射頻衰落模擬器在信號衰落測試中的應用

　　引言

　　決定基站發(fā)射機與移動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。

　　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(wǎng)絡。衰落的另一個關(guān)鍵應用領(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(chǎn)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(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(shù)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(zhuǎn)換為中頻和基帶信號，并轉(zhuǎn)換回原信號，因此有可能導致信號質(zhì)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(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(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(shù)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(nèi)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(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、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(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)字數(shù)據(jù)流，該數(shù)字數(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