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天線(xiàn)及傳輸信道模型建模的方法及系統仿真案例概述

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來(lái)源:電子發(fā)燒友
日期:2019-04-18 11:59:37
摘要:天線(xiàn)及傳輸信道模型建模的方法及系統仿真案例概述
關(guān)鍵詞:天線(xiàn)通信系統

  對于通信或雷達系統,天線(xiàn)都扮演著(zhù)發(fā)射及接收電磁波的角色。天線(xiàn)性能的好壞,會(huì )對系統性能產(chǎn)生很大影響。傳統理論和仿真技術(shù),很少將天線(xiàn)放入通信/雷達系統進(jìn)行整體考量。天線(xiàn)設計師重點(diǎn)關(guān)注的是天線(xiàn)的方向性、效率、體積等指標,很少考慮天線(xiàn)和傳輸信道的配合,更難得考慮天線(xiàn)特性會(huì )對系統系能造成怎樣的影響。

  本文通過(guò)研究業(yè)界針對通信終端及雷達系統中天線(xiàn)及傳輸信道模型建模的方法及系統仿真案例,總結兩個(gè)不同的系統中天線(xiàn)模型的差別及仿真的側重點(diǎn)。

  1、通信終端中的天線(xiàn)模型

  移動(dòng)通信信道主要存在以下特點(diǎn):開(kāi)放變參信道,容易受到各種干擾影響;接收點(diǎn)地理環(huán)境非常復雜多樣,如大致可分為城市、近郊及農村三類(lèi);用戶(hù)具有隨機移動(dòng)性。

  由于上述移動(dòng)通信信道特點(diǎn),導致電磁波的傳播和自由空間相比,除直射波以外,還存在較多的繞射波及散射波,同時(shí)存在不同類(lèi)型的損耗:路徑傳播損耗、慢衰落損耗及快衰落損耗[1]。為在不同環(huán)境下獲得最佳接收效果,通信終端的天線(xiàn)盡量設計為全向天線(xiàn)。

  1.1 單天線(xiàn)終端天線(xiàn)模型

  對于通信系統終端,天線(xiàn)模型通常由其坐標及增益來(lái)進(jìn)行定義;而信道模型則由噪聲、衰落、多徑等參數進(jìn)行定義。針對不同類(lèi)型的通信系統,常常將天線(xiàn)和信道模型放在一起,進(jìn)行綜合考量。

  下圖引用了ADS軟件中描述的最常見(jiàn)的天線(xiàn)及信道使用模式。其中信道(PropGSM)位于基站(AntBase)和移動(dòng)天線(xiàn)(AntMobile)之間。移動(dòng)天線(xiàn)指標僅有增益、位置及高度、速度等信息,天線(xiàn)類(lèi)型默認為全向天線(xiàn),對系統性能的貢獻主要是增益及多徑效應、多普勒頻移。

  圖1、GSM系統天線(xiàn)及信道模型

  1.2 MIMO系統中天線(xiàn)模型

  在移動(dòng)通信中,由于多徑衰落、多普勒頻移等因素,導致接收信號質(zhì)量下降。為改善移動(dòng)接收信號質(zhì)量,使用雙天線(xiàn)分集接收技術(shù)在低成本、低實(shí)現難度的前提下明顯改善接收信號質(zhì)量。使用分集天線(xiàn),就是為接收到兩個(gè)以上的不相關(guān)信號,以便在后續處理中找到強度最大的信號或者進(jìn)行矢量信號合成。故天線(xiàn)之間的相關(guān)性越低越好。天線(xiàn)工作的電磁環(huán)境各有不同,故在衡量天線(xiàn)的相關(guān)性時(shí)必須將無(wú)線(xiàn)環(huán)境考慮進(jìn)去??梢詫l(fā)射機及障礙物總效應用概率密度函數PDF(probabilitydensity function)來(lái)進(jìn)行描述,其表征了天線(xiàn)從不同方向接收到最強信號的概率分布特征。

