射頻衰落模擬器在信號(hào)衰落測(cè)試中的應(yīng)用

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)線電波以光速傳播，無(wú)線通信設(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)線設(shè)備生產(chǎn)商必須對(duì)跳頻無(wú)線系統(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)線接收機(jī)和跳頻無(wú)線系統(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R&S SMU200A矢量信號(hào)源和R&S FSG(或 R&S 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。基于國(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(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(hào)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(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 R&S 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