Згасання бездротового каналу– це зміна амплітуди, фази або потужності прийнятого сигналу, спричинена змінами на шляху поширення. Це може зменшити запас ланки каналу, спотворити широкосмугові сигнали та ускладнити відтворення радіочастотних вимірювань. Розуміння типу згасання, присутнього в системі, допомагає інженерам вибрати відповідні антени, методи випробувань та методи зменшення впливу.
У цьому посібнику пояснюються масштабні та дрібномасштабні згасання, плоскі та частотно-селективні канали, повільні та швидкі згасання, а також найпоширеніші статистичні моделі каналів. Також показано, як діаграма спрямованості антени, поляризація та геометрія тесту впливають на практичні вимірювання згасань.
Що таке згасання бездротового каналу?
Радіосигнал рідко досягає приймача лише одним ідеальним шляхом. Будівлі, місцевість, транспортні засоби, обладнання та інші об'єкти можуть блокувати, відбивати, дифрактувати або розсіювати електромагнітні хвилі. Тому кілька копій одного й того ж сигналу можуть надходити з різними затримками, амплітудами, фазами та кутами приходу. Їх комбінація може бути конструктивною в одному місці або на одній частоті та руйнівною в іншій.
Згасання відрізняється від детермінованих втрат на шляху сигналу у вільному просторі. Втрати на шляху сигналу описують загальне зниження потужності зі збільшенням відстані та частоти, тоді як згасання описує додаткові коливання навколо цього середнього значення. Інженери зазвичай класифікують згасання за двома незалежними осями: просторовий масштаб та вибірковість каналу.
Рисунок 1.Повільні та швидкі зміни рівня прийнятого сигналу ілюструють різні масштаби часу згасання або відстані.
Як класифікується бездротове згасання
Масштабне згасанняописує поступові зміни на відносно великих відстанях, головним чином через варіації втрат траєкторії та затінення.Дрібномасштабне згасанняописує швидкі зміни на коротких відстанях або коротких інтервалах часу, спричинені багатопроменевим поширенням та рухом.
Дрібномасштабні згасання можна класифікувати за розкидом затримки як плоскі або частотно-селективні, а за доплерівським розкидом як повільні або швидкі. Це окремі класифікації: канал може бути плоским і швидким, плоским і повільним, частотно-селективним і швидким або частотно-селективним і повільним.
Масштабне згасання: втрата сигналу та затінення
Тенденція втрати шляхів
Втрати на трасі сигналу – це середнє зменшення потужності сигналу з відстанню поширення. У вільному просторі без перешкод втрати залежать від довжини хвилі та відстані. У реальних умовах додаються залежності від рельєфу місцевості, перешкод, атмосферних впливів та висоти антени, тому практичні бюджети каналів зазвичай використовують модель поширення, що відповідає сценарію розгортання.
Згасання тіні
Затінення виникає, коли великі об'єкти частково або повністю перешкоджають прямому шляху поширення. Будівлі, пагорби, машини та кузова транспортних засобів можуть створювати відносно повільні зміни рівня прийому, коли змінюється передавач, приймач або навколишнє середовище. Затінення часто представлено статистично навколо локальних середніх втрат на трасі.
Дрібномасштабне загасання: багатопроменеве поширення та рух
Плоске згасання проти частотно-селективного згасання
Канал приблизноплоске затуханняколи його смуга пропускання когерентності ширша за зайняту смугу пропускання сигналу. Тоді канал змінює амплітуду та фазу сигналу без суттєвої зміни форми свого спектру.
Канал стаєчастотно-селективнийколи смуга пропускання сигналу більша порівняно зі смугою пропускання когерентності. Різні спектральні компоненти мають різне посилення та фазу. Основною причиною є роздільний розкид затримки багатопроменевого поширення, який може створювати міжсимвольні перешкоди в цифрових каналах зв'язку.
Повільне згасання проти швидкого згасання
Повільне згасанняозначає, що канал мало змінюється протягом відповідного інтервалу сигналізації.Швидке згасанняозначає, що канал значно змінюється протягом цього інтервалу. Відносний рух між передавачем, приймачем та навколишніми розсіювачами призводить до доплерівських зсувів та скорочує час когерентності каналу.
| Класифікація | Ключове порівняння | Типовий ефект |
|---|---|---|
| Плоске вицвітання | Ширина смуги пропускання сигналу менша за ширину смуги когерентності | Широкі амплітудні та фазові коливання по всьому сигналу |
| Частотний вибір | Ширина смуги пропускання сигналу більша, ніж ширина смуги пропускання когерентності | Спектральне спотворення та можлива міжсимвольна інтерференція |
| Повільне згасання | Час когерентності довгий порівняно з інтервалом сигналізації | Поступова зміна на рівні посилань |
| Швидке згасання | Час когерентності короткий порівняно з інтервалом сигналізації | Швидка зміна та порушення, пов'язані з доплерівським ефектом |
Поширені статистичні моделі згасання
- Релеївське згасання:зазвичай використовується, коли немає жодної домінантної складової лінії видимості, а прийнятий сигнал формується багатьма розсіяними складовими.
