基于射頻衰落模擬器的收發(fā)機信號衰落測試及分析

引言

決定基站發(fā)射機與移動接收機之間的通信質量的關鍵因素是信號的傳播信道。信號在空中傳播期間，會存在衰落現(xiàn)象。這意味著如樓宇、山坡或者樹木等障礙物都有可能吸收或反射信號，對其幅度和相位產生明顯影響。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信號傳輸路徑。這種所謂的多徑傳播現(xiàn)象，會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度不同、抵達接收機的時間也不同，且它們的幅值和相位也各異。對于移動式接收機，還可能存在額外的挑戰(zhàn)，例如最大和最小信號強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備應該在真實條件下進行測試，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絡。衰落的另一個關鍵應用領域是基于軟件定義無線電(SDR)技術的現(xiàn)代軍事通信系統(tǒng)。它們使用了時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。機載無線電臺尤其必須面對某些極端條件。過長的距離會導致被傳輸信息出現(xiàn)相當程度的時延。無線電波以光速傳播，無線通信設備之間每300km距離會導致約1ms的時間延遲。因此，無線設備生產商必須對跳頻無線系統(tǒng)在最壞環(huán)境下進行性能驗證，以優(yōu)化他們的設計方案，并通過測試實驗室驗證無線電設備與技術規(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)與驗收測試期間，以可重復方式對接收機的實際性能進行檢測。羅德與施瓦茨公司提供一種針對于數字移動無線接收機和跳頻無線系統(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建真實世界的測試場景。

2 衰落模擬的常見方法

有多種方法可以實現(xiàn)衰落模擬。通常最好的方法是在用來測試接收機的信號發(fā)生器的數字基帶部分產生衰落。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現(xiàn)衰落模擬。這種方法實現(xiàn)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量出現(xiàn)惡化。

在某些應用中，由于無法獲得基帶信號，因此不得不使用射頻衰落技術。例如，對包含信令功能的移動無線基站的實際傳輸性能進行衰落測試時，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據，情況亦是如此。而且目前的真實的電視信號，甚至于簡單的調頻信號，也必須完成衰落條件下的相關測試。

關于移動無線設備的測試，國際電信聯(lián)盟已經制訂了衰落規(guī)范，例如符合GSM和UMTS/WCDMA標準的信道模型。GSM定義了3個傳播模型，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個信道模型，UMTS/WCDMA信道模型衍生出3個模型，即室內模型、步行者模型和車載模型。所有這些信道模型通過對環(huán)境的預期影響進行建模，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量與分布和信道的時延擴展的不同而不同。除了實際的衰落曲線之外，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。

當接收機或者接收機環(huán)境內的任何一個反射物處于移動中時，接收機的相對速度會導致各個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。

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R&S 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。如果實驗室內已經擁有合適的信號發(fā)生器和信號分析儀，與購買一臺單獨的射頻衰落模擬器相比，該方案更加經濟、高效。

需要進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，并通過模數轉換，得到中頻的數字信號。使用 R&S FSQ可以獲得最高達28MHz的實時帶寬。信號分析儀的數字基帶接口傳送連續(xù)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構建的、實時帶寬為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，可以構成實時帶寬高達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線電標準。

(1)移動無線接收機的衰落測試

對于數字式移動無線接收機來說最重要的衰落測試。可以確保即使在最為不利的情況下，基站與移動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式無線接收機進行衰落測試。基站的射頻信號，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式無線接收機的輸入。根據測試時所使用的移動無線標準(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進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

基于軟件定義無線電技術的現(xiàn)代軍用通信系統(tǒng)，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。此類跳頻序列覆蓋的頻率帶寬在超過100MHz，且跳頻速率高達每秒幾千次跳頻。在進行安全通信之前，所涉及的全部無線電系統(tǒng)都必須同步至某個主時鐘。此后，各個無線電設備都依靠單獨的內部系統(tǒng)時鐘去執(zhí)行主機定義的同一個跳頻方式。

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

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

無線電設備生產商必須對跳頻無線電系統(tǒng)在最壞環(huán)境下的性能進行驗證，以優(yōu)化他們的設計方案、驗證無線電設備與系統(tǒng)規(guī)格的一致性。通常，測試實驗室會租借直升機、機場、天線和人員，以執(zhí)行“真實環(huán)境”測試。此測試方法成本極高，相當費時并且諸如天線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(tǒng)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。實際應用中，兩個彼此通信的飛機相隔數百公里遠時，就可能出現(xiàn)這類延遲。測試時，參考收發(fā)機會發(fā)送一個射頻信號至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，所產生的數字 I/Q 流實時傳送至 R&S 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景，從而模擬諸如飛機較大的速度差異等實際環(huán)境。測試信號會上變頻至射頻頻率傳送至被測收發(fā)機，以解調出信號內容。使用示波器比對來自收發(fā)機的同步信號，可以檢測是否獲得了正確的同步。

圖4 機載無線收發(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 R&S SMU200A 的衰落選項，可以使用各種“環(huán)境”場景，快速地檢測出被測試收發(fā)機的性能限制。

R&S FSQ支持高達28MHz的實時信號流分析帶寬。超出此帶寬的跳頻信號，可通過無線設備廠家提供的減小跳頻帶寬方法進行測量。

此測試平臺消除了未知的誤差源。據此，生產商可以對它們的無線設備進行優(yōu)化設計，并且測試實驗室、軍用無線電設備用戶或者系統(tǒng)集成商等均可以根據真實的環(huán)境條件，驗證設備與國際標準和供應商的無線電設備技術規(guī)格之間的一致性。

4 結束語

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。