） 頻域。

　　在農村環境中，阻礙信號的物體較少，多徑信號包括一條很強的視距傳播路徑以及少量的反射路徑，頻譜功率呈萊斯（Rician）分布。直射路徑的到達角度和直射路徑與其它路徑之間的功率之比相結合，決定了來自直射路徑的能量對多徑衰落的正態瑞利模型會有多大影響。頻域中的圖看起來象瑞利分布，但是直射路徑引起的頻移處，功率有一個峰值。（如圖5）


圖5. 萊斯分布（頻域）。

　　Suzuki衰落曲線把多徑傳播引起的小范圍衰落與反射和衍射引起的大范圍衰落結合在一起。大范圍衰落呈對數正態分布，小范圍衰落呈瑞利分布（圖6）。


圖6. Suzuki曲線。

　　衰落曲線取決于信號環境

　　傳播信道的脈沖響應嚴重依賴于用戶環境。當信號通過空氣傳播時，它會遇到各種大小物體，因此會通過各種路徑到達接收機。每條路徑有不同的距離，因此接收的信號在幅度和相位上是波動的。當發送的能量遇到阻礙時，之后的情形取決于與入射信號的波長相比，阻礙物的大小及密度。當電磁波遇到遠遠大于波長的大型平滑物體時（如混凝土筑造的大樓），信號被反射或衍射。如果電磁波遇到其大小是波長級的物體（如街道指示牌、樹葉或一縷煙霧），它會在所有方向上均勻地散射。全向天線能夠接收似乎來自各個方向的的散射信號的少量比特。這些散射信號的幅度遵循瑞利分布描述的概率密度函數。

　　當有很強的直射路徑時，幅度會更接近萊斯分布曲線。這在農村環境中最為準確。在農村環境中，障礙物相對較少，因此允許從基站到移動臺建立一條很強的直射路徑。萊斯模型對衛星通信測試也是一個很好的選擇，因為這些系統包括很強的直射路徑以及大氣衰減和散射。

　　如果接收機正在移動，它會使到達接收機的多徑信號的頻率展寬。隨著速度提高，頻移也會增加。多徑信號的頻移集合導致了頻率展寬，或稱衰落速率fd。

　　如果天線在室內環境中移動，它也會經歷多普勒展寬。但是，得到的功率頻譜并不是正態U形曲線，而是平坦曲線，看上去類似一個長直角。這種變化的形狀主要是天花板多通道反射的結果，很明顯，在室外環境中不會發生這種情況。

　　衰落測試

　　測試無線系統（包括移動臺和基站）在衰落情形下是否能夠成功地收發數據，是檢測過程的重要組成部分。無線標準一般會規定廣泛而詳細的衰落測試。當前，為實現衰落測試而采用的信道仿真方法是一個極具挑戰性的過程。


圖7. 當前信道仿真方法在模數變換過程中降低了精度。

　　當前的信道仿真方法從RF信號開始，到RF信號結束（如圖7）。需要仿真衰落的測試信號被下變頻以及數字化。然后在數字信號中結合衰落曲線，其結果再上變頻回到RF。最后增加噪聲。（注：AWGN獨立于多徑效應，因此必須單獨增加。）

　　這種方法包括兩個過程：轉換損耗和噪聲校準。這兩個過程導致效率低下、準確性差。當仿真信號轉換成數字信號或數字信號轉換成仿真信號時，測試設備（而不是信道或被測設備）會引入誤差。這種轉換損耗增加了測量不確定性。

　　確定要增加相應噪聲的數量，以獲得某個載噪比（C/N）是一個困難的過程。我們要求必須在仿真衰落后，在信號中增加AWGN，這樣它不會被衰減掉而偏離希望的信號電平。但是，增加這種噪聲使總功率電平偏離了衰落后的總功率電平，同時改變了C/N比率。因此必需在衰落后計算載波功率，以確定輸入信號功率一定時要增加的相應噪聲電平，這是一個復雜、耗時、代價高昂的過程。

　　信道仿真集成技術

　　安捷倫為進行無線設備的數字設計的研發工程師研制出一種新的信道仿真技術。它通過更快、更準確的信道仿真，減少設計檢測時間。這種新方法增強了業內領先的E4438C ESG矢量信號發生器的功能，為它提供了一個直觀的軟件界面，同時提供了一流的基帶發生硬件。ESG使用內置的蜂窩通信模式、Signal Studio應用軟件、或通過數學建模工具（如安捷倫Eesof的高級設計系統（ADS）或MATLAB?）創建的定制波形，創建數字基帶IQ信號。這些數字基帶信號發送到包含Baseband Studio PCI卡和Baseband Studio衰落軟件的PC上，用戶可以通過簡便易用的軟件界面，在PC上配置信道仿真參數。基帶信號在Baseband Studio PCI卡中以數字方式衰落，然后發回到ESG，轉換成仿真I/Q或RF信號輸出。

　　對不同衰落曲線進行仿真是在各種環境中評估接收機性能的基本要求。Baseband Studio衰落軟件可以仿真大范圍衰落、小范圍衰落、或兩者的組合。它可以仿真由于接收機很小的位移導致的信號迅速波動以及由于遠程物體的陰影效應導致的平均功率的緩慢變化。其支持的衰落曲線包括：

