基于传输线的无线信道多径实验模块

魏建军，刘乃安，黑永强，唐 军，韦 娟，幸新鹏

（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，而由自由空间构成的无线信道环境非常复杂，容易发生散射、衍射和反射等情况，导致无线信号从发送端到达接收端时存在多条信号路径。多条信号路径使传输信号受到符号间干扰，严重影响通信系统性能，增大了通信系统误码率。

随着无线通信技术的发展，对无线信道建立了大量的模型，有闭式模型、参数化模型、射线跟踪模型、基于几何统计的散射模型和相关矩阵模型等[1-3]。合理完善的无线信道模型可详细地描述复杂多变的无线电波传播机制，并且可以在理论分析和仿真工作中提供可用的性能参数和再现方式[4-5]。然而，由于无线信道的电波传播机制是复杂而又多变的，因此无线信道建模复杂度高，实现困难[6]。另外，采用软件模拟的方法时，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[7-8]。

无线通信系统验证及性能测试在通信系统研发中所占比重越来越大，为了缩短研制周期和降低研发风险，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成为当前通信系统测试设备的重要组成部分。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[9]。

1 无线信道中的多径传输和传输线

射频信号既可以在由自由空间构成的无线信道中传输，也可以在电路板上的传输线中传输，两者的传输特性存在很多相似之处。

1.1 无线信道中的多径传输

无线通信系统将经过调制的电磁波作为信息的载体，以辐射的形式传播出去，无线信道对信号的衰落在整体上会随着收发端之间距离的增大而増加。根据Friis 公式，距离发射端d 处的接收功率为

其中：Pt为发射功率，Pr(d)为接收功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，d 为发射端与接收端之间的距离，L 是与传播特性无关的系统损耗因子，λ 为波长[10]。

无线通信系统的收发机之间的传播环境非常复杂，在没有阻挡物的情况下会存在视距传播，而遭遇到各种复杂的地物或者有人的活动时，会同时存在多种形式的杂散波，出现多条信号路径。当信号到达接收端时，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都发生变化，各信号按各自不同相位叠加，称之为多径效应。多径效应是无线信道中信号产生失真的主要原因，主要存在两种特性：一种是接收信号在幅度上的衰减，另一种是信号在信道上传输产生的时延扩展。图1 显示了发射端与接收端之间的两路信道模型。

图1 两路信道示意图

图1 中接收端到发射端的直线距离为d，电磁波按照1/d3的规律衰减，则在接收端接收到的信号为

其中：f 为所传输信号的频率，c 为光速，l1和l2分别为两段路径的距离[11]。

由自由空间构成的无线信道的阻抗是一常数，其量纲与电阻相同，都为Ω，其数值等于真空磁导率和光速的乘积，约为377 Ω。

1.2 微带传输线

传输线是由无穷小段的导线级联构成的分布参数电路，处理信号的波长与电路中器件的尺寸相当，常用的是同轴线和微带线。微带线是射频PCB 电路中常用的传输系统，用于有源器件、无源器件相互之间的连接。微带线由导体带、介质材料和底板三部分构成，其特征阻抗为[12]

其中：w 为微带线的宽度，h 为微带线的高度，eε 为有效介电常数，可以表示为

εr为给定介质材料的介电常数。

从式（3）可以看出，当在PCB 板上使用微带线传输信号时，其特征阻抗只与介质材料的介电常数、微带线的宽度和厚度有关，与信号的传输距离无关。

无线信道与传输线的特性极其相似。首先，两者阻抗恒定不变，都与传输距离无关，且量纲相同；其次，无线信道根据环境的变化可以有任意条路径，而传输线也可以设计成任意多条；再次，随着距离的变化，在两者中传播的信号相位都呈现周期性变化。最后，在频率确定的情况下，信号传播的延迟与距离呈线性关系。

2 多径模块设计

无线信道与传输线的阻抗都恒定不变，路径的数目可任意变化，传输信号的相位随着距离呈现周期性变化，且延迟与距离呈线性关系。唯一不同的是信号在无线信道中传输时，能量随着距离的增加急剧衰减，而采用传输线传输时，能量衰减只与介质的特性有关，衰减很小，短距离时几乎可以忽略不计。而这一点完全可以在传输线中增加可调衰减器予以近似。

