无线通信中信号衰落的影响因素和测试解决方案

你是否遇到过这样的场景：明明手机信号满格，视频却卡成PPT？Wi-Fi路由器近在只尺，网速却堪比蜗牛？

这些令人抓狂的体验背后有一个共同的“罪魁祸首”——衰落，它就像无线通信路上的绊脚石，让信号在传输过程中“迷路”“摔跤”，甚至“粉身碎骨”。

今天，我们就来揭开衰落的神秘面纱，看看它是如何让我们的通信变得“不靠谱”的？

PART-01 衰落的定义

多径效应是几乎所有类型接收机面临的主要问题。一般来说，这些是经过不同时间延迟的反射和散射信号，它们在原始传输信号到达后再到达接收机。

每个多径信号都包含一系列与原始信号不同的失真组合——包括时延、相移、幅度变化和多普勒频移。当这些多径信号与直射信号（LOS，视距信号）以建设性或破坏性方式叠加时，接收端会表现出称为衰落（或多径衰落）的现象。

图1展示了一个简单的多径场景：汽车内的接收机接收到三个信号——直射信号、来自建筑物的反射信号以及来自路标的散射信号。实际中，影响衰落的主要因素包括：反射、衍射、散射、多普勒频移（由移动物体引起）、阴影衰落、吸收和折射。以下逐一分析这些因素。

图1：接收机看到的信号包括原始直射信号、反射信号和散射信号，这些信号之间的相互作用导致了衰减的发生。如果汽车正在移动，信号还会受到多普勒效应的影响，导致信号频率的变化。这种变化会进一步影响信号的衰减和接收机的性能。

01 反射

无线电波在空气中传播时，部分信号会从发射端到接收端路径上的高密度物体表面反弹（见图1）。这种现象在时域和频域中均表现出复杂性，涉及不同路径长度导致的时延、反射引起的相位变化（如相位反转）等。在数字调制系统中，由此产生的时序误差会导致码间干扰（ISI），其作用类似于噪声，从而降低通信可靠性。

02 衍射

尽管直觉上不明显，但射频信号在遇到障碍物（如墙壁或拐角）或开口时会发生弯曲。这种现象可以用菲涅尔的理论来解释，即波前上的每一点都可以被视为一个新的波的源点（图2）。通过公式可基于距离和波长预测并建模这种行为：

Δ∅：两束波的相位差

图2：当波前穿过橙色墙体时，产生的衍射现象可能导致接收端出现额外的衰落效应。

03 散射

当无线电波遇到粗糙表面时，会像台球母球撞击一组子球那样，向多个随机方向扩散或"散射"。那么表面需要多"粗糙"才会引发散射呢？对于射频信号的波长而言，几乎所有物体都会造成一定程度的散射：路灯、道路标志牌、树叶、茂密的灌木丛等等。其最终效应是增加了多径反射信号到达接收机的可能性。

04 多普勒频移

如果您曾遇到过鸣笛的急救车辆从身边驶过，您会感受到相对速度引起的频率升高和降低——这就是多普勒频移（图3）。类似现象也发生在射频信号的直射和反射过程中，无论移动物体是发射端、接收端还是传输路径上的其他物体。

图3：对于两名静止的观察者而言，由于消防车的相对运动，他们听到的警笛声频率会呈现降低（观察者B）或升高（观察者A）的现象。

05 阴影衰落

在发射机到接收机的路径上，建筑物或山丘等大型静止物体会投射出一个射频阴影，遮蔽主信号。阴影衰减会导致接收功率的随机变化，这种现象可以使用平均值为零的高斯分布或钟形曲线来建模（图4），以描述接收功率的变化规律。

图4：阴影衰落可视为路灯、标识牌、树木等物体散射射频能量所产生的次级效应。由此导致的路径损耗会随收发信机之间距离的对数值而变化。

06 折射

如同光线穿过棱镜或透镜，某些材料会使入射射频信号在从一种介质进入另一种介质（如空气到玻璃、空气到水）时改变方向。完整的衰落模型需考虑此类效应。

07 吸收

在传输路径中，水（如雨、雪）和其他材料会吸收射频能量，从而衰减所有接收信号——包括原始信号、反射信号、衍射信号、散射信号、阴影信号或折射信号。这种效应在11 GHz以上频段（卫星通信中使用的Ku波段起始频率）尤为显著。

PART-02 衰落场景测试

当信号在无线通信道路上遭遇反射、衍射、散射等“绊脚石”时，接收机的性能可能瞬间崩塌。为确保设备在正常工作中的可靠性，我们采用两种信号类型对接收机进行测试：理想信号和失真信号。

理想信号用于验证接收机性能是否符合设计目标或公开规格参数。此类测试要求对信号纯度进行精确控制，包括标准化的调制信号，常见于设计实验室和生产线的测试环节。

实际应用场景中，设备接收到的信号会受到发射端失真和物理信道损伤的双重影响（即发射机损伤和信道损伤）。通过使用可精确控制的失真信号进行测试，可确保接收机在日常运行中保持预期性能。这类测试通常在设计验证阶段实施。

01 集成衰落测试

对通信系统最有效的测试方法是以理想信号为基础，叠加衰落效应后直接输入接收机。这种测试方案称为集成衰落测试，需借助矢量信号发生器实现。这种方法可以模拟现实世界中的信号传输情况，帮助设计人员和工程师评估接收器的性能并优化其设计。

02 集成衰落测试解决方案

虽然直接在真实环境中使用空中传输的各种信号来测试接收机颇具吸引力，但这种方法存在明显缺陷——"野外测试"既不可控也难以复现。取而代之的，是使用集成衰落测试，即在实验室环境中通过生成理想信号，再叠加典型运行中可能出现的各类损伤和失真，从而构建出最具可重复性的非理想条件测试方案。采用R&SSMW200A矢量信号发生器配合R&SSMW-B15宽带衰落模拟器，即可高效实现这一目标。

R&SSMW200A能够满足多种测试系统和应用场景的性能与功能需求。在开发和验证阶段，无论是元器件、模块、手机还是完整基站等各类被测设备，该设备都能以卓越性能轻松生成所需测试信号。凭借灵活的模块化设计，该仪器可配置为从经典单通道矢量信号发生器到多通道MIMO接收机测试系统等多种应用方案（如图5所示）。

图5：R&SSMW200A可配置为最高44GHz输出频率、2GHz调制带宽及800MHz衰落带宽的工作模式。其可选第二射频通道支持高达20GHz频率范围，最多可配置8个独立基带，该通道既可用作干扰源，也可用于扩展衰落信道。

结 语

在无线通信系统中，衰落效应是信号传输质量的核心威胁。从城市楼宇的密集反射到高速移动引发的频移畸变，各类衰落因素时刻威胁着通信的稳定性。为确保设备在复杂环境中的可靠性，实验室级的衰落测试成为破解这一难题的关键。

当衰落场景模拟技术集成于高端矢量信号发生器时，衰落测试能够全面评估以下要素：

直射信号(LOS)质量

干扰信号影响

多种信道损伤：包括反射、衍射、散射、多普勒效应、阴影衰落、折射及吸收