基于射頻衰落模擬器的信號衰落測試

由于反射、衍謝和本地散射作用，在基站和接收機(jī)之間可能形成多個(gè)信號傳輸路徑(見圖1)。這種所謂的多徑傳播現(xiàn)象，會導(dǎo)致接收機(jī)接收到同一信號的不同副本，副本各自的傳輸路徑長度不同、抵達(dá)接收機(jī)的時(shí)間也不同，且它們的幅值和相位也各異。對于移動式接收機(jī)，還可能存在額外的挑戰(zhàn)，例如最大和最小信號強(qiáng)度以及多普勒頻移等。

眾所周知，對于諸如移動電話等無線設(shè)備應(yīng)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(guī)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無線網(wǎng)絡(luò)。衰落的另一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域是基于軟件定義無線電(SDR)技術(shù)的現(xiàn)代軍事通信系統(tǒng)。它們使用了時(shí)間要求非常嚴(yán)格的復(fù)雜波形，這些波形的同步序列極其短暫。機(jī)載無線電臺尤其必須面對某些極端條件。過長的距離會導(dǎo)致被傳輸信息出現(xiàn)相當(dāng)程度的時(shí)延。無線電波以光速傳播，無線通信設(shè)備之間每300km距離會導(dǎo)致約1ms的時(shí)間延遲。因此，無線設(shè)備生產(chǎn)商必須對跳頻無線系統(tǒng)在最壞環(huán)境下進(jìn)行性能驗(yàn)證，以優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)方案，并通過測試實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證無線電設(shè)備與技術(shù)規(guī)范的一致性。

使用衰落模擬器，可以在成本昂貴的現(xiàn)場測試之前，即在研發(fā)與驗(yàn)收測試期間，以可重復(fù)方式對接收機(jī)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(shù)字移動無線接收機(jī)和跳頻無線系統(tǒng)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R&S SMU200A矢量信號源和R&S FSG(或 R&S FSQ)信號分析儀快速和低成本地構(gòu)建真實(shí)世界的測試場景。

2 衰落模擬的常見方法

有多種方法可以實(shí)現(xiàn)衰落模擬。通常最好的方法是在用來測試接收機(jī)的信號發(fā)生器的數(shù)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(fù)性。另一種方法是在射頻輸入/射頻輸出的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)衰落模擬。這種方法實(shí)現(xiàn)衰落模擬，成本較為昂貴。此外，這種方法中信號必須轉(zhuǎn)換為中頻和基帶信號，并轉(zhuǎn)換回原信號，因此有可能導(dǎo)致信號質(zhì)量出現(xiàn)惡化。

在某些應(yīng)用中，由于無法獲得基帶信號，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無線基站的實(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線數(shù)據(jù)，情況亦是如此。而且目前的真實(shí)的電視信號，甚至于簡單的調(diào)頻信號，也必須完成衰落條件下的相關(guān)測試。

關(guān)于移動無線設(shè)備的測試，國際電信聯(lián)盟已經(jīng)制訂了衰落規(guī)范，例如符合GSM和UMTS/WCDMA標(biāo)準(zhǔn)的信道模型。GSM定義了3個(gè)傳播模型，即典型市區(qū)模型、山地模型和鄉(xiāng)村地區(qū)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(nèi)模型、步行者模型和車載模型。所有這些信道模型通過對環(huán)境的預(yù)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信道模型，且隨著例如衰落路徑的數(shù)量與分布和信道的時(shí)延擴(kuò)展的不同而不同。除了實(shí)際的衰落曲線之外，還以多普靳頻移的方式模擬接收機(jī)與發(fā)送機(jī)之間的相對移動。

當(dāng)接收機(jī)或者接收機(jī)環(huán)境內(nèi)的任何一個(gè)反射物處于移動中時(shí)，接收機(jī)的相對速度會導(dǎo)致各個(gè)信號路徑的被傳輸信號出現(xiàn)頻移現(xiàn)象。不同路徑的信號，會出現(xiàn)不同程度的多普靳頻移，與不同的相位變化速度相對應(yīng)。

3 搭建射頻衰落模擬器

使用帶有數(shù)字基帶接口的信號分析儀(例如R&S FSQ作為下變頻器)和具有數(shù)字基帶輸入和衰落選項(xiàng)功能的射頻矢量信號源(例如帶有合適選項(xiàng)功能的R&S 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(yàn)室內(nèi)已經(jīng)擁有合適的信號發(fā)生器和信號分析儀，與購買一臺單獨(dú)的射頻衰落模擬器相比，該方案更加經(jīng)濟(jì)、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，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到中頻的數(shù)字信號。使用 R&S FSQ可以獲得最高達(dá)28MHz的實(shí)時(shí)帶寬。信號分析儀的數(shù)字基帶接口傳送連續(xù)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流與信號源的數(shù)字基帶輸入一致信號發(fā)生器的數(shù)字式 I/Q 輸入，通過電壓差分信號(LVDS)電纜送入信號源(見圖2)。該電纜作為選件提供。

