无线设备测试的衰落仿真

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        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。


图3. 时间变化对信道的影响:a) 相干时间;b) 多普勒展宽。


  总之,小范围衰落表现为时间展宽(时延展宽)或时间变化(多普勒展宽)。(如果接收机在移动,信号可能会同时经历这两种衰落。) 根据衰落随频率或时间的不同变化情况,可以对这两种衰落进一步分类。下面列明了这些衰落的特点。

  时间展宽:平衰落
  · 传送一个符号的时间大于最大时延展宽(Ts > Tm)。
  · 信号带宽小于相干带宽(B < f0)。
  · 在一个符号的周期内收到所有多径分量。

  时间展宽:频率选择性衰落
  · 传送一个符号的时间小于最大时延展宽(Ts < Tm)。
  · 信号带宽大于相干带宽(f0 > B)。
  · 信道以不同方式改变信号的不同频谱成分,因此宽带信号的接收功率可能会在其带宽范围内随频率发生大的变化。

  时间变化:快衰落
  · 符号周期长于相干时间(Ts > T0)。
  · 信号带宽小于多普勒展宽(B < fd)。
  · 信道衰落条件的变化速度快于符号发送的速度。

  时间变化:慢衰落
  · 符号周期短于相干时间(Ts < T0)。
  · 信号带宽大于多普勒展宽(B > fd)。
  · 在符号发送过程中,信道条件稳定、可以预测。

衰落的影响

  大范围衰落主要会导致整体信号的电平衰落。路径衰减极其依赖于距离。它对设备的影响是,由于降低了接收的信号功率,从而降低了信噪比(SNR)。阴影效应和大范围反射表现为在这种平均路径衰减上的偏差。

  多径和多普勒效应导致的小范围衰落可能对通信的破坏力最强。频率选择性衰落会导致码间干扰(ISI),使得精确地理解收到的符号变得更加困难。平衰落会使SNR恶化,因为反射会导致矢量成分互相抵消。快衰落会使发送的基带数据脉冲失真,可能会导致锁相环同步问题。慢衰落也会降低SNR。SNR的降低要求无线设备的设计人员在确定链路要求时要增加"衰落余量";信号功率必须足够强,或者接收机的灵敏度要足够高,以便在衰落情形下能够正常工作。

降低衰落的影响

  只有在没有信道损伤时,才能实现理想的无线链路性能。但是加性白色高斯噪声(AWGN)的存在则会使得无线信道不可能完全没有干扰。不过,在设计无线设备时可以采用许多技术,来降低衰落的影响。这些技术降低了最坏情况下的衰落曲线的误码概率,使其更接近最好情况下的AWGN曲线。不同形式的衰落对误码率有不同的影响。频率选择性衰落和快衰落会明显影响误码率,而平衰落和慢衰落对误码率的影响较小。在设计可以容忍衰落对信号恶化的无线链路时,确定信道中的衰落类型非常重要。然后,可以选择信息速率,减少能够避免的误码。

  由于符号频率与符号周期呈倒数的关系,因此改变信号速率以补偿频率选择性衰落也会改变其在衰落速度方面的性能。为避免频率选择性衰落,传输速率应低于信道的相干带宽(B < f0)。但为了降低快衰落导致的失真,重要的是把传输速率设成大于信道衰落速率(B > fd)。换句话说,频率选择性衰落确定了信号带宽的上限,快衰落则确定了信号带宽的下限。

  均衡是一种常用技术,它用来消除频率选择性衰落导致的ISI。这个过程是调用一个脉冲响应与传播信道相反的滤波器。因此,传输通道与接收滤波器相结合,产生平坦的线性响应。例如,GSM采用自适应均衡技术,来缓和失真。

  CDMA技术使用Raker接收机减轻ISI的影响。Raker接收机使用专用滤波器,检测展宽信号里的成分,将这些成分收集起来,并将它们相干地叠加起来(对早到路径采用比晚到路径更多的延时)。

