射頻衰落模擬器在信號衰落測試中的應(yīng)用

　　引言

　　決定基站發(fā)射機(jī)與移動接收機(jī)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(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。

　　圖1 傳輸過程中的信號衰落現(xiàn)象

　　眾所周知，對于諸如移動電話等無線設(shè)備應(yīng)該在真實條件下進(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)行性能驗證，以優(yōu)化他們的設(shè)計方案，并通過測試實驗室驗證無線電設(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)與驗收測試期間，以可重復(fù)方式對接收機(jī)的實際性能進(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(gòu)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(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(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際傳輸性能進(jìn)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(shù)據(jù)，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(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(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延擴(kuò)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(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)的任何一個反射物處于移動中時，接收機(jī)的相對速度會導(dǎo)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(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RS FSQ作為下變頻器)和具有數(shù)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。如果實驗室內(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 RS FSQ可以獲得最高達(dá)28MHz的實時帶寬。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RS FSQ和RS SMU200A構(gòu)建的、實時帶寬為28 MHz的射頻衰落模擬器