根据以上分析，基于传输线理论，设计了无线信道多径实验模块，如图2 所示。

图2 无线通信中的多径模块电路图

整个电路采用无源器件设计，共设计了四条路径，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，阻抗都为50 Ω，可以分别与发射机射频端和接收机射频端直接连接，并且可以互换。电路中的器件之间的连线采用微波电路中的传输线，电阻R1—R6 起匹配的作用。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，分别为R7、R8、R9 和R10，通过调节可变电阻从而独立调节每条路径的衰减，衰减范围为0～6 dB。时延以第一条路径为基准，其他三条路径相对于第一条路径的时延分别约为−1.5、−1.2 和−0.8 ns。每条路径上都设置有独立开关，分别为S1、S2、S3 和S4，独立控制每条路径的通断。通过微带线上开关的组合，可以独立模拟一条路径（L1、L2、L3 或L4）、两条路径（L1 和L2，L1 和L3，L1 和L4，L2 和L3，L2 和L4，L3 和L4）、三条路径（L1、L2 和L3，L1、L2和L4，L2、L3 和L4）和四条路径（L1、L2、L3 和L4）。通过可变电阻和开关的组合，开展无线通信实验时可随意设置接入通信系统中的路径及每条路径的衰减，模拟真实的无线信道。

四条路径的时延确定，不会随着信号频率的变化而变化，但是信号通过四条路径的相位差随着信号的频率变化而变化，可通过改变频率改变相位差。从输入端经过传输线到输出端后，信号的相位计算公式为

其中 Φ： 为信号通过传输线后的相位，τ 为信号通过传输线后的延迟，T 为传输线上所传输信号的周期。

在无线通信实验中，多径模块一端直接连接到发射机PA 的输出，一端连接LNA 的输入。PA 的输出阻抗和LNA 的输入阻抗一般都是50 Ω，多径模块的端口阻抗设计为50 Ω，它们的端口匹配。为了简单，多径模块中传输线的阻抗也设计为50 Ω，没有刻意与自由空间的阻抗设计成相同，但这并不影响实际模拟结果。

3 多径模块测试结果

在对无线信道和传输线分析的基础上，使用两层PCB 板设计制作无线通信实验中的多径模块，如图3所示。

两个端口都采用SMA 头，便于与PA 的输出和LNA 的输入连接，替换无线通信中的天线。在四条路径的连接部分，采用了四根电缆各自结合两个SMA 头实现路径的通断，可以同时测量四路信号，便于观察和开展无线通信多径实验。多径模块长18 cm、宽8 cm、高2.5 cm，结构简单，使用方便，易于与其他通信模块连接。

图3 无线通信中的多径模块

将无线通信实验中的多径模块连接到矢量网络分析仪上，测试第一条路径的相频特性，结果如图4 所示。

图4 多径模块的相频特性

从图4 可以看出，在850～1 150 MHz 的频率范围内，相位在-180°到+180°的范围内呈现周期性特性，这是由于对信号相位在整个频率范围内做了归一化的结果。每个周期内，相位与频率成线性关系。

使用信号源产生1 GHz 的正弦波信号，通过第一条路径和第二条路径后，使用示波器观察两条路径各自的输出及其和信号，结果如图5 所示。

图5 信号通过多径模块后的波形

在图5 中从上往下，第一条曲线是正弦波信号通过第一条路径后的波形，第二条曲线是正弦波信号通过第二条路径后的波形，第三条曲线是两条路径的和信号。可以看出，信号通过两条路径后，在输出端信号按矢量进行叠加，幅度和相位均发生变化，这与用矢量网络分析仪测量的结果一致，也与信号在空间多径传播的特性一致。

4 结语

基于传输线理论模拟无线信道，设计实现了基于传输线的无线通信多径实验模块，既可以模拟多条信号传输路径，也可以单独调节每条路径的衰减，并且可与无线通信系统射频电路实现无缝连接，构成一个完整的无线通信系统。该模块电路结构简单，便于学生操作，实现成本低，易于在教学实验室大面积使用，利于学生掌握多径效应的理论与实践知识，满足了高等院校在无线通信技术实验教学方面的需要。