  我们还可以使用交织技术和编码技术,降低准确检测信号所要求的Eb/No(能噪比)。编码技术通过在正交码道上发送多个信号拷贝,提供了冗余性。交织技术通过把误码分布到不同的时间,在链路中增加了稳定性,从而避免了大量连续数据丢失现象的发生,而这种现象可能会切断无线链路。

  某些传输技术具备的信号特性,可以避免衰落最常见的影响。例如,超宽带传输技术,它传送的脉冲周期如此之短,以致其不会受到信道时延展宽的影响。正交频分复用技术通过把载波信号划分成信息速率较低的子载波,来避免频率选择性衰落。

衰落曲线

  衰落以某种方式对通过无线信道传播的信号进行阻碍。为设计能够容忍这种损伤的设备,重要的一点是需要使用可以在实验室环境中仿真衰落的工具。这些工具通过以数学方式生成仿真大范围衰落和小范围衰落的条件,创建实际环境中的衰落效应。这些数学表达式基于某些数学模型,它们使用统计数据来预测电磁波在传播过程中的行为方式。下面介绍了部分典型的衰落模型。

  通过在与距离相关的平均路径衰减上叠加对数正态分布的信号波动,可以用数学方式仿真大范围衰落。对大范围衰落,最精确的信道仿真方程来源于经验公式,这些经验公式来自在特定的市区进行测量并获得的结果。

  当发射机和接收机之间没有很强的视距传播路径时,瑞利分布是一个很好的信道传播模型。它可以适当地表示市区中的信道条件,其中大楼会阻碍视距传播路径,而且信号被各种物体反射后,在接收端时间上被展宽。在时域中,瑞利衰落在40 dB或更深的槽之间有不高于10 dB的周期峰值 (深度衰落) (如图4a)。

  在频域中,瑞利分布生成一条U形曲线(如图4b)。密集散射模型可以用来描述蜂窝通信的情况,这意味着多径信号的幅度将呈现瑞利分布,而到达角度 (多径相位) 将呈现正态分布。


图4. 瑞利分布:a) 时域;b) 频域。


  在农村环境中,阻碍信号的物体较少,多径信号包括一条很强的视距传播路径以及少量的反射路径,频谱功率呈莱斯(Rician)分布。直射路径的到达角度和直射路径与其它路径之间的功率之比相结合,决定了来自直射路径的能量对多径衰落的正态瑞利模型会有多大影响。频域中的图看起来象瑞利分布,但是直射路径引起的频移处,功率有一个峰值。(如图5)


图5. 莱斯分布(频域)。


  Suzuki衰落曲线把多径传播引起的小范围衰落与反射和衍射引起的大范围衰落结合在一起。大范围衰落呈对数正态分布,小范围衰落呈瑞利分布(图6)。


图6. Suzuki曲线。


衰落曲线取决于信号环境

  传播信道的脉冲响应严重依赖于用户环境。当信号通过空气传播时,它会遇到各种大小物体,因此会通过各种路径到达接收机。每条路径有不同的距离,因此接收的信号在幅度和相位上是波动的。当发送的能量遇到阻碍时,之后的情形取决于与入射信号的波长相比,阻碍物的大小及密度。当电磁波遇到远远大于波长的大型平滑物体时(如混凝土筑造的大楼),信号被反射或衍射。如果电磁波遇到其大小是波长级的物体(如街道指示牌、树叶或一缕烟雾),它会在所有方向上均匀地散射。全向天线能够接收似乎来自各个方向的的散射信号的少量比特。这些散射信号的幅度遵循瑞利分布描述的概率密度函数。

  当有很强的直射路径时,幅度会更接近莱斯分布曲线。这在农村环境中最为准确。在农村环境中,障碍物相对较少,因此允许从基站到移动台建立一条很强的直射路径。莱斯模型对卫星通信测试也是一个很好的选择,因为这些系统包括很强的直射路径以及大气衰减和散射。

