射频衰落模拟器：用于测量无线设备和机载无线电台.pdf

[]TELEC0MMUNlCATIONS NETWORK TECHNOLOGY No．1 0 R&S TECHNOLOGY COLUMN 罗德与施瓦茨技术 专栏 黪 喾 簿 徽磅收瓣蒜§棼 辣《辅 糍 辫 ：I瓣 麟嚣 嚣 ◇ 爨＆ A 射频衰落模拟器：用于测量无线设备和 机载秀 缳虐奈 -- Roland Minihold罗德与施瓦茨公司测试；与测量部痰 用开发部门高级应用工程师 譬 鬈 ≯薯■0 一 ：巍鬻 编者按：众所周知，对于诸如移动等无线设备应该在真实条件下进行测试，以确保它们的 工作性能为此，国际电信联盟(ITU)对衰落进行明确规定，以模拟各种传播条件和某些特定的接 收条件使用衰落模拟器，可以在成本昂贵的现场测试之前，即在研发与验收测试期间，以可重复 方式对接收机的实际性能进行检测罗德与施瓦茨公司提供一种针对于数字移动无线接收机和跳 频无线系统的通用的测试解决方案罗德与施瓦茨公司RolandMinihold所撰《射频衰落模拟器：用 于测量无线设备和机载无线电台》一文介绍了如何配合使用带有衰落选件功能的R&S SMU200A 矢量信号源和R&S FSG(或R&S FSQ)信号分析仪快速和低成本地构建真实世界的测试场景。

该 方案极其简洁便于使用 1 引言 决定基站发射机与移动接收机之间的通信质量的 关键因素是信号的传播信道信号在空中传播期间，会 存在衰落现象这意味着如楼宇、山坡或者树木等障碍 物都有可能吸收或反射信号，对其幅度和相位产生明 显影响由于反射、衍谢和本地散射作用，在基站和接 收机之间可能形成多个信号传输路径(见图1)这种所 谓的多径传播现象，会导致接收机接收到同一信号的 不同副本，副本各自的传输路径长度不同、抵达接收机 的时间也不同，且它们的幅值和相位也各异对于移动 式接收机，还可能存在额外的挑战，例如最大和最小信 号强度以及多普勒频移等 众所周知，对于诸如移动等无线设备应该在 真实条件下进行测试，以确保它们的工作性能为此， ·82· 国际电信联盟(ITU)对衰落进行明确规定，以模拟各种 传播条件和某些特定的接收条件但是，衰落并不仅仅 局限于移动无线网络衰落的另一个关键应用领域是 基于软件定义无线电(SDR)技术的现代军事通信系 统它们使用了时间要求非常严格的复杂波形，这些波 形的同步序列极其短暂机载无线电台尤其必须面对 某些极端条件过长的距离会导致被传输信息出现相 当程度的时延无线电波以光速传播，无线通信设备之 间每300km距离会导致约lms的时间延迟。

因此，无 线设备生产商必须对跳频无线系统在最坏环境下进行 性能验证，以优化他们的设计方案，并通过测试实验室 验证无线电设备与技术规范的一致性 使用衰落模拟器，可以在成本昂贵的现场测试之 前，即在研发与验收测试期间，以可重复方式对接收机 的实际性能进行检测罗德与施瓦茨公司提供一种针 罗德与施瓦茨技术专栏 《电信网技术》2010年1O月第10期口 对于数字移动无线接收机和跳频无线系统的通用的测 试解决方案本文介绍如何配合使用带有衰落选件功 能的R&S SMU200A矢量信号源和R&S FSG(或R&S FSQ)信号分析仪快速和低成本地构建真实世界的测试 场景 天线 图1传输过程中的信号衰落现象 2 衰落模拟的常见方法 有多种方法可以实现衰落模拟通常最好的方法 是在用来测试接收机的信号发生器的数字基带部分产 生衰落这种方法使用非常广泛、成本低、效率高，可以 保证最佳测试性能和信号质量的可重复性另一种方 法是在射频输人／射频输出的基础上实现衰落模拟这 种方法实现衰落模拟，成本较为昂贵此外，这种方法 中信号必须转换为中频和基带信号，并转换回原信号， 因此有可能导致信号质量出现恶化 在某些应用中，由于无法获得基带信号，因此不得 不使用射频衰落技术。

