无线通信中的多径效应实验

魏建军，刘乃安，黑永强，唐 军，幸新鹏，韦 娟

（西安电子科技大学 通信工程学院，陕西 西安 710071）

无线通信利用电磁波在自由空间中传播的特性实现信息交换，虽然由自由空间构成的无线信道客观存在，但是却看不见摸不着，对无线信道的理解造成很大困难。在电磁波传输过程中，如果碰到树木、建筑或其他障碍物，则发生反射、折射或透射，如此往复，电磁波到达接收端时呈现多条传输路径[1-3]。在接收机射频前端时，对多条路径的信号进行矢量叠加。多条路径的传输延时不同，接收端接收到的信号电平和相位也变化，各信号按各自不同相位叠加，出现多径效应。多径效应造成信号的时间色散和频率选择性衰落，引起传输的信号产生失真，增加了无线通信系统的误码率[4-7]。

多径效应对无线通信产生重要影响，是无线通信的一个重要内容。但是无线通信距离远，又由于无线信道不可直接观察的特点，开展多径效应实验难度较大。为了在实验室研究多径效应对无线通信系统性能的影响，国内外采用了多种方式，主要有2 种：一种是基于仿真的方法，根据已掌握的无线信道理论知识，使用Matlab、LabView 或SystemView 等工具建立无线信道模型，将其应用到无线通信系统中，检测无线通信系统的性能及其影响。然而模型很难准确地描绘所有的现实条件，也难以获悉采用某种模型的可行性。在仿真设计中采用的都是模型，理解仅停留在模型表面，缺乏对实际情形的认识[8-9]。采用仿真模拟的方法时，由于无线通信采用的载波频率高，无法与软件实现的信道模型进行有效连接，此时其他通信模块也只能采用软件模拟的方法[10-11]。

另一种方法是采用信道模拟器的方法，国内外学者对移动通信和卫星通信等场景下的无线信道特性及模型进行了大量研究，已有商用无线信道模拟器可以与无线通信系统直接相连，检测多径效应对无线通信系统性能的影响。但该类设备体积庞大、结构复杂、价格昂贵，目前只见于少量科研院所，无法普及到高等院校专业教学实验室[12]。

电磁波在传输线中的传输特性与无线信道中传输有某些相通之处，两者阻抗恒定不变，都与传输距离无关，路径数目可有多条，传播的延迟都与距离成线性关系。基于这些特点，本文使用硬件模块构造无线信道，模拟无线通信中的多条传输路径，解决无线信道距离过大的问题，开展多径效应实验，检测多径效应对无线通信系统的性能影响。

1 无线通信多径模块

无线信道与传输线的阻抗恒定不变，路径的数目可任意变化，传输电磁波信号的相位随着距离呈现周期性变化，且延迟都与距离成线性关系[13-15]。电磁波在无线信道中传输时，能量衰减与距离为指数关系，而在传输线中传输时，能量衰减与介质的特性有关，衰减很小，短距离时几乎可以忽略不计。在传输线中增加可调衰减器，根据传输距离调节衰减量，近似长距离传输时的路径损耗。无线信道多径实验模块如图1所示。

图1 无线通信中的多径模块电路图

无线通信多径模块共有4 条路径，每条路径的长度不同，使得通过信号的延迟不同。多径模块左右各有一个端口，可以分别与发射机射频端和接收机射频端直接连接。为了模拟无线信道中信号的衰减，在每条路径上都增加了一个可变电阻，通过调节可变电阻从而独立调节每条路径的衰减。每条路径上都设置有开关，独立控制每条路径的通断。通过传输线上开关的组合，可以独立模拟1 条路径、2 条路径、3 条路径和4 条路径。通过可变电阻和开关的组合，开展多径效应实验时可随意设置接入无线信道中的路径及每条路径的衰减，模拟实际的多径效应。

无线通信多径模块既可单独使用，也可进行并联和串联组合，实现任意路径的通信路径，检测多径效应的影响，如图2 所示。

图2 组合的无线通信多径模块

无线通信多径实验模块经过组合以后，可以构成复杂的无线信道，与无线通信系统中的发射机射频和接收机射频直接连接在一起，模拟无线信道的特性，开展多径效应实验，测量不同信道路径下无线通信系统的性能。