  如果接收机正在移动,它会使到达接收机的多径信号的频率展宽。随着速度提高,频移也会增加。多径信号的频移集合导致了频率展宽,或称衰落速率fd。

  如果天线在室内环境中移动,它也会经历多普勒展宽。但是,得到的功率频谱并不是正态U形曲线,而是平坦曲线,看上去类似一个长直角。这种变化的形状主要是天花板多通道反射的结果,很明显,在室外环境中不会发生这种情况。

衰落测试

  测试无线系统(包括移动台和基站)在衰落情形下是否能够成功地收发数据,是检测过程的重要组成部分。无线标准一般会规定广泛而详细的衰落测试。当前,为实现衰落测试而采用的信道仿真方法是一个极具挑战性的过程。


图7. 当前信道仿真方法在模数变换过程中降低了精度。


  当前的信道仿真方法从RF信号开始,到RF信号结束(如图7)。需要仿真衰落的测试信号被下变频以及数字化。然后在数字信号中结合衰落曲线,其结果再上变频回到RF。最后增加噪声。(注:AWGN独立于多径效应,因此必须单独增加。)

  这种方法包括两个过程:转换损耗和噪声校准。这两个过程导致效率低下、准确性差。当仿真信号转换成数字信号或数字信号转换成仿真信号时,测试设备(而不是信道或被测设备)会引入误差。这种转换损耗增加了测量不确定性。

  确定要增加相应噪声的数量,以获得某个载噪比(C/N)是一个困难的过程。我们要求必须在仿真衰落后,在信号中增加AWGN,这样它不会被衰减掉而偏离希望的信号电平。但是,增加这种噪声使总功率电平偏离了衰落后的总功率电平,同时改变了C/N比率。因此必需在衰落后计算载波功率,以确定输入信号功率一定时要增加的相应噪声电平,这是一个复杂、耗时、代价高昂的过程。

信道仿真集成技术

  安捷伦为进行无线设备的数字设计的研发工程师研制出一种新的信道仿真技术。它通过更快、更准确的信道仿真,减少设计检测时间。这种新方法增强了业内领先的E4438C ESG矢量信号发生器的功能,为它提供了一个直观的软件界面,同时提供了一流的基带发生硬件。ESG使用内置的蜂窝通信模式、Signal Studio应用软件、或通过数学建模工具(如安捷伦Eesof的高级设计系统(ADS)或MATLAB?)创建的定制波形,创建数字基带IQ信号。这些数字基带信号发送到包含Baseband Studio PCI卡和Baseband Studio衰落软件的PC上,用户可以通过简便易用的软件界面,在PC上配置信道仿真参数。基带信号在Baseband Studio PCI卡中以数字方式衰落,然后发回到ESG,转换成仿真I/Q或RF信号输出。

  对不同衰落曲线进行仿真是在各种环境中评估接收机性能的基本要求。Baseband Studio衰落软件可以仿真大范围衰落、小范围衰落、或两者的组合。它可以仿真由于接收机很小的位移导致的信号迅速波动以及由于远程物体的阴影效应导致的平均功率的缓慢变化。其支持的衰落曲线包括:

  · 对数正态分布 - 大范围直射路径损耗
  · 瑞利分布 - 小范围多径散射
  · 莱斯分布 - 含直射路径的瑞利分布
  · Suzuki分布 - 呈对数正态分布的瑞利分布
  · 纯多普勒效应 - 由于移动导致的多普勒频移

  用户定义的衰落曲线可以灵活地满足特定的测试需求。您可以调节多径数量与可用带宽的关系,使处理能力达到最大,实现测试的灵活性。它在异常精确的仪器平台上实现,整个衰落过程在数字基带上实现,提高了测试精度。您也可以增加两个通道,仿真分集天线或干扰信号。您可以使用预先配置的W-CDMA、TD-SCDMA、cdma2000、cdmaOne、1xEV-DO、1xEV-DV、GSM、EDGE和WLAN等标准衰落曲线,简化初始设置。