  除了空間的分集,還存在極化分集情況。使用交叉極化鑒別度XPD(Cross-PolarizaTIonDiscriminaTIon)可以描述空間電波極化情況。XPD越大,則phi方向極化分量越大,反之XPD越小,theta方向極化分量越小。

  使用復相關(guān)性(Complex CorrelaTIon)來(lái)描述處于一定電磁化境及極化情況下,兩個(gè)天線(xiàn)接收到的相似平均度。

  使用一些商業(yè)軟件,如EMPro,能夠針對特定的分集天線(xiàn)模型,設定PDF、XPD,考慮雙天線(xiàn)分集接收效果[2]。

  在無(wú)線(xiàn)通信系統仿真軟件中,能夠通過(guò)導入發(fā)射、接收天線(xiàn)的三維方向圖以及其相對位置,結合典型信道模型(如WINNER),對通信系統的天線(xiàn)及信道進(jìn)行建模,從而仿真系統指標。如下圖為系統仿真軟件SystemVue中的WINNER II信道模型,其支持導入仿真或測試的多天線(xiàn)方向圖,并能夠設置發(fā)射、接收天線(xiàn)陣列的二維相對位置。

  圖2、WINNER信道MIMO天線(xiàn)模型設置

  通過(guò)導入單純的手機遠場(chǎng)方向圖及考慮SAM人頭模型的手機方向圖,創(chuàng )建兩種信道模型,能夠比較理想工作場(chǎng)景及實(shí)際工作場(chǎng)景下系統容量[3]。通過(guò)這種方式,能夠將天線(xiàn)真實(shí)方向圖及天線(xiàn)布局融入到信道模型中,獲取天線(xiàn)性能對系統指標的影響。

  天線(xiàn)及信道模型不僅能夠應用在仿真軟件中,還能作為必要測試條件,參與到標準測試中。典型案例是是德科技的輻射兩步法(RTS)。

  輻射兩步法是把MIMO OTA 的測試分成兩步:第一階段先在暗室對終端進(jìn)行方向圖測量,利用終端的上報功能測出待測件的輻射方向圖;第二階段把在第一階段中測到的方向圖信息加載到信道仿真器中,模擬出包含了待測件天線(xiàn)特性的無(wú)線(xiàn)信道?;灸M器輸出的下行信號先和加載了待測件方向圖信息

  圖3、輻射兩步法測試示意

  的無(wú)線(xiàn)信道進(jìn)行卷積,通過(guò)測量天線(xiàn)發(fā)射出來(lái),進(jìn)行接收機的性能測試。

  輻射兩步法的測量結果和已經(jīng)成為CTIA MIMO OTA測量標準的多探頭方法(MPAC)測量結果的一致性已被3GPP 認可。在2017年5月份結束的3GPP RAN4 會(huì )議上有正式批準的結論[4]。

  2、雷達系統中的天線(xiàn)模型

  和移動(dòng)終端的全向天線(xiàn)不同,雷達系統的天線(xiàn)波束寬度一般為幾度至十幾度。雷達系統工作在搜索、跟蹤兩種模式時(shí),需要對波束方向進(jìn)行精確建模[5]。

  傳統仿真系統中,主要側重于對雷達系統進(jìn)行信號流級的仿真,即考慮信號傳輸路徑及信號處理結果,并不考慮天線(xiàn)的方向圖及指向性對雷達系統的影響。如VSS中,考慮目標的距離及速度,將收發(fā)天線(xiàn)簡(jiǎn)化為增益模型,僅影響接收機獲得的信號電平。在這種系統仿真架構下,天線(xiàn)僅有部分指標(如反射系數、阻抗等)能夠和級聯(lián)的射頻系統發(fā)生關(guān)聯(lián)。