- Згасання Райсіана:включає домінантний компонент разом із розсіяними багатопроменевими компонентами. K-фактор Райса виражає співвідношення потужності між домінантним та дифузним компонентами.
- Згасання Накагамі:гнучкий емпіричний розподіл, який може представляти діапазон ступенів згасання через свій параметр форми.
- Згасання Вейбулла:інший адаптивний статистичний розподіл, що використовується для вибраних вимірюваних середовищ поширення.
Вибір моделі має ґрунтуватися на фактичному середовищі, частоті, мобільності, конфігурації антени та даних вимірювань. Сучасні робочі процеси MATLAB використовують такі об'єкти, якcomm.RayleighChannelіcomm.RicianChannelа не застарілі функції, згадані в попередній версії цієї статті.
Рисунок 3.Статистичні розподіли обвідної забезпечують компактні моделі для виміряної поведінки згасань.
Як затухання впливає на продуктивність радіочастотної системи
Згасання сигналу може зменшити потужність приймача, знизити співвідношення сигнал/шум, збільшити коефіцієнт помилок та перервати радіозв'язок. Частотно-селективне згасання також може спотворювати широкосмугові форми хвиль, тоді як швидка доплерівська зміна може ускладнити оцінку каналу.
Поширені методи пом'якшення включають:
- достатній запас ланки та автоматичне регулювання посилення;
- часове, частотне, просторове або поляризаційне рознесення;
- вирівнювання та проектування багатоканальних сигналів;
- канальне кодування, перемежування та адаптивна модуляція;
- MIMO-обробка та керування променем;
- ретельне розміщення антени, вибір діаграми спрямованості та контроль поляризації.
Жоден окремий метод не усуває всі механізми згасання. Правильний підхід залежить від статистики каналу, зайнятої пропускної здатності, мобільності, вимог до покриття та прийнятної ймовірності збоїв.
Рисунок 4.Виміряні дані повинні визначати, чи є статистичний розподіл доречним для конкретного каналу.
Вибір антени для зондування каналу та тестів на завмирання
Антена сама по собі не створює канал поширення, але вона суттєво впливає на те, які шляхи та поляризації передаються або приймаються. Коефіцієнт підсилення, ширина променя, діаграма випромінювання, чистота поляризації, фазова стабільність та геометрія монтажу можуть впливати на вимірювану поведінку каналу.
Для повторюваних вимірювань каналу або завмирання задокументуйте:
- повний діапазон частот та миттєва смуга пропускання вимірювання;
- коефіцієнт посилення антени та ширина променя залежно від частоти;
- вимоги до лінійної, подвійної лінійної або кругової поляризації;
- висота антени, орієнтація, відстань між ними та навколишні споруди;
- РЧ-роз'єм, втрати в кабелі та калібрувальна опорна площина;
- рух передавача, приймача та розсіювача;
- розкид затримки, доплерівський розкид та необхідний динамічний діапазон.
Варіанти радіочастотної MISO-антени
RF MISO проектує та постачає радіочастотні та мікрохвильові антени для лабораторних, польових робіт та системної інтеграції. Залежно від необхідного покриття та геометрії вимірювань, інженери можуть розглянутиширокосмугові рупорні антенидля спрямованих широкосмугових вимірювань,логарифмічно-періодичних антендля широкого частотного охоплення, абовсеспрямовані антенидля вибраних досліджень покриття та поширення.
Перегляньте поточний опис моделі щодо діапазону частот, коефіцієнта посилення, поляризації, КСХН, роз'єму та механічних розмірів. Для вибору відповідно до застосування, повідомте команді RF MISO інформацію про тестовий діапазон, ширину смуги пропускання, необхідну діаграму спрямованості, поляризацію, обмеження монтажу та умови вимірювання.
Обговоріть ваші вимоги до вимірювання радіочастотних хвиль
RF MISO може допомогти визначити варіанти антен для зондування каналів, досліджень поширення, оцінки бездротових систем та пов'язаних з ними радіочастотних вимірювань.
Список літератури та додаткова література
Час публікації: 14 серпня 2023 р.