例如，对包含信令功能的移动无 线基站的实际传输性能进行衰落测试时，就需要使用 射频衰落模拟器对于具备跳频功能的军用无线数据， 情况亦是如此而且目前的真实的电视信号，甚至于简 单的调频信号，也必须完成衰落条件下的相关测试 关于移动无线设备的测试，国际电信联盟已经制 订了衰落规范，例如符合GSM和UMTS／WCDMA标 准的信道模型GSM定义了3个传播模型，即典型市 区模型、山地模型和乡村地区模型基于国际电信联盟 的3个信道模型，UMTS／WCDMA信道模型衍生出3 个模型，即室内模型、步行者模型和车载模型所有这 些信道模型通过对环境的预期影响进行建模，从而模 拟不同环境下的传播条件ITu信道模型基于抽头延迟 线信道模型，且随着例如衰落路径的数量与分布和信 道的时延扩展的不同而不同除了实际的衰落曲线之 外，还以多普靳频移的方式模拟接收机与发送机之间 的相对移动 当接收机或者接收机环境内的任何一个反射物 处于移动中时，接收机的相对速度会导致各个信号路 径的被传输信号出现频移现象不同路径的信号，会 出现不同程度的多普靳频移，与不同的相位变化速度 相对应 3 搭建射频衰落模拟器 使用带有数字基带接口的信号分析仪(例如R&S FSQ作为下变频器)和具有数字基带输入和衰落选项 功能的射频矢量信号源(例如带有合适选项功能的 R&S SMU200A)，可以方便地搭建射频衰落模拟器。

多 功能的基带衰落和高斯白噪声功能都作用于基带信 号如果实验室内已经拥有合适的信号发生器和信号 分析仪，与购买一台单独的射频衰落模拟器相比，该方 案更加经济、高效 需要进行衰落作用的射频信号从信号分析仪的射 频输人端接人信号分析仪信号分析仪作为下变频器 使用，并通过模数转换，得到中频的数字信号使用 R&S FSQ可以获得最高达28MHz的实时带宽信号 分析仪的数字基带接口传送连续的数字数据流，该数 字数据流与信号源的数字基带输入一致信号发生器的 数字式I／Q输入，通过电压差分信号(LVDS)电缆送入 信号源(见图2)该电缆作为选件提供 按照这种方法搭建，信号源通过RF输出端口发送 射频信号，该信号的电平大小、调制方式和频率与馈入 信号分析仪的RF输入信号相同本信号源具有多种基 带衰落功能，包括高斯噪声(AWGN)均可以作用于上 变频至RF之前的基带信号这两种仪器的组合，可以 构成实时带宽高达28MHz，射频频率高达6GHz的射 ·83· 口TELECOMMUNICATl0NS NETWORK TECHNOLOGY No．1 0 R＆S TECHNOLOGY COLUMN 频衰落模拟器，覆盖了当前包括上行和下行信号的全 部数字无线电标准。

信号分析仪R&SFSQ 基 系统时钟去执行主机定义的同一个跳频方式 用于两个无线电设备之间建立连接的同步窗口极 矢量信号发生器R&SSMU 图2 使用R&S FSQ和R&S SMU200A构建的、实时 带宽为28 MHz的射频衰落模拟器 (1)移动无线接收机的衰落测试 对于数字式移动无线接收机来说最 重要的衰落测试可以确保即使在最为不 利的情况下，基站与移动接收机之间也可 以保持良好的通信 图3演示了测试工程师如何对移动 式无线接收机进行衰落测试基站的射 频信号，通过功率衰减器，馈人信号分析 仪的RF输入端测试工程师将信号分析 仪的数字基带输出连接至信号发生器的 数字基带输入信号分析仪和信号发生 器构成衰落模拟器之后，信号发生器的 输出信号必须按所需电平大小馈人移动 式无线接收机的输入根据测试时所使 用的移动无线标准(GSM，3GPP，LTE 等)，用户可以在R&S SMU200A中执行 各种衰落场景 (2)军用机载收发信机的衰落测试 基于软件定义无线电技术的现代军 用通信系统，使用具备极短的同步序列的 其短暂时间延迟和各个系统时钟 的准确性就极为关键这些系统时 钟必须频繁地与主机实现再同步。

