Затухание беспроводного каналаЗамирание сигнала — это изменение амплитуды, фазы или мощности принимаемого сигнала, вызванное изменениями в пути распространения. Оно может уменьшить запас по сигналу, исказить широкополосные сигналы и затруднить воспроизведение радиочастотных измерений. Понимание типа замирания, присутствующего в системе, помогает инженерам выбирать подходящие антенны, методы тестирования и способы снижения замираний.
В этом руководстве рассматриваются крупномасштабные и мелкомасштабные замирания, плоские и частотно-избирательные каналы, медленные и быстрые замирания, а также наиболее распространенные статистические модели каналов. В нем также показано, как диаграмма направленности антенны, поляризация и геометрия тестирования влияют на практические измерения замираний.
Что такое затухание сигнала в беспроводном канале?
Радиосигнал редко достигает приемника только по одному идеальному пути. Здания, рельеф местности, транспортные средства, оборудование и другие объекты могут блокировать, отражать, дифрагировать или рассеивать электромагнитные волны. Поэтому несколько копий одного и того же сигнала могут приходить с разными задержками, амплитудами, фазами и углами прихода. Их комбинация может быть конструктивной в одном месте или на одной частоте и деструктивной в другом.
Замирание сигнала отличается от детерминированных потерь на трассе распространения в свободном пространстве. Потери на трассе распространения описывают общее снижение мощности по мере увеличения расстояния и частоты, тогда как замирание сигнала описывает дополнительные колебания вокруг этого среднего значения. Инженеры обычно классифицируют замирание сигнала по двум независимым осям: пространственный масштаб и избирательность канала.
Рисунок 1.Медленные и быстрые изменения уровня принимаемого сигнала иллюстрируют различные масштабы времени или расстояния затухания.
Как классифицируется затухание сигнала в беспроводной связи
Масштабное затуханиеописывает постепенные изменения на относительно больших расстояниях, главным образом из-за колебаний потерь на трассе распространения сигнала и затенения.Мелкомасштабное затуханиеописывает быстрые изменения на коротких расстояниях или за короткие промежутки времени, вызванные многолучевым распространением и движением.
Замирания в малых масштабах можно классифицировать по разнице задержек как плоские или частотно-избирательные, а по разнице Доплера как медленные или быстрые. Это отдельные классификации: канал может быть плоским и быстрым, плоским и медленным, частотно-избирательным и быстрым или частотно-избирательным и медленным.
Масштабное затухание: потери сигнала и затенение
тренд потерь сигнала
Потери на трассе распространения сигнала — это среднее уменьшение принимаемой мощности с увеличением расстояния распространения. В свободном пространстве без препятствий потери зависят от длины волны и расстояния. В реальных условиях добавляются рельеф местности, помехи, атмосферные эффекты и зависимость от высоты антенны, поэтому при расчете энергетического баланса канала связи обычно используется модель распространения, соответствующая сценарию развертывания.
Затухание тени
Эффект затенения возникает, когда крупные объекты частично или полностью преграждают прямой путь распространения сигнала. Здания, холмы, механизмы и кузова транспортных средств могут вызывать относительно медленные изменения уровня принимаемого сигнала по мере изменения передатчика, приемника или окружающей среды. Затухание сигнала в тени часто статистически описывается вокруг локального среднего уровня потерь на трассе распространения.
Затухание сигнала в малом масштабе: многолучевое распространение и движение
Плоское затухание против частотно-избирательного затухания
Канал приблизительноплоское затуханиеКогда полоса когерентности канала шире, чем занимаемая полоса сигнала, канал изменяет амплитуду и фазу сигнала, не внося существенных изменений в свой спектр.
Канал становитсячастотно-избирательныйКогда полоса пропускания сигнала велика по сравнению с полосой когерентности, различные спектральные компоненты испытывают различное усиление и фазу. Основная причина — разрешаемая задержка распространения сигнала, которая может создавать межсимвольные помехи в цифровых каналах связи.
Медленное затухание против быстрого затухания
Медленное затуханиеЭто означает, что канал практически не меняется в течение соответствующего сигнального интервала.Быстрое затуханиеЭто означает, что канал значительно изменяется за этот интервал времени. Относительное движение между передатчиком, приемником и окружающими рассеивателями вызывает доплеровские сдвиги и сокращает время когерентности канала.
| Классификация | Ключевое сравнение | Типичный эффект |
|---|---|---|
| Плоское затухание | Полоса пропускания сигнала меньше полосы пропускания когерентности. | Широкие амплитудные и фазовые вариации по всему сигналу. |
| Частотно-избирательный | Полоса пропускания сигнала больше, чем полоса когерентности. | Спектральные искажения и возможные межсимвольные помехи |
| Медленное затухание | Время когерентности велико по сравнению с интервалом передачи сигнала. | Постепенное изменение на уровне связей |
| Быстрое затухание | Время когерентности короткое по сравнению с интервалом передачи сигнала. | Быстрые вариации и нарушения, связанные с эффектом Допплера |
Распространенные статистические модели затухания
- Затухание Рэлея:Обычно используется в случаях, когда отсутствует какой-либо доминирующий компонент прямой видимости, и принимаемый сигнал формируется множеством рассеянных компонентов.
