基于傳輸線的無線信道多徑實(shí)驗(yàn)?zāi)K

魏建軍，劉乃安，黑永強(qiáng)，唐 軍，韋 娟，幸新鵬

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

無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，而由自由空間構(gòu)成的無線信道環(huán)境非常復(fù)雜，容易發(fā)生散射、衍射和反射等情況，導(dǎo)致無線信號從發(fā)送端到達(dá)接收端時存在多條信號路徑。多條信號路徑使傳輸信號受到符號間干擾，嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)性能，增大了通信系統(tǒng)誤碼率。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，對無線信道建立了大量的模型，有閉式模型、參數(shù)化模型、射線跟蹤模型、基于幾何統(tǒng)計的散射模型和相關(guān)矩陣模型等[1-3]。合理完善的無線信道模型可詳細(xì)地描述復(fù)雜多變的無線電波傳播機(jī)制，并且可以在理論分析和仿真工作中提供可用的性能參數(shù)和再現(xiàn)方式[4-5]。然而，由于無線信道的電波傳播機(jī)制是復(fù)雜而又多變的，因此無線信道建模復(fù)雜度高，實(shí)現(xiàn)困難[6]。另外，采用軟件模擬的方法時，由于無線通信采用的載波頻率高，無法與軟件實(shí)現(xiàn)的信道模型進(jìn)行有效連接，此時其他通信模塊也只能采用軟件模擬的方法[7-8]。

無線通信系統(tǒng)驗(yàn)證及性能測試在通信系統(tǒng)研發(fā)中所占比重越來越大，為了縮短研制周期和降低研發(fā)風(fēng)險，國內(nèi)外學(xué)者對移動通信和衛(wèi)星通信等場景下的無線信道特性及模型進(jìn)行了大量研究，已有商用無線信道模擬器成為當(dāng)前通信系統(tǒng)測試設(shè)備的重要組成部分。但該類設(shè)備體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，目前只見于少量科研院所，無法普及到高等院校專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室[9]。

1 無線信道中的多徑傳輸和傳輸線

射頻信號既可以在由自由空間構(gòu)成的無線信道中傳輸，也可以在電路板上的傳輸線中傳輸，兩者的傳輸特性存在很多相似之處。

1.1 無線信道中的多徑傳輸

無線通信系統(tǒng)將經(jīng)過調(diào)制的電磁波作為信息的載體，以輻射的形式傳播出去，無線信道對信號的衰落在整體上會隨著收發(fā)端之間距離的增大而増加。根據(jù)Friis 公式，距離發(fā)射端d 處的接收功率為

其中：Pt為發(fā)射功率，Pr(d)為接收功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，d 為發(fā)射端與接收端之間的距離，L 是與傳播特性無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子，λ 為波長[10]。

無線通信系統(tǒng)的收發(fā)機(jī)之間的傳播環(huán)境非常復(fù)雜，在沒有阻擋物的情況下會存在視距傳播，而遭遇到各種復(fù)雜的地物或者有人的活動時，會同時存在多種形式的雜散波，出現(xiàn)多條信號路徑。當(dāng)信號到達(dá)接收端時，多條路徑的信號進(jìn)行矢量疊加。多條路徑的傳輸延時不同，接收端接收到的信號電平和相位都發(fā)生變化，各信號按各自不同相位疊加，稱之為多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)是無線信道中信號產(chǎn)生失真的主要原因，主要存在兩種特性：一種是接收信號在幅度上的衰減，另一種是信號在信道上傳輸產(chǎn)生的時延擴(kuò)展。圖1 顯示了發(fā)射端與接收端之間的兩路信道模型。

圖1 兩路信道示意圖

圖1 中接收端到發(fā)射端的直線距離為d，電磁波按照1/d3的規(guī)律衰減，則在接收端接收到的信號為

其中：f 為所傳輸信號的頻率，c 為光速，l1和l2分別為兩段路徑的距離[11]。

由自由空間構(gòu)成的無線信道的阻抗是一常數(shù)，其量綱與電阻相同，都為Ω，其數(shù)值等于真空磁導(dǎo)率和光速的乘積，約為377 Ω。

1.2 微帶傳輸線

傳輸線是由無窮小段的導(dǎo)線級聯(lián)構(gòu)成的分布參數(shù)電路，處理信號的波長與電路中器件的尺寸相當(dāng)，常用的是同軸線和微帶線。微帶線是射頻PCB 電路中常用的傳輸系統(tǒng)，用于有源器件、無源器件相互之間的連接。微帶線由導(dǎo)體帶、介質(zhì)材料和底板三部分構(gòu)成，其特征阻抗為[12]

其中：w 為微帶線的寬度，h 為微帶線的高度，eε 為有效介電常數(shù)，可以表示為

εr為給定介質(zhì)材料的介電常數(shù)。

從式（3）可以看出，當(dāng)在PCB 板上使用微帶線傳輸信號時，其特征阻抗只與介質(zhì)材料的介電常數(shù)、微帶線的寬度和厚度有關(guān)，與信號的傳輸距離無關(guān)。

無線信道與傳輸線的特性極其相似。首先，兩者阻抗恒定不變，都與傳輸距離無關(guān)，且量綱相同；其次，無線信道根據(jù)環(huán)境的變化可以有任意條路徑，而傳輸線也可以設(shè)計成任意多條；再次，隨著距離的變化，在兩者中傳播的信號相位都呈現(xiàn)周期性變化。最后，在頻率確定的情況下，信號傳播的延遲與距離呈線性關(guān)系。

