衰落的定義

多徑效應(yīng)是幾乎所有類型接收機面臨的主要問題。一般來說，這些是經(jīng)過不同時間延遲的反射和散射信號，它們在原始傳輸信號到達(dá)后再到達(dá)接收機。 

每個多徑信號都包含一系列與原始信號不同的失真組合——包括時延、相移、幅度變化和多普勒頻移。當(dāng)這些多徑信號與直射信號（LOS，視距信號）以建設(shè)性或破壞性方式疊加時，接收端會表現(xiàn)出稱為衰落（或多徑衰落）的現(xiàn)象。

圖1展示了一個簡單的多徑場景：汽車內(nèi)的接收機接收到三個信號——直射信號、來自建筑物的反射信號以及來自路標(biāo)的散射信號。實際中，影響衰落的主要因素包括：反射、衍射、散射、多普勒頻移（由移動物體引起）、陰影衰落、吸收和折射。以下逐一分析這些因素。

圖1：接收機看到的信號包括原始直射信號、反射信號和散射信號，這些信號之間的相互作用導(dǎo)致了衰減的發(fā)生。如果汽車正在移動，信號還會受到多普勒效應(yīng)的影響，導(dǎo)致信號頻率的變化。這種變化會進(jìn)一步影響信號的衰減和接收機的性能。

01反射

無線電波在空氣中傳播時，部分信號會從發(fā)射端到接收端路徑上的高密度物體表面反彈（見圖1）。這種現(xiàn)象在時域和頻域中均表現(xiàn)出復(fù)雜性，涉及不同路徑長度導(dǎo)致的時延、反射引起的相位變化（如相位反轉(zhuǎn)）等。在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中，由此產(chǎn)生的時序誤差會導(dǎo)致碼間干擾（ISI），其作用類似于噪聲，從而降低通信可靠性。

02衍射

盡管直覺上不明顯，但射頻信號在遇到障礙物（如墻壁或拐角）或開口時會發(fā)生彎曲。這種現(xiàn)象可以用菲涅爾的理論來解釋，即波前上的每一點都可以被視為一個新的波的源點（圖2）。通過公式可基于距離和波長預(yù)測并建模這種行為：

Δ?：兩束波的相位差

圖2：當(dāng)波前穿過橙色墻體時，產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象可能導(dǎo)致接收端出現(xiàn)額外的衰落效應(yīng)。

03散射

當(dāng)無線電波遇到粗糙表面時，會像臺球母球撞擊一組子球那樣，向多個隨機方向擴(kuò)散或"散射"。那么表面需要多"粗糙"才會引發(fā)散射呢？對于射頻信號的波長而言，幾乎所有物體都會造成一定程度的散射：路燈、道路標(biāo)志牌、樹葉、茂密的灌木叢等等。其最終效應(yīng)是增加了多徑反射信號到達(dá)接收機的可能性。

04多普勒頻移

如果您曾遇到過鳴笛的急救車輛從身邊駛過，您會感受到相對速度引起的頻率升高和降低——這就是多普勒頻移（圖3）。類似現(xiàn)象也發(fā)生在射頻信號的直射和反射過程中，無論移動物體是發(fā)射端、接收端還是傳輸路徑上的其他物體。

圖3：對于兩名靜止的觀察者而言，由于消防車的相對運動，他們聽到的警笛聲頻率會呈現(xiàn)降低（觀察者B）或升高（觀察者A）的現(xiàn)象。

05陰影衰落

在發(fā)射機到接收機的路徑上，建筑物或山丘等大型靜止物體會投射出一個射頻陰影，遮蔽主信號。陰影衰減會導(dǎo)致接收功率的隨機變化，這種現(xiàn)象可以使用平均值為零的高斯分布或鐘形曲線來建模（圖4），以描述接收功率的變化規(guī)律。

圖4：陰影衰落可視為路燈、標(biāo)識牌、樹木等物體散射射頻能量所產(chǎn)生的次級效應(yīng)。由此導(dǎo)致的路徑損耗會隨收發(fā)信機之間距離的對數(shù)值而變化。

06折射

如同光線穿過棱鏡或透鏡，某些材料會使入射射頻信號在從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)（如空氣到玻璃、空氣到水）時改變方向。完整的衰落模型需考慮此類效應(yīng)。

