寬帶無線信道仿真技術研究

孫少軍

摘要：針對常用的無線信道模型主要作用于點頻或者窄帶信號，不能滿足寬帶信號傳播特性模擬的問題。在窄帶信道模型的基礎上，提出了一種寬帶無線信道仿真的建模思路，通過在大尺度衰落仿真建模過程中引入寬帶特性，并與頻率選擇性小尺度衰落模型相結合，實現寬帶無線信道的建模和仿真，滿足了寬帶信號傳播特性模擬的需求，對于寬帶無線信道建模仿真具有一定的參考意義。

關鍵詞：無線信道；傳播特性；信道建模

中圖分類號：TP391.4文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2018）21-69-3

0引言

無線信號在不同的通信環境下，其時域和頻域會受到通信信道環境不同程度的影響[1]。不同環境下，發射機發送的信號在傳播過程中受到不同障礙物的反射及影響也不相同，接收機接收到的就是經過不同時延的不同反射或者折射路徑的信號。由于無線通信環境復雜多變的特性，不可能用單一的數學模型描述所有無線信道環境，需要根據不同的環境建立不同的信道模型進行描述。

通常使用的無線信道模型主要針對于點頻或者窄帶信號，不能滿足寬帶信號傳播特性模擬的需求。基于這個問題，在大尺度衰落仿真建模過程中引入寬帶特性，并與頻率選擇性小尺度衰落模型相結合，實現寬帶無線信道的建模和仿真，滿足了寬帶信號傳播特性模擬的需求。

1寬帶無線信道仿真技術

無線信道模擬主要分為大尺度衰落和小尺度衰落兩部分，二者同時存在[2-3]，如圖1所示。

1.2小尺度衰落模型

小尺度衰落是指無線信號在短時間或短距離傳播時其幅度、相位或多徑時延快速變化，小尺度衰落是同一個發送信號沿不同路徑傳播，以微小的時間差到達接收機造成的，也就是說無線通信信號的多徑傳播導致了小尺度衰落的產生[4]。

在多徑傳播環境下，不同路徑信號的幅度、相位隨時間變化，到達接收機后疊加[5-6]。基于Jakes模型搭建多徑衰落信道結構，需要通過Jakes模型構建Rayleigh信道模型，控制每個信道的平均時延值，將多個信道進行合成后得到多徑衰落信道。

Jakes仿真模型是基于無數個加權諧波的疊加，在仿真建模的過程中，一般使用有限個諧波代替無窮個諧波。Jakes模型采用無窮加權諧波的疊加技術來仿真高斯隨機過程，接收端信號可以看作條路徑的一系列平面波的疊加，如下所示：

利用該特性，構建寬帶濾波器，由于該濾波器不是對稱濾波器，所以只能采用復數濾波器設計。在進行信道仿真的過程中，根據設置的中心頻率，計算得出相應的瞬時帶寬的起始和終止頻率，根據起始和終止頻率計算得出該瞬時帶寬內頻率與衰減的幅頻特性，通過幅頻特性，計算得到該寬帶濾波器的幅頻響應。

2仿真結果

2.1大尺度衰落模型仿真結果

仿真實驗中，設定大尺度傳播距離為20 km，對30～ 230 MHz頻段內的信號在城市、郊區和農村3種環境下大尺度傳播特性進行仿真，仿真結果如圖3所示。

由圖中的結果可以看出：由于城市環境下，相對于農村環境，障礙物較多且較集中，所以在相同傳播距離的情況下頻段內對信號傳播的損耗較高，郊區環境下，障礙物數量沒有城市環境中多比較農村環境多，所以相同傳播距離，郊區環境下的傳輸損耗比城市環境下的傳輸損耗低，但比農村環境下的傳輸損耗高。

2.2小尺度衰落模型仿真結果

使用Jakes模型構建Rayleigh信道后，利用多徑衰落信道模型，進行小尺度衰落模型仿真，結果如圖4所示，信號通過信道仿真后，經過小尺度衰落后，在時域上出現幅度的隨機變化。

2.3寬帶無線信道仿真結果

通過將大尺度衰落模型、小尺度衰落模型以及寬帶幅頻響應特性結合，實現了寬帶無線信道建模。仿真結果如圖5所示。對于不同頻率的信號，單一信號的幅度具有隨機衰減效果的同時，不同頻率的信號衰減幅度也不相同，體現了不同頻率下的幅頻響應特性。

3結束語

寬帶無線信道仿真技術通過在大尺度衰落仿真建模過程中引入寬帶特性，并與頻率選擇性小尺度衰落模型相結合，實現寬帶無線信道的建模和仿真，體現單個頻點信號的傳播特性的同時，還可以反應一定帶寬內不同頻率信號的不同傳播特性，滿足了寬帶信號傳播特性模擬的需求，在工程實踐中的應用具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]吳凱.無線衰落信道模擬的仿真研究與實現[D].成都：電子科技大學，2014.

[2]吳焯文.無線信道模型的仿真與FPGA實現[D].廣州：華南理工大學，2011.

[3]張曉佳.陰影衰落信道的建模與分析[D].呼和浩特：內蒙古大學，2014.

[4]金鑫.無線信道傳播模型的研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2010.

[5]倪光華，杜智遠，王東，等.地空通信信道特性仿真與分析[J].無線電工程，2015，45（6）：78-80.

[6]孫得娣，徐榮蓉.兩種瑞利衰落信道模型的研究[J].電子測量技術，2017，40（8）：23-26.