圖2 使用R&S FSQ和R&S SMU200A構(gòu)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RF輸出端口發(fā)送射頻信號，該信號的電平大小、調(diào)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(gòu)成實(shí)時(shí)帶寬高達(dá)28MHz，射頻頻率高達(dá) 6GHz的射頻衰落模擬器，覆蓋了當(dāng)前包括上行和下行信號的全部數(shù)字無線電標(biāo)準(zhǔn)。

(1)移動無線接收機(jī)的衰落測試

對于數(shù)字式移動無線接收機(jī)來說最重要的衰落測試?？梢源_保即使在最為不利的情況下，基站與移動接收機(jī)之間也可以保持良好的通信。

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圖3演示了測試工程師如何對移動式無線接收機(jī)進(jìn)行衰落測試?；镜纳漕l信號，通過功率衰減器，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(shù)字基帶輸出連接至信號發(fā)生器的數(shù)字基帶輸入。信號分析儀和信號發(fā)生器構(gòu)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式無線接收機(jī)的輸入。根據(jù)測試時(shí)所使用的移動無線標(biāo)準(zhǔn)(GSM，3GPP，LTE等)，用戶可以在 R&S SMU200A中執(zhí)行各種衰落場景。

圖3 使用基站信號對移動無線接收機(jī)進(jìn)行衰落測試的測試設(shè)置

(2)軍用機(jī)載收發(fā)信機(jī)的衰落測試

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

用于兩個(gè)無線電設(shè)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(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性就極為關(guān)鍵。這些系統(tǒng)時(shí)鐘必須頻繁地與主機(jī)實(shí)現(xiàn)再同步。但是，無線電設(shè)備還必須能夠處理時(shí)間延遲以及因任意跳頻方式所導(dǎo)致的信號特性。

機(jī)載無線電臺尤其必須面對某些極端條件。無線電設(shè)備之間的距離過長時(shí)，信號延遲有時(shí)長達(dá)數(shù)毫秒。最壞的情況下，根本無法建立通信鏈路。此外，飛行器的超音速導(dǎo)致的多普勒頻移也會給接收信號帶來問題。

無線電設(shè)備生產(chǎn)商必須對跳頻無線電系統(tǒng)在最壞環(huán)境下的性能進(jìn)行驗(yàn)證，以優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)方案、驗(yàn)證無線電設(shè)備與系統(tǒng)規(guī)格的一致性。通常，測試實(shí)驗(yàn)室會租借直升機(jī)、機(jī)場、天線和人員，以執(zhí)行“真實(shí)環(huán)境”測試。此測試方法成本極高，相當(dāng)費(fèi)時(shí)并且諸如天線分布和其它參數(shù)等的大量已知和未知誤差源，都可能影響甚至嚴(yán)重劣化這種傳統(tǒng)方法的測試結(jié)果。

圖4所示為軍用快速跳頻機(jī)載收發(fā)機(jī)的測試平臺。信號源的衰落模塊可以設(shè)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(jī)(下側(cè)設(shè)備)與發(fā)信機(jī)(上側(cè)設(shè)備)之間的同步功能。實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)彼此通信的飛機(jī)相隔數(shù)百公里遠(yuǎn)時(shí)，就可能出現(xiàn)這類延遲。測試時(shí)，參考收發(fā)機(jī)會發(fā)送一個(gè)射頻信號至R&S FSQ 信號分析儀，信號分析儀將信號下變頻至基帶。這一過程中，所產(chǎn)生的數(shù)字 I/Q 流實(shí)時(shí)傳送至 R&S SMU200A 矢量信號源。信號源內(nèi)部的衰落選件為該信號施加預(yù)置的延遲、衰落和多譜靳速度場景，從而模擬諸如飛機(jī)較大的速度差異等實(shí)際環(huán)境。測試信號會上變頻至射頻頻率傳送至被測收發(fā)機(jī)，以解調(diào)出信號內(nèi)容。使用示波器比對來自收發(fā)機(jī)的同步信號，可以檢測是否獲得了正確的同步。

圖4 機(jī)載無線收發(fā)信機(jī)的衰落測試。可以模擬在幾百公里傳輸距離和高速變化條件下的收發(fā)信機(jī)同步測試通過 R&S SMU200A 的衰落選項(xiàng)，可以使用各種“環(huán)境”場景，快速地檢測出被測試收發(fā)機(jī)的性能限制。

R&S FSQ支持高達(dá)28MHz的實(shí)時(shí)信號流分析帶寬。超出此帶寬的跳頻信號，可通過無線設(shè)備廠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(jù)此，生產(chǎn)商可以對它們的無線設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且測試實(shí)驗(yàn)室、軍用無線電設(shè)備用戶或者系統(tǒng)集成商等均可以根據(jù)真實(shí)的環(huán)境條件，驗(yàn)證設(shè)備與國際標(biāo)準(zhǔn)和供應(yīng)商的無線電設(shè)備技術(shù)規(guī)格之間的一致性。

4 結(jié)束語

采用帶有數(shù)字基帶接口的信號分析儀(用作下變頻器)和帶有數(shù)字基帶輸入和衰落選項(xiàng)功能的矢量信號源，可以方便地構(gòu)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(yīng)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說，與購買單獨(dú)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。