射頻衰落模擬器應用

1 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

按照這種方法搭建，信號源通過(guò)RF輸出端口發(fā)送射頻信號，該信號的電平大小、調制方式和頻率與饋入信號分析儀的RF輸入信號相同。本信號源具有多種基帶衰落功能，包括高斯噪聲（AWGN）均可以作用于上變頻至RF之前的基帶信號。這兩種儀器的組合，可以構成實(shí)時(shí)帶寬高達28MHz，射頻頻率高達 6GHz的射頻衰落模擬器，覆蓋了當前包括上行和下行信號的全部數字無(wú)線(xiàn)電標準。

（1）移動(dòng)無(wú)線(xiàn)接收機的衰落測試

對于數字式移動(dòng)無(wú)線(xiàn)接收機來(lái)說(shuō)最重要的衰落測試?？梢源_保即使在最為不利的情況下，基站與移動(dòng)接收機之間也可以保持良好的通信。

圖3演示了測試工程師如何對移動(dòng)式無(wú)線(xiàn)接收機進(jìn)行衰落測試?；镜纳漕l信號，通過(guò)功率衰減器，饋入信號分析儀的RF 輸入端。測試工程師將信號分析儀的數字基帶輸出連接至信號發(fā)生器的數字基帶輸入。信號分析儀和信號發(fā)生器構成衰落模擬器之后，信號發(fā)生器的輸出信號必須按所需電平大小饋入移動(dòng)式無(wú)線(xiàn)接收機的輸入。根據測試時(shí)所使用的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)標準（GSM，3GPP，LTE等），用戶(hù)可以在 RS SMU200A中執行各種衰落場(chǎng)景。

圖3 使用基站信號對移動(dòng)無(wú)線(xiàn)接收機進(jìn)行衰落測試的測試設置

（2）軍用機載收發(fā)信機的衰落測試

基于軟件定義無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的現代軍用通信系統，使用具備極短的同步序列的復雜波形。此外，還采用了寬帶快速跳頻方法作為電子保護措施。此類(lèi)跳頻序列覆蓋的頻率帶寬在超過(guò)100MHz，且跳頻速率高達每秒幾千次跳頻。在進(jìn)行安全通信之前，所涉及的全部無(wú)線(xiàn)電系統都必須同步至某個(gè)主時(shí)鐘。此后，各個(gè)無(wú)線(xiàn)電設備都依靠單獨的內部系統時(shí)鐘去執行主機定義的同一個(gè)跳頻方式。

用于兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電設備之間建立連接的同步窗口極其短暫。時(shí)間延遲和各個(gè)系統時(shí)鐘的準確性就極為關(guān)鍵。這些系統時(shí)鐘必須頻繁地與主機實(shí)現再同步。但是，無(wú)線(xiàn)電設備還必須能夠處理時(shí)間延遲以及因任意跳頻方式所導致的信號特性。

機載無(wú)線(xiàn)電臺尤其必須面對某些極端條件。無(wú)線(xiàn)電設備之間的距離過(guò)長(cháng)時(shí)，信號延遲有時(shí)長(cháng)達數毫秒。最壞的情況下，根本無(wú)法建立通信鏈路。此外，飛行器的超音速導致的多普勒頻移也會(huì )給接收信號帶來(lái)問(wèn)題。

無(wú)線(xiàn)電設備生產(chǎn)商必須對跳頻無(wú)線(xiàn)電系統在最壞環(huán)境下的性能進(jìn)行驗證，以?xún)?yōu)化他們的設計方案、驗證無(wú)線(xiàn)電設備與系統規格的一致性。通常，測試實(shí)驗室會(huì )租借直升機、機場(chǎng)、天線(xiàn)和人員，以執行“真實(shí)環(huán)境”測試。此測試方法成本極高，相當費時(shí)并且諸如天線(xiàn)分布和其它參數等的大量已知和未知誤差源，都可能影響甚至嚴重劣化這種傳統方法的測試結果。

圖4所示為軍用快速跳頻機載收發(fā)機的測試平臺。信號源的衰落模塊可以設置并為被傳輸信號引入毫秒級的信號延遲，使用該信號延遲，可以檢測接收機（下側設備）與發(fā)信機（上側設備）之間的同步功能。實(shí)際應用中，兩個(gè)彼此通信的飛機相隔數百公里遠時(shí)，就可能出現這類(lèi)延遲。測試時(shí)，參考收發(fā)機會(huì )發(fā)送一個(gè)射頻信號至RS FSQ 信號分析儀，信號分析儀將信號下變頻至基帶。這一過(guò)程中，所產(chǎn)生的數字 I/Q 流實(shí)時(shí)傳送至 RS SMU200A 矢量信號源。信號源內部的衰落選件為該信號施加預置的延遲、衰落和多譜靳速度場(chǎng)景，從而模擬諸如飛機較大的速度差異等實(shí)際環(huán)境。測試信號會(huì )上變頻至射頻頻率傳送至被測收發(fā)機，以解調出信號內容。使用示波器比對來(lái)自收發(fā)機的同步信號，可以檢測是否獲得了正確的同步。

圖4 機載無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機的衰落測試?？梢阅M在幾百公里傳輸距離和高速變化條件下的

收發(fā)信機同步測試通過(guò) RS SMU200A 的衰落選項，可以使用各種“環(huán)境”場(chǎng)景，快速地檢測出被測試收發(fā)機的性能限制。

RS FSQ支持高達28MHz的實(shí)時(shí)信號流分析帶寬。超出此帶寬的跳頻信號，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)設備廠(chǎng)家提供的減小跳頻帶寬方法進(jìn)行測量。

此測試平臺消除了未知的誤差源。據此，生產(chǎn)商可以對它們的無(wú)線(xiàn)設備進(jìn)行優(yōu)化設計，并且測試實(shí)驗室、軍用無(wú)線(xiàn)電設備用戶(hù)或者系統集成商等均可以根據真實(shí)的環(huán)境條件，驗證設備與國際標準和供應商的無(wú)線(xiàn)電設備技術(shù)規格之間的一致性。

4 結束語(yǔ)

采用帶有數字基帶接口的信號分析儀（用作下變頻器）和帶有數字基帶輸入和衰落選項功能的矢量信號源，可以方便地構建通用射頻衰落模擬器。矢量信號源通用基帶衰落功能，包括高斯白噪聲，均可用于處理不同應用的射頻信號對于已經(jīng)擁有合適的、可用的信號分析儀和矢量信號源的工程師來(lái)說(shuō)，與購買(mǎi)單獨的衰落模擬器相比，上述測試平臺是一種極為高效的解決方案。