射頻衰落模擬器在信號衰落測試中的應用介紹

引言

　　決定基站發(fā)射機與移動(dòng)接收機之間的通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素是信號的傳播信道。信號在空中傳播期間，會(huì )存在衰落現象。這意味著(zhù)如樓宇、山坡或者樹(shù)木等障礙物都有可能吸收或反射信號，對其幅度和相位產(chǎn)生明顯影響。由于反射、衍謝和本地散射作用，在基站和接收機之間可能形成多個(gè)信號傳輸路徑(見(jiàn)圖1)。這種所謂的多徑傳播現象，會(huì )導致接收機接收到同一信號的不同副本，副本各自的傳輸路徑長(cháng)度不同、抵達接收機的時(shí)間也不同，且它們的幅值和相位也各異。對于移動(dòng)式接收機，還可能存在額外的挑戰，例如最大和最小信號強度以及多普勒頻移等。

　　圖1 傳輸過(guò)程中的信號衰落現象

　　眾所周知，對于諸如移動(dòng)電話(huà)等無(wú)線(xiàn)設備應該在真實(shí)條件下進(jìn)行測試，以確保它們的工作性能。為此，國際電信聯(lián)盟(ITU)對衰落進(jìn)行明確規定，以模擬各種傳播條件和某些特定的接收條件。但是，衰落并不僅僅局限于移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。衰落的另一個(gè)關(guān)鍵應用領(lǐng)域是基于軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)技術(shù)的現代軍事通信系統。它們使用了時(shí)間要求非常嚴格的復雜波形，這些波形的同步序列極其短暫。機載無(wú)線(xiàn)電臺尤其必須面對某些極端條件。過(guò)長(cháng)的距離會(huì )導致被傳輸信息出現相當程度的時(shí)延。無(wú)線(xiàn)電波以光速傳播，無(wú)線(xiàn)通信設備之間每300km距離會(huì )導致約1ms的時(shí)間延遲。因此，無(wú)線(xiàn)設備生產(chǎn)商必須對跳頻無(wú)線(xiàn)系統在最壞環(huán)境下進(jìn)行性能驗證，以?xún)?yōu)化他們的設計方案，并通過(guò)測試實(shí)驗室驗證無(wú)線(xiàn)電設備與技術(shù)規范的一致性。

　　使用衰落模擬器，可以在成本昂貴的現場(chǎng)測試之前，即在研發(fā)與驗收測試期間，以可重復方式對接收機的實(shí)際性能進(jìn)行檢測。羅德與施瓦茨公司提供一種針對于數字移動(dòng)無(wú)線(xiàn)接收機和跳頻無(wú)線(xiàn)系統的通用的測試解決方案。本文介紹如何配合使用帶有衰落選件功能的RS SMU200A矢量信號源和RS FSG(或 RS FSQ)信號分析儀快速和低成本地構建真實(shí)世界的測試場(chǎng)景。

　　2 衰落模擬的常見(jiàn)方法

　　有多種方法可以實(shí)現衰落模擬。通常最好的方法是在用來(lái)測試接收機的信號發(fā)生器的數字基帶部分產(chǎn)生衰落。這種方法使用非常廣泛、成本低、效率高，可以保證最佳測試性能和信號質(zhì)量的可重復性。另一種方法是在射頻輸入/射頻輸出的基礎上實(shí)現衰落模擬。這種方法實(shí)現衰落模擬，成本較為昂貴。此外，這種方法中信號必須轉換為中頻和基帶信號，并轉換回原信號，因此有可能導致信號質(zhì)量出現惡化。

　　在某些應用中，由于無(wú)法獲得基帶信號，因此不得不使用射頻衰落技術(shù)。例如，對包含信令功能的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)基站的實(shí)際傳輸性能進(jìn)行衰落測試時(shí)，就需要使用射頻衰落模擬器。對于具備跳頻功能的軍用無(wú)線(xiàn)數據，情況亦是如此。而且目前的真實(shí)的電視信號，甚至于簡(jiǎn)單的調頻信號，也必須完成衰落條件下的相關(guān)測試。

　　關(guān)于移動(dòng)無(wú)線(xiàn)設備的測試，國際電信聯(lián)盟已經(jīng)制訂了衰落規范，例如符合GSM和UMTS/WCDMA標準的信道模型。GSM定義了3個(gè)傳播模型，即典型市區模型、山地模型和鄉村地區模型?；趪H電信聯(lián)盟的3個(gè)信道模型，UMTS/WCDMA信道模型衍生出3個(gè)模型，即室內模型、步行者模型和車(chē)載模型。所有這些信道模型通過(guò)對環(huán)境的預期影響進(jìn)行建模，從而模擬不同環(huán)境下的傳播條件。ITU 信道模型基于抽頭延遲線(xiàn)信道模型，且隨著(zhù)例如衰落路徑的數量與分布和信道的時(shí)延擴展的不同而不同。除了實(shí)際的衰落曲線(xiàn)之外，還以多普靳頻移的方式模擬接收機與發(fā)送機之間的相對移動(dòng)。

　　當接收機或者接收機環(huán)境內的任何一個(gè)反射物處于移動(dòng)中時(shí)，接收機的相對速度會(huì )導致各個(gè)信號路徑的被傳輸信號出現頻移現象。不同路徑的信號，會(huì )出現不同程度的多普靳頻移，與不同的相位變化速度相對應。

　　3 搭建射頻衰落模擬器

　　使用帶有數字基帶接口的信號分析儀(例如RS FSQ作為下變頻器)和具有數字基帶輸入和衰落選項功能的射頻矢量信號源(例如帶有合適選項功能的RS SMU200A)，可以方便地搭建射頻衰落模擬器。多功能的基帶衰落和高斯白噪聲功能都作用于基帶信號。如果實(shí)驗室內已經(jīng)擁有合適的信號發(fā)生器和信號分析儀，與購買(mǎi)一臺單獨的射頻衰落模擬器相比，該方案更加經(jīng)濟、高效。

　　需要進(jìn)行衰落作用的射頻信號從信號分析儀的射頻輸入端接入信號分析儀。信號分析儀作為下變頻器使用，并通過(guò)模數轉換，得到中頻的數字信號。使用 RS FSQ可以獲得最高達28MHz的實(shí)時(shí)帶寬。信號分析儀的數字基帶接口傳送連續的數字數據流，該數字數據流與信號源的數字基帶輸入一致信號發(fā)生器的數字式 I/Q 輸入，通過(guò)電壓差分信號(LVDS)電纜送入信號源(見(jiàn)圖2)。該電纜作為選件提供。

　　圖2 使用RS FSQ和RS SMU200A構建的、實(shí)時(shí)帶寬為28 MHz的射頻衰落模擬器