无线通信基础
1.5无线信道
1.5.1信道影响
首先，我们回顾可能发生的各种无线信道效应，如图1.22所示。以QPSK / 4-QAM符号星座为例，所选信道效应的影响如图1.23所示。
1. 理想信道和路径损耗
在发射机和接收机之间的理想无线信道可以用一根简单的电线来模拟，这意味着信号可以完美地传输。这种方法通常用于仿真，作为验证接收机设计的第一步。然而，为了引入一定程度的真实性，信号在穿过无线电信道时受到衰减:信号功率与传播距离成比例地降低。
信道中信号功率的衰减可以用路径损耗模型来模拟。这类模型中最简单的是Friis自由空间路径损耗模型：
记住射频载波波长是频率的倒数，可以观察到功率损耗随频率的平方和距离的平方而变化。换句话说，射频载波频率越高，信号必须传播的距离越远，信号到达接收器时的功率就越低。
2. 加性高斯白噪声
在无线电信道中，信号经历加性噪声是正常的，这是一种不可避免的影响。AWGN通常被建模为在接收点添加到信号中。AWGN对接收到的QAM信号星座的影响，即将接收到的符号样本分散到参考点周围。
3. 干扰
除了低水平的背景干扰(如上所述以噪声建模)外，无线电频谱的其他用户也可能产生更严重的干扰。干扰可能被限制在一个或多个频带内，并且可能随时间变化。
4. 多普勒效应
当无线电链路的发射机和接收机处于相对运动时，就会发生多普勒效应。例如，当移动用户乘坐火车前往轨道旁边的基站时，无线电波传播的距离不断减少。当载波信号的波前到达频率更高时，接收机就会体验到这一点，或者换句话说，它感知到接收信号的频率高于其发射频率。因此，接收机在预期信号频率和实际信号频率之间存在误差，这被称为多普勒频移。多普勒频移可以表示为：
5. 信号衰落
衰落一般是指信道中信号功率的损失。如前所述，这是由于距离相关的路径损失(即使在自由空间中)造成的。另一个可能的原因是阴影，当一个大的物体，如山或建筑物的存在，导致较少的信号功率到达接收机。在动态环境中，例如发射机和接收机相对移动时，信号功率的损失也会随时间变化。衰落的一般概念如图1.18(a)所示，即星座点之间的距离越来越近，但形状保持不变。
从广义上讲，这种效应可以被归类为“慢衰落”，即信道特性随着时间的推移而逐渐变化，或者“快衰落”，即接收信号功率可能发生快速的时间变化。接收功率电平的波动通常可以通过接收机中动态变化的放大器增益(主动增益控制，或AGC)来补偿(或至少部分补偿)。然而，深度快速衰减会导致接收信号的能力丧失，例如，当穿越铁路隧道时暂时失去接收信号的能力。
6. 多径传播与衰落
如果传播环境是杂乱的，它可能包括反射或绕射无线电信号的各种物体。其结果是多路径传播，即发射信号的组成部分在发射机和接收机之间采取几种不同的路径，根据传播的距离和物体的反射率，每一种都有不同的时间延迟和信号功率损失。
当发射机和接收机之间存在视距(LoS)路径时，这意味着接收到一个主要信号组件以及其他低功率多路径组件。当信道被称为非视距(NLoS)，并且只有一组多径组件到达接收机时，情况就更加困难了。
多径传播的影响可能会有所不同，但通常它会导致多径衰落，这种衰落可能是“平坦的”，也可能是“频率选择性的”。在前一种情况下，整个信号带宽经历相同的一般效果。因此，在任意时刻，接收功率在整个信号带宽上是相对恒定的，尽管衰落程度仍可能随时间而变化。这种类型的衰减可以用一个简单的增益(相当于一个单抽头滤波器)来补偿。在“频率选择”的情况下，当信号带宽超过相干带宽时，衰落的影响更具挑战性。相干带宽被定义为：
1.5.2Mitigation 技术
在回顾了无线电信号通过信道传播时可能引入的问题之后，我们现在将简要回顾用于在物理层解决这些问题的一些技术。应该强调的是，除了物理层处理之外，更高层的协议通常应用进一步的缓解措施来防止数据丢失，例如错误编码、缓冲和选择性重传。
1. 模拟接收机前端滤波
也许对信道影响最明显的缓解是带通滤波，在感兴趣的信号周围，尽可能多地去除入射AWGN和干扰。这应该首先在模拟域中完成，以确保在到达ADC时信噪比尽可能高。随后可以在接收机的数字部分进行进一步滤波(承认模拟滤波器的性能存在实际限制)。当相邻或附近频带上存在高功率信号时，模拟前端滤波特别有用，否则这些信号会使ADC饱和。
2. 正交调制校正
当信号受到不完美正交调制器的调制和/或解调时，符号星座会失真，需要在接收机中对这些影响进行校正。这可以通过两种方式实现。I和Q幅值不等的影响可以通过对接收机中的I和/或Q支路施加补偿增益来纠正。如果两相之间的间隔不是所需的90度，因此信号不是正交的，则会发生两相之间的混合。这可以通过将接收到的Q信号的缩放版本添加到I信号中来纠正。
通过QMC块(RFSoC上的一种强化资源)，可以在RFSoC设备中支持上述校正和偏移补偿(纠正错误的DC电平)。该模块提供了基于用户开发的算法对I和Q信号路径进行校正的功能。
3. 前向纠错（FEC）
FEC是无线通信中防止误码的关键技术之一。通过应用一种增加传输数据冗余的编码方案，接收方能够检测到比特错误发生的时间(在一定限度内)，并在大多数情况下纠正它们(同样，在一定限度内)。保护程度取决于所使用的编码方案及其参数。
4. 同步
发射机和接收机没有共同的频率或定时参考。因此，到达接收机的信号的频率和时序参数几乎肯定不符合接收机所期望的标称值。多普勒效应会增加这些偏移量，总的来说，实际和预期的信号特性可能会有相当大的偏差。同步系统在接收机中用于估计频率和定时偏移，并应用调整来纠正它们。有两个主要的同步任务。
一是载波同步，接收机必须调整其本地振荡器的频率和相位，以匹配接收信号中载波的频率和相位。成功的载波同步的结果是符号星座停止旋转。二是符号定时同步，接收机必须以正确的速率对输入的符号进行采样，这是由对输入信号的观察确定的。理想情况下，它应该将它们放置在最大的效果点，即最佳的定时瞬间，以实现最佳的信噪比。
根据传输数据的结构，接收机MAC层还需要帧同步，以确定每个帧的开始时间，并正确提取有效载荷。
5. 均衡
多径传播引起的衰落会使接收到的符号星座失真。其中衰落是频率选择性的，这意味着信道的作用就像一个滤波器，并导致在信号带宽上的增益变化。为了补偿这种影响，我们考虑了一个基带等效信道，它包括在发射机上应用输入符号和在接收机上检索输出符号之间的整个信号链。换句话说，基带等效信道包括发射机和接收机体系结构的各个方面，以及无线信道本身。自适应DSP技术可用于生成基带信道的逆。如果基带信道的输出通过此逆，则将其均衡，从而在整个信号带宽上实现近似恒定的增益，并在此过程中纠正星座中所见的失真。
文章来源：威视锐科技