  對于復雜的應用場(chǎng)景,需要考慮動(dòng)平臺(如艦船、飛行器或戰車(chē))及天線(xiàn)的位置信息。系統仿真軟件SystemVue提供了一個(gè)層次化的設計解決方案,即除了信號層面的分析以外,還可將相控陣雷達系統所處的動(dòng)平臺的位置(如地心慣性坐標系)和速度信息、天線(xiàn)的位置信息等納入一并進(jìn)行分析。這個(gè)平臺中,可以進(jìn)行多目標、多站雷達的設定,也能夠進(jìn)行多天線(xiàn)設定。

  圖4、雷達系統三層仿真設置示意

  在信號層中,設置天線(xiàn)的工作模式(搜索或者跟蹤)、天線(xiàn)方向圖等基本指標;在天線(xiàn)層中,設置雷達目標位置,以及雷達平臺的側傾角、俯仰角、偏航角,天線(xiàn)在雷達平臺中側傾角、俯仰角、偏航角;在軌跡層中,分別設置雷達收發(fā)平臺及目標的位置(經(jīng)度、維度、高度)、指向、速度、加速度、運動(dòng)軌跡等信息。通過(guò)在不同坐標系下進(jìn)行轉換,將天線(xiàn)的方向圖及雷達平臺、目標的運動(dòng)軌跡等信息進(jìn)行綜合考慮。

  可以以EW接收機測試的示例,來(lái)說(shuō)明雷達的復雜應用場(chǎng)景。在場(chǎng)景中,EW接收機(EW Rx)用于監視空間中的四個(gè)雷達站。EW接收機的任務(wù)是檢測所有這些信號、識別每個(gè)信號,并對每個(gè)雷達站的位置、速度、時(shí)間波形和頻率內容進(jìn)行整理。

  圖5、EW接收機測試場(chǎng)景

  為了測試EW接收機,必須產(chǎn)生測試信號,這并不意味著(zhù)簡(jiǎn)單的將多個(gè)時(shí)間波形進(jìn)行疊加。由于EW接收機可能安裝在飛機、汽車(chē)或軍艦上,用于生成該測試信號的工具必須允許用戶(hù)指定EW Rx站的位置、速度、運動(dòng)軌跡等。此外,對于每個(gè)雷達站,工具必須允許用戶(hù)指定其位置、速度、時(shí)間波形、頻率、天線(xiàn)工作模式等[6]。

  如果需要對環(huán)境進(jìn)行精確建模,信號層仿真軟件Simulink、SystemVue等就不能勝任了。使用專(zhuān)業(yè)的場(chǎng)景仿真軟件,如STK等,對目標姿態(tài)、環(huán)境進(jìn)行建模,能夠獲得較為真實(shí)的目標特性。

  如圖6中,使用SystemVue產(chǎn)生線(xiàn)性調頻脈沖信號源,并經(jīng)過(guò)射頻發(fā)射路徑加入射頻器件的非線(xiàn)性、噪聲等因素,時(shí)域信號通過(guò)接口進(jìn)入STK軟件。STK中預先定義外場(chǎng)地形地貌以及飛機運動(dòng)軌跡、飛行姿態(tài)等指標。雷達處于跟蹤模式,盡量將波束照射到飛機上,而飛機則做出各種機動(dòng)動(dòng)作來(lái)規避雷達探測。整個(gè)場(chǎng)景的時(shí)域信號會(huì )返回到SystemVue軟件中,通過(guò)后處理程序來(lái)獲得雷達的檢測概率。

  圖6、STK聯(lián)合仿真示意圖

  3、結論

  可見(jiàn),在通信或雷達系統中,天線(xiàn)都不再以獨立的姿態(tài)出現,而和通信信道、雷達使用場(chǎng)景等緊密結合,共同作用。天線(xiàn)設計師及通信/雷達系統設計師如果能夠利用已有商業(yè)軟件及成熟理論,將天線(xiàn)的特性融入到系統設計中,能夠大幅度降低聯(lián)調風(fēng)險,加快產(chǎn)品設計速度。