射頻衰落模擬器應(yīng)用

1 引言

決定基站發(fā)射機(jī)與移動(dòng)接收機(jī)之間的通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素是信號(hào)的傳播信道。信號(hào)在空中傳播期間，會(huì)存在衰落現(xiàn)象。這意味著如樓宇、山坡或者樹(shù)木等障礙物都有可能吸收或反射信號(hào)，對(duì)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(jī)之間可能形成多個(gè)信號(hào)傳輸路徑（見(jiàn)圖1）。這種所謂的多徑傳播現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)接收到同一信號(hào)的不同副本，副本各自的傳輸路徑長(zhǎng)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(duì)于移動(dòng)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(hào)強(qiáng)度以及多普勒頻移等。

圖1 傳輸過(guò)程中的信號(hào)衰落現(xiàn)象

眾所周知，對(duì)于諸如移動(dòng)電話(huà)等無(wú)線(xiàn)設(shè)備應(yīng)該在真實(shí)條件下進(jìn)行測(cè)試，以確保它們的工作性能。為此，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）對(duì)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(dòng)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電臺(tái)尤其必須面對(duì)某些極端條件。過(guò)長(zhǎng)的距離會(huì)導(dǎo)致被傳輸信息出現(xiàn)相當(dāng)程度的時(shí)延。無(wú)線(xiàn)電波以光速傳播，無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備之間每300km距離會(huì)導(dǎo)致約1ms的時(shí)間延遲。因此，無(wú)線(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)商必須對(duì)跳頻無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)在最壞環(huán)境下進(jìn)行性能驗(yàn)證，以?xún)?yōu)化他們的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證無(wú)線(xiàn)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(chǎng)測(cè)試之前，即在研發(fā)與驗(yàn)收測(cè)試期間，以可重復(fù)方式對(duì)接收機(jī)的實(shí)際性能進(jìn)行檢測(cè)。羅德與施瓦茨公司提供一種針對(duì)于數(shù)字移動(dòng)無(wú)線(xiàn)接收機(jī)和跳頻無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的通用的測(cè)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(hào)源和RS FSG（或 RS FSQ）信號(hào)分析儀快速和低成本地構(gòu)建真實(shí)世界的測(cè)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(xiàn)衰落模擬。通常最好的方法是在用來(lái)測(cè)試接收機(jī)的信號(hào)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(cè)試性能和信號(hào)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(hào)必須轉(zhuǎn)換為中頻和基帶信號(hào)，并轉(zhuǎn)換回原信號(hào)，因此有可能導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量出現(xiàn)惡化。

在某些應(yīng)用中，由于無(wú)法獲得基帶信號(hào)，因此不得不使用射頻衰落技術(shù)。例如，對(duì)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(cè)試時(shí)，就需要使用射頻衰落模擬器。對(duì)于具備跳頻功能的軍用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)，情況亦是如此。而且目前的真實(shí)的電視信號(hào)，甚至于簡(jiǎn)單的調(diào)頻信號(hào)，也必須完成衰落條件下的相關(guān)測(cè)試。

關(guān)于移動(dòng)無(wú)線(xiàn)設(shè)備的測(cè)試，國(guó)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?guó)際電信聯(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(chē)載模型。所有這些信道模型通過(guò)對(duì)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(xiàn)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(xiàn)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(duì)移動(dòng)。

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(dòng)中時(shí)，接收機(jī)的相對(duì)速度會(huì)導(dǎo)致各個(gè)信號(hào)路徑的被傳輸信號(hào)出現(xiàn)頻移現(xiàn)象。不同路徑的信號(hào)，會(huì)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(duì)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(hào)分析儀（例如RS 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(hào)源（例如帶有合適選項(xiàng)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(hào)。如果實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已經(jīng)擁有合適的信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀，與購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)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(hào)從信號(hào)分析儀的射頻輸入端接入信號(hào)分析儀。信號(hào)分析儀作為下變頻器使用，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到中頻的數(shù)字信號(hào)。使用 RS FSQ可以獲得最高達(dá)28MHz的實(shí)時(shí)帶寬。信號(hào)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(hào)源的數(shù)字基帶輸入一致信號(hào)發(fā)生器的數(shù)字式 I/Q 輸入，通過(guò)電壓差分信號(hào)（LVDS）電纜送入信號(hào)源（見(jiàn)圖2）。該電纜作為選件提供。

圖2 使用RS FSQ和RS 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(hào)源通過(guò)RF輸出端口發(fā)送射頻信號(hào)，該信號(hào)的電平大小、調(diào)制方式和頻率與饋入信號(hào)分析儀的RF輸入信號(hào)相同。本信號(hào)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(hào)。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(hào)的全部數(shù)字無(wú)線(xiàn)電標(biāo)準(zhǔn)。