07吸收

在傳輸路徑中，水（如雨、雪）和其他材料會吸收射頻能量，從而衰減所有接收信號——包括原始信號、反射信號、衍射信號、散射信號、陰影信號或折射信號。這種效應(yīng)在11 GHz以上頻段（衛(wèi)星通信中使用的Ku波段起始頻率）尤為顯著。

PART-02
衰落場景測試

當(dāng)信號在無線通信道路上遭遇反射、衍射、散射等“絆腳石”時，接收機的性能可能瞬間崩塌。為確保設(shè)備在正常工作中的可靠性，我們采用兩種信號類型對接收機進(jìn)行測試：理想信號和失真信號。

理想信號用于驗證接收機性能是否符合設(shè)計目標(biāo)或公開規(guī)格參數(shù)。此類測試要求對信號純度進(jìn)行精確控制，包括標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)制信號，常見于設(shè)計實驗室和生產(chǎn)線的測試環(huán)節(jié)。

實際應(yīng)用場景中，設(shè)備接收到的信號會受到發(fā)射端失真和物理信道損傷的雙重影響（即發(fā)射機損傷和信道損傷）。通過使用可精確控制的失真信號進(jìn)行測試，可確保接收機在日常運行中保持預(yù)期性能。這類測試通常在設(shè)計驗證階段實施。

01集成衰落測試

對通信系統(tǒng)最有效的測試方法是以理想信號為基礎(chǔ)，疊加衰落效應(yīng)后直接輸入接收機。這種測試方案稱為集成衰落測試，需借助矢量信號發(fā)生器實現(xiàn)。這種方法可以模擬現(xiàn)實世界中的信號傳輸情況，幫助設(shè)計人員和工程師評估接收器的性能并優(yōu)化其設(shè)計。

02集成衰落測試解決方案

雖然直接在真實環(huán)境中使用空中傳輸?shù)母鞣N信號來測試接收機頗具吸引力，但這種方法存在明顯缺陷——"野外測試"既不可控也難以復(fù)現(xiàn)。取而代之的，是使用集成衰落測試，即在實驗室環(huán)境中通過生成理想信號，再疊加典型運行中可能出現(xiàn)的各類損傷和失真，從而構(gòu)建出最具可重復(fù)性的非理想條件測試方案。采用R&S?SMW200A矢量信號發(fā)生器配合R&S?SMW-B15寬帶衰落模擬器，即可高效實現(xiàn)這一目標(biāo)。

R&S?SMW200A能夠滿足多種測試系統(tǒng)和應(yīng)用場景的性能與功能需求。在開發(fā)和驗證階段，無論是元器件、模塊、手機還是完整基站等各類被測設(shè)備，該設(shè)備都能以卓越性能輕松生成所需測試信號。憑借靈活的模塊化設(shè)計，該儀器可配置為從經(jīng)典單通道矢量信號發(fā)生器到多通道MIMO接收機測試系統(tǒng)等多種應(yīng)用方案（如圖5所示）。

圖5：R&S?SMW200A可配置為最高44GHz輸出頻率、2GHz調(diào)制帶寬及800MHz衰落帶寬的工作模式。其可選第二射頻通道支持高達(dá)20GHz頻率范圍，最多可配置8個獨立基帶，該通道既可用作干擾源，也可用于擴(kuò)展衰落信道。

結(jié) 語

在無線通信系統(tǒng)中，衰落效應(yīng)是信號傳輸質(zhì)量的核心威脅。從城市樓宇的密集反射到高速移動引發(fā)的頻移畸變，各類衰落因素時刻威脅著通信的穩(wěn)定性。為確保設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性，實驗室級的衰落測試成為破解這一難題的關(guān)鍵。

當(dāng)衰落場景模擬技術(shù)集成于高端矢量信號發(fā)生器時，衰落測試能夠全面評估以下要素：

直射信號(LOS)質(zhì)量

干擾信號影響

多種信道損傷：包括反射、衍射、散射、多普勒效應(yīng)、陰影衰落、折射及吸收

R&S?SMW200A矢量信號發(fā)生器是此類應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)桿設(shè)備。如需了解該儀器、可選寬帶衰落模擬模塊及相關(guān)軟件功能的詳細(xì)信息，歡迎咨詢安泰測試。