2 多径效应实验

信号在无线信道中传输时存在多径效应，影响无线通信的性能。将多径模块连接到无线通信系统中，进行实际通信实验，确定多径效应的影响。

2.1 无线通信系统的结构

一个完整的无线通信系统包括发射机基带、发射机射频前端、发射天线、接收天线、接收机射频前端、接收机基带。无线通信中的多径效应实验使用无线通信多径模块模拟无线信道，检测多径效应对无线通信系统性能的影响，无线信号在多径模块中传输，不需要发射天线和接收天线，所采用的无线通信系统如图3所示。

图3 无线通信系统结构

发射机基带包括信道编码和基带调制，实现信号的基带处理。发射机射频将信号从低频变换到射频，实现信号的发射。无线通信多径实验模块模拟无线信道，基本模块提供4 条可选路径，每条路径可独立调节衰减。实验时可在4 条路径中任意选择1 条路径、2条路径、3 条路径或4 条路径，构成无线通信所使用的信道。也可使用多径模块进行并联和串联组合，实现任意路径的通信路径。信号通过多径模块到达接收机射频，接收机射频对信号进行放大和下变频，然后将信号传输给接收机基带。接收机基带包括基带解调和信道译码，对接收到的信号进行处理，恢复出所传输的信号。

2.2 信道路径设置

无线通信中的多径效应实验分为2 个部分：第1部分设置多径模块，包括路径的数目和每条路径的衰减；第2 部分为测量无线通信系统的性能，检测多径效应对无线通信系统性能的影响。

信号在空间传播时，随着距离的增加，急剧衰减。为了真实模拟信号的衰减，需要调节无线通信多径实验模块上的可变电阻。首先根据每条路径的传输距离，计算信号的衰减量，然后将无线通信多径实验模块连接到网络分析仪上，利用网络分析仪测量的正向传输系数结果，调节无线通信多径实验模块每条路径上的电阻值，改变每条路径的衰减，使得路径的衰减值与计算值保持一致，路径衰减的调节如图4 所示。

图4 无线通信多径模块的路径调节

信号的路径不同，每条传输路径的距离不一样，接收端在不同时间段接收到同一信号，造成相对于输入信号的时延扩展，最大时延扩展的倒数为相干带宽。设置不同的路径组合，可得到不同的相干带宽。

2.3 无线通信系统的性能测量

评价多径效应对无线通信系统性能的影响，主要包括有效性和健壮性2 个方面，有效性表现为数据速率，健壮性表现为误码率。使用误码仪测量整个无线通信系统的性能，设置不同的数据速率进行测量，无线通信系统的测量结构如图5 所示。

图5 无线通信系统测量结构

测量时误码仪利用自带的随机数发生器，根据设置产生连续的随机数，按照设置的速率发送给发射机基带，发射机基带完成编码和调制，处理完成后发送给发射机射频，发射机射频将基带数据上变频到射频端，发送给无线通信多径实验模块。射频信号在无线通信多径实验模块经过衰减和多条传输路径后，陆续到达输出端进行矢量叠加，然后将叠加后的射频信号发送给接收机射频。接收机射频对接收到的射频信号进行放大和下变频，随后发送给接收机基带，完成解调和解码，并恢复出基带数据，最后送回给误码仪的接收端。误码仪将接收到的数据与发送的数据进行比较，计算出误码率。

将多通道高采样率示波器连接到无线通信多径模块的路径开关处，可以观察信号经过不同路径后的时域波形，比较不同通道之间信号的衰减和延迟。

数据传输的速率确定了传输信号的带宽，无线通信多径模块中不同的路径，确定了路径的最大延迟时间和与之相对应的相干带宽。改变误码仪输出数据的速率或者无线通信多径模块中的路径，使得信号带宽和相干带宽之间的关系不同，测量不同关系下无线通信系统的误码率。对所测量的结果进行归纳总结，分析多径效应对无线通信的影响。

3 结束语

利用基于传输线的无线通信多径模块硬件模块构建无线信道，模拟无线通信中的多径效应。通过无线通信多径模块的并联和串联组合，可以实现任意条信号路径，获得不同的最大时延扩展，进而得到相干带宽。通过设置误码率的数据速率，获得信号带宽。在实验中改变相干带宽和信号带宽的关系，可以获得不同情况下多径效应对无线通信系统的影响。