（1）移動(dòng)無(wú)線(xiàn)接收機(jī)的衰落測(cè)試

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

圖3演示了測(cè)試工程師如何對(duì)移動(dòng)式無(wú)線(xiàn)接收機(jī)進(jìn)行衰落測(cè)試。基站的射頻信號(hào)，通過(guò)功率衰減器，饋入信號(hào)分析儀的RF 輸入端。測(cè)試工程師將信號(hào)分析儀的數(shù)字基帶輸出連接至信號(hào)發(fā)生器的數(shù)字基帶輸入。信號(hào)分析儀和信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成衰落模擬器之后，信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)必須按所需電平大小饋入移動(dòng)式無(wú)線(xiàn)接收機(jī)的輸入。根據(jù)測(cè)試時(shí)所使用的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（GSM，3GPP，LTE等），用戶(hù)可以在 RS SMU200A中執(zhí)行各種衰落場(chǎng)景。

圖3 使用基站信號(hào)對(duì)移動(dòng)無(wú)線(xiàn)接收機(jī)進(jìn)行衰落測(cè)試的測(cè)試設(shè)置

（2）軍用機(jī)載收發(fā)信機(jī)的衰落測(cè)試

基于軟件定義無(wú)線(xiàn)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(lèi)跳頻序列覆蓋的頻率帶寬在超過(guò)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(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)都必須同步至某個(gè)主時(shí)鐘。此后，各個(gè)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(hào)特性。

機(jī)載無(wú)線(xiàn)電臺(tái)尤其必須面對(duì)某些極端條件。無(wú)線(xiàn)電設(shè)備之間的距離過(guò)長(zhǎng)時(shí)，信號(hào)延遲有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)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(dǎo)致的多普勒頻移也會(huì)給接收信號(hào)帶來(lái)問(wèn)題。

無(wú)線(xiàn)電設(shè)備生產(chǎn)商必須對(duì)跳頻無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)在最壞環(huán)境下的性能進(jìn)行驗(yàn)證，以?xún)?yōu)化他們的設(shè)計(jì)方案、驗(yàn)證無(wú)線(xiàn)電設(shè)備與系統(tǒng)規(guī)格的一致性。通常，測(cè)試實(shí)驗(yàn)室會(huì)租借直升機(jī)、機(jī)場(chǎng)、天線(xiàn)和人員，以執(zhí)行“真實(shí)環(huán)境”測(cè)試。此測(cè)試方法成本極高，相當(dāng)費(fèi)時(shí)并且諸如天線(xiàn)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(cè)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(cè)試平臺(tái)。信號(hào)源的衰落模塊可以設(shè)置并為被傳輸信號(hào)引入毫秒級(jí)的信號(hào)延遲，使用該信號(hào)延遲，可以檢測(cè)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(lèi)延遲。測(cè)試時(shí)，參考收發(fā)機(jī)會(huì)發(fā)送一個(gè)射頻信號(hào)至RS FSQ 信號(hào)分析儀，信號(hào)分析儀將信號(hào)下變頻至基帶。這一過(guò)程中，所產(chǎn)生的數(shù)字 I/Q 流實(shí)時(shí)傳送至 RS SMU200A 矢量信號(hào)源。信號(hào)源內(nèi)部的衰落選件為該信號(hào)施加預(yù)置的延遲、衰落和多譜靳速度場(chǎng)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(cè)試信號(hào)會(huì)上變頻至射頻頻率傳送至被測(cè)收發(fā)機(jī)，以解調(diào)出信號(hào)內(nèi)容。使用示波器比對(duì)來(lái)自收發(fā)機(jī)的同步信號(hào)，可以檢測(cè)是否獲得了正確的同步。

圖4 機(jī)載無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機(jī)的衰落測(cè)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(jī)同步測(cè)試通過(guò) RS SMU200A 的衰落選項(xiàng)，可以使用各種“環(huán)境”場(chǎng)景，快速地檢測(cè)出被測(cè)試收發(fā)機(jī)的性能限制。

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

此測(cè)試平臺(tái)消除了未知的誤差源。據(jù)此，生產(chǎn)商可以對(duì)它們的無(wú)線(xiàn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且測(cè)試實(shí)驗(yàn)室、軍用無(wú)線(xiàn)電設(shè)備用戶(hù)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和供應(yīng)商的無(wú)線(xiàn)電設(shè)備技術(shù)規(guī)格之間的一致性。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用帶有數(shù)字基帶接口的信號(hào)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(hào)源，可以方便地構(gòu)建通用射頻衰落模擬器。矢量信號(hào)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(hào)對(duì)于已經(jīng)擁有合適的、可用的信號(hào)分析儀和矢量信號(hào)源的工程師來(lái)說(shuō)，與購(gòu)買(mǎi)單獨(dú)的衰落模擬器相比，上述測(cè)試平臺(tái)是一種極為高效的解決方案。