  另外,安捷伦还为常用的蜂窝制式提供了预先定义的设置,这同样简化了测试准备工作。这些曲线可以修改,为仿真特定环境提供量身定制的配置。预先定义的设置中还包括了3GPP W-CDMA独有的移动传播条件和生灭衰落曲线。


图8. 新的安捷伦衰落方案支持用户定义的灵活性。


  图8是安捷伦新推出的衰落解决方案的通用方框图。一对I/Q输入信号被引到最多N条不同的信号处理路径上,仿真最多N条不同的RF传播路径。时延模块以非常精细的增量(几分之一纳秒)在每条路径上增加用户自定义的时延。复数乘法模块把时延信息与DSP中的衰落算法提供的衰落信息结合在一起。衰落算法对输入I和Q数据使用用户指定的衰落曲线。最后,这些路径进行叠加,生成一个I/Q基带数据流,然后输入至ESG,由ESG上变频到RF。


图9. DSP衰落算法方框图。


  图9说明了使用噪声滤波的方法形成衰落的DSP算法。呈高斯分布的复数随机噪声具有瑞利分布的幅度。幅度表把随机数发生器中的正态分布噪声转换成瑞利分布。相位表把表示相位的正态分布噪声输入转换成适当的I和Q值,生成该相位的单位矢量。

  莱斯衰落只是瑞利衰落外加一条额外的未衰落的直射路径,这条路径相对于瑞利衰落信号发生多普勒频移。对莱斯衰落曲线而言,在其进入复数乘法模块之前,除了多普勒展宽外,多普勒模块还在衰落信号中增加了一个旋转的恒定幅度的矢量(多普勒频移)。

降低差错的全数字衰落仿真

  如前所述,衰落仿真的传统过程是对输入RF信号数字化,然后对信号进行衰落,然后上变频回至RF。这给整个过程增加了非常大的不确定性。这种不确定性是由于DAC中的非线性失真、平衡误差、削波、取样理解错误、载波馈通和其它问题引起的。在测试新的无线设备时,必须考虑所有这些潜在错误。

  降低数字化差错的一种方法是提高数字转换器的分辨率、使用更高的数据速率,以更好地近似原始的模拟信号。但最好的解决方案是避免不必要的模数变换。如果使用信号发生器的原始数字I/Q输出,以数字方式完成整个过程,那么可以明显减少这些误码。用全数字的处理过程进行信号衰落,降低了普通模数转换过程增加的差错。

内置AWGN发生器降低了成本

  传统的衰落仿真器没有内置的AWGN功能,要求额外地校准信号电平。在衰落信号中增加AWGN通常会在设置希望的信噪比时出现问题,因为我们必须组合两种不同的RF信号,才能实现希望的整个信号电平和比率。

  通过Baseband Studio衰落软件,在用户界面上输入C/N或Eb/No值,就可以改变噪声值,而同时,C, N, C/N或C+N可以保持不变,简化了接收机性能的测试。Baseband Studio衰落软件从ESG中获得功率电平和数据速率信息,自动对信号进行改变,而不要求单独调节载波和噪声功率。

  Baseband Studio衰落软件无缝地和E4438C ESG集成在一起,消除了与传统衰落仿真器有关的校准问题。来自ESG的基带信号(16位的数字信号)发送到Baseband Studio衰落软件上,Baseband Studio在原始基带数据中增加多径衰落和AWGN,所有这些都在数字域中进行。事实上,整个信道仿真过程一直保持数字形式,直到信号上变频到RF。它可以实现杰出的载噪比精度,因为它已经消除了与增加仿真信号有关的不确定性。

  精确、经济地仿真衰落对有效测试无线设备至关重要。集成环境中的安捷伦Baseband Studio衰落软件可以简化无线测试,帮助您更快地向市场推出产品。