1 引言

與有線傳輸主要通過各類電纜傳輸不同，移動通信或無線通信通過無線信道對信號進行傳輸。工程師在設計無線收發(fā)信機時不可避免地要考慮無線信道特性對收發(fā)信機性能的影響。信號經(jīng)過不同路徑到達接收機，這個過程稱為多徑傳輸。而不同路徑上的無線信道會產(chǎn)生不同的失真和畸變，總的來說，無線電波在傳輸過程中會經(jīng)過反射、散射、折射、衍射和吸收等不同的現(xiàn)象。其功率會因為3種效應而發(fā)生變化，即平均傳播損耗（路徑損耗）、慢衰落和快衰落。

除了功率變化之外，信號通過不同路徑后到達接收機的時延也是不同的。人們利用無線信道的沖激響應來描述發(fā)射機與接收機之間主要路徑的特征。使用抽頭延遲線對沖激響應建模是一種傳統(tǒng)的衰落信道仿真技術。在這些模型中，每個“抽頭”表示在相同時間到達的眾多多徑信號的矢量和，越晚到達接收機的信號具有更大的時延和路徑損耗?？砂堰@種描述稱為功率遲延分布（Power Delay Profile，PDP）。

圖1給出了一個信道模型的PDP，共有6條多徑。由于信道仿真器可以配置PDP和快衰落、慢衰落等，這種PDP模型可以用作信道仿真的基礎。

圖1 無線信道功率遲延分布

2 無線信道模擬器原理

信道仿真在軟件上很容易實現(xiàn)，但是實際的收發(fā)信機都是將基帶信號調(diào)制到射頻上，通過天線來發(fā)射和接收的，因此射頻信道仿真器對于信道模擬測試更為科學。

對于輸入的射頻信號，先經(jīng)過下變頻器將信號變?yōu)槟M信號，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在數(shù)字域上實現(xiàn)衰落模擬。再通過反變換即D/A轉(zhuǎn)換和上變頻回射頻信號，輸出給接收機。

對于單天線（SISO）的信道，上述仿真實現(xiàn)是比較直觀的。對于多發(fā)多收（MIMO）技術，則對信道仿真器提出了更高的要求。對多天線建模需要在天線之間具有適當相關性的衰落信道。多天線通常表示為M×N組合，其中M是發(fā)射機處的天線數(shù)量，N是接收機處的天線數(shù)量。典型的配置可以包括：2×2、4×4、4×1、1×4等。

圖2給出了2×2的例子，其中發(fā)射和接收天線元件之間總共存在4個連接。這些連接由h11、h21、h12和h22表示，每個代表基站和用戶之間的虛擬路徑。對于每個路徑，相對于歸一化的平均功率來測量增益和相位。這些項被組合在一起形成一個H矩陣。每個延遲路徑都有一個唯一的H矩陣。

圖2 2×2多天線配置

在現(xiàn)實的衰落環(huán)境中，發(fā)射機和接收機天線振子的信號是相關的，不是獨立的。廣泛的測量表明，相關性不是恒定的，而是在一個地理區(qū)域或行車路線上顯著不同。天線振子之間的相關性在數(shù)學上是與局部散射相關的，并且是信號的角度擴展（AS）、到達角（AoA）和用戶的行進方向（DoT）的函數(shù)。2×2天線系統(tǒng)的輸出矢量r可以用輸入矢量x來表示，天線之間的相關性可以用每個天線振子上觀測到的信號用ρtx來表示：

假定接收端也是全向天線，為了方便，常常用疊加矢量來表征相關性矩陣vec(H)=[h11h21h12h22]T，若R=E(vec(H)vec(H)H)，則：

典型地，使用相關矩陣來生成如圖2所示的相關信道路徑增益。相關矩陣可以作為信道模型的一部分給出，或者基于天線間隔、PAS、路徑AS和AOA的細節(jié)來計算。用于2×2多天線的多天線信道模型的相關矩陣可以寫成兩個單獨簡化相關矩陣的克羅內(nèi)克積：

對于典型的LTE測試，3GPPTS36.141給出的相關性系數(shù)如表1所示。將這些系數(shù)代入以上公式，可得到典型的高、中、低相關性矩陣。

表1 2×2相關性矩陣場景

3 信道仿真器的典型應用

一般的基站與移動終端的測試中，通常需要把終端放到射頻屏蔽箱內(nèi)以屏蔽掉空口的泄漏信號。對于某些技術，例如Wi-Fi測試，則需要把AP和終端分別放入屏蔽箱，以提供更好的隔離。在測試中，需要依據(jù)測試場景選擇不同的標準信道模型（見表2）。

表2 典型Wi-Fi信道模型列表

在信道仿真器中，同樣內(nèi)置了標準的信道模型，可供用戶調(diào)用，具體如圖3所示。經(jīng)過測量后的結果如圖4所示，可以看到經(jīng)過信道仿真器后的測量數(shù)據(jù)與仿真結果是比較接近的。

圖3 信道仿真器標準模型庫

圖4 測量結果與仿真對比

4 結束語

本文詳細介紹了信道仿真器原理并結合信道仿真器在移動通信測試中的典型應用測試信道仿真器的實際數(shù)據(jù)。通過上述測量結果與仿真結果的對比可看出，信道模擬器可以較好地模擬信道傳輸?shù)母鞣N傳播模型，復制實際的空中信道環(huán)境，在產(chǎn)品研發(fā)、測試及無線通信頻率規(guī)劃、電磁兼容等方面起著重要的作用。

參考文獻

[1]李萌,孫恩昌,張延華.無線信道模型研究與展望(一)[J].中國電子科學研究院學報,2012（04）:362-364.

[2]Spirent.Correlation-based spatial channel modeling[EB].Spirent White Paper,2015:100.

[3]張睿,周峰,郭隆慶.無線通信儀表與測試應用[M].北京:人民郵電出版社,2012:78.