射频衰落模拟器在信号衰落测试中的应用

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。

图1 传输过程中的信号衰落现象

众所周知，对于诸如移动电话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。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1ms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。

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入/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入端接入信号分析仪。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。

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