無(wú)線通信中的多徑效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

魏建軍，劉乃安，黑永強(qiáng)，唐 軍，幸新鵬，韋 娟

（西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071）

無(wú)線通信利用電磁波在自由空間中傳播的特性實(shí)現(xiàn)信息交換，雖然由自由空間構(gòu)成的無(wú)線信道客觀存在，但是卻看不見(jiàn)摸不著，對(duì)無(wú)線信道的理解造成很大困難。在電磁波傳輸過(guò)程中，如果碰到樹(shù)木、建筑或其他障礙物，則發(fā)生反射、折射或透射，如此往復(fù)，電磁波到達(dá)接收端時(shí)呈現(xiàn)多條傳輸路徑[1-3]。在接收機(jī)射頻前端時(shí)，對(duì)多條路徑的信號(hào)進(jìn)行矢量疊加。多條路徑的傳輸延時(shí)不同，接收端接收到的信號(hào)電平和相位也變化，各信號(hào)按各自不同相位疊加，出現(xiàn)多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)造成信號(hào)的時(shí)間色散和頻率選擇性衰落，引起傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生失真，增加了無(wú)線通信系統(tǒng)的誤碼率[4-7]。

多徑效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信產(chǎn)生重要影響，是無(wú)線通信的一個(gè)重要內(nèi)容。但是無(wú)線通信距離遠(yuǎn)，又由于無(wú)線信道不可直接觀察的特點(diǎn)，開(kāi)展多徑效應(yīng)實(shí)驗(yàn)難度較大。為了在實(shí)驗(yàn)室研究多徑效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)性能的影響，國(guó)內(nèi)外采用了多種方式，主要有2 種：一種是基于仿真的方法，根據(jù)已掌握的無(wú)線信道理論知識(shí)，使用Matlab、LabView 或SystemView 等工具建立無(wú)線信道模型，將其應(yīng)用到無(wú)線通信系統(tǒng)中，檢測(cè)無(wú)線通信系統(tǒng)的性能及其影響。然而模型很難準(zhǔn)確地描繪所有的現(xiàn)實(shí)條件，也難以獲悉采用某種模型的可行性。在仿真設(shè)計(jì)中采用的都是模型，理解僅停留在模型表面，缺乏對(duì)實(shí)際情形的認(rèn)識(shí)[8-9]。采用仿真模擬的方法時(shí)，由于無(wú)線通信采用的載波頻率高，無(wú)法與軟件實(shí)現(xiàn)的信道模型進(jìn)行有效連接，此時(shí)其他通信模塊也只能采用軟件模擬的方法[10-11]。

另一種方法是采用信道模擬器的方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信等場(chǎng)景下的無(wú)線信道特性及模型進(jìn)行了大量研究，已有商用無(wú)線信道模擬器可以與無(wú)線通信系統(tǒng)直接相連，檢測(cè)多徑效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)性能的影響。但該類設(shè)備體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，目前只見(jiàn)于少量科研院所，無(wú)法普及到高等院校專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室[12]。

電磁波在傳輸線中的傳輸特性與無(wú)線信道中傳輸有某些相通之處，兩者阻抗恒定不變，都與傳輸距離無(wú)關(guān)，路徑數(shù)目可有多條，傳播的延遲都與距離成線性關(guān)系。基于這些特點(diǎn)，本文使用硬件模塊構(gòu)造無(wú)線信道，模擬無(wú)線通信中的多條傳輸路徑，解決無(wú)線信道距離過(guò)大的問(wèn)題，開(kāi)展多徑效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)多徑效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的性能影響。

1 無(wú)線通信多徑模塊

無(wú)線信道與傳輸線的阻抗恒定不變，路徑的數(shù)目可任意變化，傳輸電磁波信號(hào)的相位隨著距離呈現(xiàn)周期性變化，且延遲都與距離成線性關(guān)系[13-15]。電磁波在無(wú)線信道中傳輸時(shí)，能量衰減與距離為指數(shù)關(guān)系，而在傳輸線中傳輸時(shí)，能量衰減與介質(zhì)的特性有關(guān)，衰減很小，短距離時(shí)幾乎可以忽略不計(jì)。在傳輸線中增加可調(diào)衰減器，根據(jù)傳輸距離調(diào)節(jié)衰減量，近似長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的路徑損耗。無(wú)線信道多徑實(shí)驗(yàn)?zāi)K如圖1所示。