但是，无线电设备还必须能够处理 时间延迟以及因任意跳频方式所 导致的信号特性 机载无线电台尤其必须面对 某些极端条件无线电设备之间 的距离过长时，信号延迟有时长 达数毫秒最坏的情况下，根本无 法建立通信链路此外，飞行器的 超音速导致的多普勒频移也会给 接收信号带来问题 基站 试的移动式 接收机 I I } I I I 图3使用基站信号对移动无线接收机进行衰落测试的测试设置 复杂波形此外，还采用了宽带快速跳频方法作为电子 保护措施此类跳频序列覆盖的频率带宽在超过 100MHz，且跳频速率高达每秒几千次跳频在进行安 全通信之前，所涉及的全部无线电系统都必须同步至 某个主时钟此后，各个无线电设备都依靠单独的内部 ·84· 无线电设备生产商必须对跳频无线电系统在最坏 环境下的性能进行验证，以优化他们的设计方案、验证 无线电设备与系统规格的一致性通常，测试实验室会 租借直升机、机场、天线和人员，以执行“真实环境”测 试此测试方法成本极高，相当费时并且诸如天线分布 罗德与施瓦茨技术专栏 《电信网~)}2010年1O月第10期口 和其它参数等的大量已知和未知误差源， 甚至严重劣化这种传统方法的测试结果。

都可能影响 的减小跳频带宽方法进行测量 图4所示为军用快速跳频机载收发机的测试平 台信号源的衰落模块可以设置并为被传输信号引入 毫秒级的信号延迟，使用该信号延迟，可以检测接收机 (下侧设备)与发信机(上侧设备)之间的同步功能实 际应用中，两个彼此通信的飞机相隔数百公里远时，就 可能出现这类延迟测试时，参考收发机会发送一个射 频信号至R&S FSQ信号分析仪，信号分析仪将信号下 变频至基带这一过程中，所产生的数字I／Q流实时传 送至R&S SMU200A矢量信号源信号源内部的衰落选 件为该信号施加预置的延迟、衰落和多谱靳速度场景， 从而模拟诸如飞机较大的速度差异等实际环境测试 信号会上变频至射频频率传送至被测收发机，以解调 出信号内容使用示波器比对来自收发机的同步信号， 可以检测是否获得了正确的同步 通过R&S SMU200A的衰落选项，可以使用各种 “环境”场景，快速地检测出被测试收发机的性能限制 R&S FSQ支持高达28MHz的实时信号流分析带 宽超出此带宽的跳频信号，可通过无线设备厂家提供 此测试平台消除了未知的误差源据此，生产商可 以对它们的无线设备进行优化设计，并且测试实验室、 军用无线电设备用户或者系统集成商等均可以根据真 实的环境条件，验证设备与国际标准和供应商的无线 电设备技术规格之间的一致性。

4 结束语 采用带有数字基带接口的信号分析仪(用作下变 频器)和带有数字基带输入和衰落选项功能的矢量信 号源，可以方便地构建通用射频衰落模拟器矢量信号 源通用基带衰落功能，包括高斯白噪声，均可用于处理 不同应用的射频信号 对于已经拥有合适的、可用的信号分析仪和矢量 信号源的工程师来说，与购买单独的衰落模拟器相比， 上述测试平台是一种极为高效的解决方案 图4机载无线收发信机的衰落测试——可以模拟在几百公里传输 距离和高速变化条件下的收发信机同步测试 ·85- 。