- Рисианское затухание:Включает в себя доминирующий компонент вместе с рассеянными многолучевыми компонентами. Рисовский K-фактор выражает отношение мощности между доминирующим и рассеянным компонентами.
- Накагами исчезает:Гибкое эмпирическое распределение, которое может представлять диапазон степени затухания посредством своего параметра формы.
- Эффект Вейбулла:еще одно адаптируемое статистическое распределение, используемое для выбранных измеренных условий распространения.
Выбор модели должен основываться на реальных условиях, частоте, подвижности, конфигурации антенны и данных измерений. В современных рабочих процессах MATLAB используются такие объекты, как...comm.RayleighChannelиcomm.RicianChannelа не устаревшие функции, упомянутые в предыдущей версии этой статьи.
Рисунок 3.Статистические распределения огибающей позволяют создавать компактные модели для описания измеренного поведения затухания.
Как замирание сигнала влияет на производительность радиочастотной системы
Замирание сигнала может снижать мощность принимаемого сигнала, уменьшать отношение сигнал/шум, увеличивать частоту ошибок и прерывать радиосвязь. Частотно-избирательное замирание также может искажать широкополосные сигналы, а быстрое изменение эффекта Доплера может затруднить оценку канала.
К распространенным методам смягчения последствий относятся:
- достаточный запас прочности канала связи и автоматическая регулировка усиления;
- временное, частотное, пространственное или поляризационное разнообразие;
- Выравнивание и проектирование многонесущих сигналов;
- канальное кодирование, чередование и адаптивная модуляция;
- Обработка MIMO и управление лучом;
- тщательное размещение антенны, выбор диаграммы направленности и контроль поляризации.
Ни один метод сам по себе не исключает все механизмы замирания сигнала. Правильный подход зависит от статистики канала, занимаемой полосы пропускания, мобильности, требований к покрытию и допустимой вероятности сбоя.
Рисунок 4.Измеренные данные должны определить, подходит ли данное статистическое распределение для конкретного канала.
Выбор антенны для проверки звучания канала и замирания сигнала.
Антенна сама по себе не создает канал распространения, но она сильно влияет на то, какие пути и поляризации передаются или принимаются. Коэффициент усиления, ширина луча, диаграмма направленности, чистота поляризации, фазовая стабильность и геометрия крепления — все это может влиять на измеренные характеристики канала.
Для получения воспроизводимых результатов измерений каналов или замираний сигнала необходимо задокументировать следующее:
- полный частотный диапазон и мгновенная полоса пропускания измерений;
- Коэффициент усиления антенны и ширина луча в зависимости от частоты;
- Требования к линейной, двухлинейной или круговой поляризации;
- высота антенны, ее ориентация, расстояние между ними и окружающие конструкции;
- ПЗС-разъем, потери в кабеле и калибровочная опорная плоскость;
- движение передатчика, приемника и рассеивателя;
- Задержка распространения, доплеровское распространение и требуемый динамический диапазон.
Варианты антенн RF MISO
Компания RF MISO проектирует и поставляет радиочастотные и микроволновые антенны для лабораторных, полевых работ и системной интеграции. В зависимости от требуемого охвата и геометрии измерений инженеры могут рассмотреть следующие варианты:широкополосные рупорные антенныдля направленных широкополосных измерений,логопериодические антенныдля широкого частотного диапазона, иливсенаправленные антенныдля отдельных исследований покрытия и распространения.
Ознакомьтесь с техническими характеристиками текущей модели, чтобы узнать диапазон частот, коэффициент усиления, поляризацию, КСВН, разъем и механические размеры. Для выбора модели, соответствующей конкретному применению, сообщите группе специалистов по радиочастотным модулям MISO диапазон тестирования, полосу пропускания, требуемую диаграмму направленности, поляризацию, ограничения по монтажу и условия измерения.
Обсудите ваши требования к измерениям радиочастотного сигнала.
Метод RF MISO может помочь в выборе антенн для зондирования каналов, исследований распространения радиоволн, оценки беспроводных систем и связанных с этим радиочастотных измерений.
Изучите возможности тестирования антенн.|Свяжитесь с RF MISO
Список литературы и дополнительные материалы
Дата публикации: 14 августа 2023 г.