圖1 無(wú)線通信中的多徑模塊電路圖

無(wú)線通信多徑模塊共有4 條路徑，每條路徑的長(zhǎng)度不同，使得通過(guò)信號(hào)的延遲不同。多徑模塊左右各有一個(gè)端口，可以分別與發(fā)射機(jī)射頻端和接收機(jī)射頻端直接連接。為了模擬無(wú)線信道中信號(hào)的衰減，在每條路徑上都增加了一個(gè)可變電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻從而獨(dú)立調(diào)節(jié)每條路徑的衰減。每條路徑上都設(shè)置有開(kāi)關(guān)，獨(dú)立控制每條路徑的通斷。通過(guò)傳輸線上開(kāi)關(guān)的組合，可以獨(dú)立模擬1 條路徑、2 條路徑、3 條路徑和4 條路徑。通過(guò)可變電阻和開(kāi)關(guān)的組合，開(kāi)展多徑效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)可隨意設(shè)置接入無(wú)線信道中的路徑及每條路徑的衰減，模擬實(shí)際的多徑效應(yīng)。

無(wú)線通信多徑模塊既可單獨(dú)使用，也可進(jìn)行并聯(lián)和串聯(lián)組合，實(shí)現(xiàn)任意路徑的通信路徑，檢測(cè)多徑效應(yīng)的影響，如圖2 所示。

圖2 組合的無(wú)線通信多徑模塊

無(wú)線通信多徑實(shí)驗(yàn)?zāi)K經(jīng)過(guò)組合以后，可以構(gòu)成復(fù)雜的無(wú)線信道，與無(wú)線通信系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)射頻和接收機(jī)射頻直接連接在一起，模擬無(wú)線信道的特性，開(kāi)展多徑效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量不同信道路徑下無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。

2 多徑效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

信號(hào)在無(wú)線信道中傳輸時(shí)存在多徑效應(yīng)，影響無(wú)線通信的性能。將多徑模塊連接到無(wú)線通信系統(tǒng)中，進(jìn)行實(shí)際通信實(shí)驗(yàn)，確定多徑效應(yīng)的影響。

2.1 無(wú)線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的無(wú)線通信系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)基帶、發(fā)射機(jī)射頻前端、發(fā)射天線、接收天線、接收機(jī)射頻前端、接收機(jī)基帶。無(wú)線通信中的多徑效應(yīng)實(shí)驗(yàn)使用無(wú)線通信多徑模塊模擬無(wú)線信道，檢測(cè)多徑效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)性能的影響，無(wú)線信號(hào)在多徑模塊中傳輸，不需要發(fā)射天線和接收天線，所采用的無(wú)線通信系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 無(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

發(fā)射機(jī)基帶包括信道編碼和基帶調(diào)制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的基帶處理。發(fā)射機(jī)射頻將信號(hào)從低頻變換到射頻，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射。無(wú)線通信多徑實(shí)驗(yàn)?zāi)K模擬無(wú)線信道，基本模塊提供4 條可選路徑，每條路徑可獨(dú)立調(diào)節(jié)衰減。實(shí)驗(yàn)時(shí)可在4 條路徑中任意選擇1 條路徑、2條路徑、3 條路徑或4 條路徑，構(gòu)成無(wú)線通信所使用的信道。也可使用多徑模塊進(jìn)行并聯(lián)和串聯(lián)組合，實(shí)現(xiàn)任意路徑的通信路徑。信號(hào)通過(guò)多徑模塊到達(dá)接收機(jī)射頻，接收機(jī)射頻對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和下變頻，然后將信號(hào)傳輸給接收機(jī)基帶。接收機(jī)基帶包括基帶解調(diào)和信道譯碼，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，恢復(fù)出所傳輸?shù)男盘?hào)。

2.2 信道路徑設(shè)置

無(wú)線通信中的多徑效應(yīng)實(shí)驗(yàn)分為2 個(gè)部分：第1部分設(shè)置多徑模塊，包括路徑的數(shù)目和每條路徑的衰減；第2 部分為測(cè)量無(wú)線通信系統(tǒng)的性能，檢測(cè)多徑效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)性能的影響。