2 多徑模塊設(shè)計

無線信道與傳輸線的阻抗都恒定不變，路徑的數(shù)目可任意變化，傳輸信號的相位隨著距離呈現(xiàn)周期性變化，且延遲與距離呈線性關(guān)系。唯一不同的是信號在無線信道中傳輸時，能量隨著距離的增加急劇衰減，而采用傳輸線傳輸時，能量衰減只與介質(zhì)的特性有關(guān)，衰減很小，短距離時幾乎可以忽略不計。而這一點(diǎn)完全可以在傳輸線中增加可調(diào)衰減器予以近似。

根據(jù)以上分析，基于傳輸線理論，設(shè)計了無線信道多徑實(shí)驗(yàn)?zāi)K，如圖2 所示。

圖2 無線通信中的多徑模塊電路圖

整個電路采用無源器件設(shè)計，共設(shè)計了四條路徑，每條路徑的長度不同，使得通過信號的延遲不同。多徑模塊左右各有一個端口，阻抗都為50 Ω，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，并且可以互換。電路中的器件之間的連線采用微波電路中的傳輸線，電阻R1—R6 起匹配的作用。為了模擬無線信道中信號的衰減，在每條路徑上都增加了一個可變電阻，分別為R7、R8、R9 和R10，通過調(diào)節(jié)可變電阻從而獨(dú)立調(diào)節(jié)每條路徑的衰減，衰減范圍為0～6 dB。時延以第一條路徑為基準(zhǔn)，其他三條路徑相對于第一條路徑的時延分別約為?1.5、?1.2 和?0.8 ns。每條路徑上都設(shè)置有獨(dú)立開關(guān)，分別為S1、S2、S3 和S4，獨(dú)立控制每條路徑的通斷。通過微帶線上開關(guān)的組合，可以獨(dú)立模擬一條路徑（L1、L2、L3 或L4）、兩條路徑（L1 和L2，L1 和L3，L1 和L4，L2 和L3，L2 和L4，L3 和L4）、三條路徑（L1、L2 和L3，L1、L2和L4，L2、L3 和L4）和四條路徑（L1、L2、L3 和L4）。通過可變電阻和開關(guān)的組合，開展無線通信實(shí)驗(yàn)時可隨意設(shè)置接入通信系統(tǒng)中的路徑及每條路徑的衰減，模擬真實(shí)的無線信道。

四條路徑的時延確定，不會隨著信號頻率的變化而變化，但是信號通過四條路徑的相位差隨著信號的頻率變化而變化，可通過改變頻率改變相位差。從輸入端經(jīng)過傳輸線到輸出端后，信號的相位計算公式為

其中 Φ： 為信號通過傳輸線后的相位，τ 為信號通過傳輸線后的延遲，T 為傳輸線上所傳輸信號的周期。

在無線通信實(shí)驗(yàn)中，多徑模塊一端直接連接到發(fā)射機(jī)PA 的輸出，一端連接LNA 的輸入。PA 的輸出阻抗和LNA 的輸入阻抗一般都是50 Ω，多徑模塊的端口阻抗設(shè)計為50 Ω，它們的端口匹配。為了簡單，多徑模塊中傳輸線的阻抗也設(shè)計為50 Ω，沒有刻意與自由空間的阻抗設(shè)計成相同，但這并不影響實(shí)際模擬結(jié)果。

3 多徑模塊測試結(jié)果

在對無線信道和傳輸線分析的基礎(chǔ)上，使用兩層PCB 板設(shè)計制作無線通信實(shí)驗(yàn)中的多徑模塊，如圖3所示。

兩個端口都采用SMA 頭，便于與PA 的輸出和LNA 的輸入連接，替換無線通信中的天線。在四條路徑的連接部分，采用了四根電纜各自結(jié)合兩個SMA 頭實(shí)現(xiàn)路徑的通斷，可以同時測量四路信號，便于觀察和開展無線通信多徑實(shí)驗(yàn)。多徑模塊長18 cm、寬8 cm、高2.5 cm，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，易于與其他通信模塊連接。

圖3 無線通信中的多徑模塊

將無線通信實(shí)驗(yàn)中的多徑模塊連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上，測試第一條路徑的相頻特性，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 多徑模塊的相頻特性

從圖4 可以看出，在850～1 150 MHz 的頻率范圍內(nèi)，相位在-180°到+180°的范圍內(nèi)呈現(xiàn)周期性特性，這是由于對信號相位在整個頻率范圍內(nèi)做了歸一化的結(jié)果。每個周期內(nèi)，相位與頻率成線性關(guān)系。

使用信號源產(chǎn)生1 GHz 的正弦波信號，通過第一條路徑和第二條路徑后，使用示波器觀察兩條路徑各自的輸出及其和信號，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 信號通過多徑模塊后的波形

在圖5 中從上往下，第一條曲線是正弦波信號通過第一條路徑后的波形，第二條曲線是正弦波信號通過第二條路徑后的波形，第三條曲線是兩條路徑的和信號?？梢钥闯觯盘柾ㄟ^兩條路徑后，在輸出端信號按矢量進(jìn)行疊加，幅度和相位均發(fā)生變化，這與用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的結(jié)果一致，也與信號在空間多徑傳播的特性一致。

4 結(jié)語

基于傳輸線理論模擬無線信道，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了基于傳輸線的無線通信多徑實(shí)驗(yàn)?zāi)K，既可以模擬多條信號傳輸路徑，也可以單獨(dú)調(diào)節(jié)每條路徑的衰減，并且可與無線通信系統(tǒng)射頻電路實(shí)現(xiàn)無縫連接，構(gòu)成一個完整的無線通信系統(tǒng)。該模塊電路結(jié)構(gòu)簡單，便于學(xué)生操作，實(shí)現(xiàn)成本低，易于在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室大面積使用，利于學(xué)生掌握多徑效應(yīng)的理論與實(shí)踐知識，滿足了高等院校在無線通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的需要。