　　· 對數正態分布 - 大范圍直射路徑損耗
　　· 瑞利分布 - 小范圍多徑散射
　　· 萊斯分布 - 含直射路徑的瑞利分布
　　· Suzuki分布 - 呈對數正態分布的瑞利分布
　　· 純多普勒效應 - 由于移動導致的多普勒頻移

　　用戶定義的衰落曲線可以靈活地滿足特定的測試需求。您可以調節多徑數量與可用帶寬的關系，使處理能力達到最大，實現測試的靈活性。它在異常精確的儀器平臺上實現，整個衰落過程在數字基帶上實現，提高了測試精度。您也可以增加兩個通道，仿真分集天線或干擾信號。您可以使用預先配置的W-CDMA、TD-SCDMA、cdma2000、cdmaOne、1xEV-DO、1xEV-DV、GSM、EDGE和WLAN等標準衰落曲線，簡化初始設置。

　　另外，安捷倫還為常用的蜂窩制式提供了預先定義的設置，這同樣簡化了測試準備工作。這些曲線可以修改，為仿真特定環境提供量身定制的配置。預先定義的設置中還包括了3GPP W-CDMA獨有的移動傳播條件和生滅衰落曲線。


圖8. 新的安捷倫衰落方案支持用戶定義的靈活性。

　　圖8是安捷倫新推出的衰落解決方案的通用方框圖。一對I/Q輸入信號被引到最多N條不同的信號處理路徑上，仿真最多N條不同的RF傳播路徑。時延模塊以非常精細的增量（幾分之一納秒）在每條路徑上增加用戶自定義的時延。復數乘法模塊把時延信息與DSP中的衰落算法提供的衰落信息結合在一起。衰落算法對輸入I和Q數據使用用戶指定的衰落曲線。最后，這些路徑進行疊加，生成一個I/Q基帶數據流，然后輸入至ESG，由ESG上變頻到RF。


圖9. DSP衰落算法方框圖。

　　圖9說明了使用噪聲濾波的方法形成衰落的DSP算法。呈高斯分布的復數隨機噪聲具有瑞利分布的幅度。幅度表把隨機數發生器中的正態分布噪聲轉換成瑞利分布。相位表把表示相位的正態分布噪聲輸入轉換成適當的I和Q值，生成該相位的單位矢量。

　　萊斯衰落只是瑞利衰落外加一條額外的未衰落的直射路徑，這條路徑相對于瑞利衰落信號發生多普勒頻移。對萊斯衰落曲線而言，在其進入復數乘法模塊之前，除了多普勒展寬外，多普勒模塊還在衰落信號中增加了一個旋轉的恒定幅度的矢量（多普勒頻移）。

　　降低差錯的全數字衰落仿真

　　如前所述，衰落仿真的傳統過程是對輸入RF信號數字化，然后對信號進行衰落，然后上變頻回至RF。這給整個過程增加了非常大的不確定性。這種不確定性是由于DAC中的非線性失真、平衡誤差、削波、取樣理解錯誤、載波饋通和其它問題引起的。在測試新的無線設備時，必須考慮所有這些潛在錯誤。

　　降低數字化差錯的一種方法是提高數字轉換器的分辨率、使用更高的數據速率，以更好地近似原始的模擬信號。但最好的解決方案是避免不必要的模數變換。如果使用信號發生器的原始數字I/Q輸出，以數字方式完成整個過程，那么可以明顯減少這些誤碼。用全數字的處理過程進行信號衰落，降低了普通模數轉換過程增加的差錯。

　　內置AWGN發生器降低了成本

　　傳統的衰落仿真器沒有內置的AWGN功能，要求額外地校準信號電平。在衰落信號中增加AWGN通常會在設置希望的信噪比時出現問題，因為我們必須組合兩種不同的RF信號，才能實現希望的整個信號電平和比率。

　　通過Baseband Studio衰落軟件，在用戶界面上輸入C/N或Eb/No值，就可以改變噪聲值，而同時，C, N, C/N或C+N可以保持不變，簡化了接收機性能的測試。Baseband Studio衰落軟件從ESG中獲得功率電平和數據速率信息，自動對信號進行改變，而不要求單獨調節載波和噪聲功率。

　　Baseband Studio衰落軟件無縫地和E4438C ESG集成在一起，消除了與傳統衰落仿真器有關的校準問題。來自ESG的基帶信號（16位的數字信號）發送到Baseband Studio衰落軟件上，Baseband Studio在原始基帶數據中增加多徑衰落和AWGN，所有這些都在數字域中進行。事實上，整個信道仿真過程一直保持數字形式，直到信號上變頻到RF。它可以實現杰出的載噪比精度，因為它已經消除了與增加仿真信號有關的不確定性。

　　精確、經濟地仿真衰落對有效測試無線設備至關重要。集成環境中的安捷倫Baseband Studio衰落軟件可以簡化無線測試，幫助您更快地向市場推出產品。