信號(hào)在空間傳播時(shí)，隨著距離的增加，急劇衰減。為了真實(shí)模擬信號(hào)的衰減，需要調(diào)節(jié)無(wú)線通信多徑實(shí)驗(yàn)?zāi)K上的可變電阻。首先根據(jù)每條路徑的傳輸距離，計(jì)算信號(hào)的衰減量，然后將無(wú)線通信多徑實(shí)驗(yàn)?zāi)K連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀上，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的正向傳輸系數(shù)結(jié)果，調(diào)節(jié)無(wú)線通信多徑實(shí)驗(yàn)?zāi)K每條路徑上的電阻值，改變每條路徑的衰減，使得路徑的衰減值與計(jì)算值保持一致，路徑衰減的調(diào)節(jié)如圖4 所示。

圖4 無(wú)線通信多徑模塊的路徑調(diào)節(jié)

信號(hào)的路徑不同，每條傳輸路徑的距離不一樣，接收端在不同時(shí)間段接收到同一信號(hào)，造成相對(duì)于輸入信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展，最大時(shí)延擴(kuò)展的倒數(shù)為相干帶寬。設(shè)置不同的路徑組合，可得到不同的相干帶寬。

2.3 無(wú)線通信系統(tǒng)的性能測(cè)量

評(píng)價(jià)多徑效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)性能的影響，主要包括有效性和健壯性2 個(gè)方面，有效性表現(xiàn)為數(shù)據(jù)速率，健壯性表現(xiàn)為誤碼率。使用誤碼儀測(cè)量整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的性能，設(shè)置不同的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行測(cè)量，無(wú)線通信系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 無(wú)線通信系統(tǒng)測(cè)量結(jié)構(gòu)

測(cè)量時(shí)誤碼儀利用自帶的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，根據(jù)設(shè)置產(chǎn)生連續(xù)的隨機(jī)數(shù)，按照設(shè)置的速率發(fā)送給發(fā)射機(jī)基帶，發(fā)射機(jī)基帶完成編碼和調(diào)制，處理完成后發(fā)送給發(fā)射機(jī)射頻，發(fā)射機(jī)射頻將基帶數(shù)據(jù)上變頻到射頻端，發(fā)送給無(wú)線通信多徑實(shí)驗(yàn)?zāi)K。射頻信號(hào)在無(wú)線通信多徑實(shí)驗(yàn)?zāi)K經(jīng)過(guò)衰減和多條傳輸路徑后，陸續(xù)到達(dá)輸出端進(jìn)行矢量疊加，然后將疊加后的射頻信號(hào)發(fā)送給接收機(jī)射頻。接收機(jī)射頻對(duì)接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行放大和下變頻，隨后發(fā)送給接收機(jī)基帶，完成解調(diào)和解碼，并恢復(fù)出基帶數(shù)據(jù)，最后送回給誤碼儀的接收端。誤碼儀將接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算出誤碼率。

將多通道高采樣率示波器連接到無(wú)線通信多徑模塊的路徑開(kāi)關(guān)處，可以觀察信號(hào)經(jīng)過(guò)不同路徑后的時(shí)域波形，比較不同通道之間信號(hào)的衰減和延遲。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蚀_定了傳輸信號(hào)的帶寬，無(wú)線通信多徑模塊中不同的路徑，確定了路徑的最大延遲時(shí)間和與之相對(duì)應(yīng)的相干帶寬。改變誤碼儀輸出數(shù)據(jù)的速率或者無(wú)線通信多徑模塊中的路徑，使得信號(hào)帶寬和相干帶寬之間的關(guān)系不同，測(cè)量不同關(guān)系下無(wú)線通信系統(tǒng)的誤碼率。對(duì)所測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，分析多徑效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用基于傳輸線的無(wú)線通信多徑模塊硬件模塊構(gòu)建無(wú)線信道，模擬無(wú)線通信中的多徑效應(yīng)。通過(guò)無(wú)線通信多徑模塊的并聯(lián)和串聯(lián)組合，可以實(shí)現(xiàn)任意條信號(hào)路徑，獲得不同的最大時(shí)延擴(kuò)展，進(jìn)而得到相干帶寬。通過(guò)設(shè)置誤碼率的數(shù)據(jù)速率，獲得信號(hào)帶寬。在實(shí)驗(yàn)中改變相干帶寬和信號(hào)帶寬的關(guān)系，可以獲得不同情況下多徑效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的影響。