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羅德與施瓦茨 無(wú)線信道測(cè)試平臺(tái)
2024-10-18
由于超高清、3D和侵入式視頻的流行，智能家居、視頻監(jiān)控等應(yīng)用的大規(guī)模發(fā)展，在第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)速率，時(shí)延和可靠性提出更高的要求。因此5G系統(tǒng)將會(huì)考慮使用毫米波頻段 (15 GHz，28 GHz等)，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，還需要使用更大的傳輸帶寬，比如1 GHz或者更高。
傳統(tǒng)的移動(dòng)通信頻段都是在6 GHz以下，在這個(gè)頻段積累了大量的信道模型研究結(jié)果。但是對(duì)于毫米波頻段的信道傳播特性卻知之甚少，因此對(duì)毫米波頻段的信道進(jìn)行評(píng)估和探測(cè)是5G技術(shù)研究的關(guān)鍵，尤其是在大帶寬和多天線情況下，對(duì)信道測(cè)量的方法提出了更新的要求。
本文將簡(jiǎn)要介紹信道特征基礎(chǔ)，不同的信道測(cè)量方法，以及羅德與施瓦茨公司針對(duì)毫米波頻段信道測(cè)量，提供的靈活、可升級(jí)的解決方案。
一、無(wú)線信道特性
無(wú)線信號(hào)從發(fā)射天線到接收天線的傳輸過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷各種復(fù)雜的傳播路徑，包括直射路徑、反射路徑、衍射路徑、散射路徑以及這些路徑的隨機(jī)結(jié)合。同時(shí)，電波在各種路徑的傳播過(guò)程中，有用信號(hào)會(huì)受到各種噪聲的污染，因而會(huì)出現(xiàn)不同情形的損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使信號(hào)難以恢復(fù)。無(wú)線信號(hào)在傳播時(shí)，不僅存在自由空間固有的傳輸損耗，還會(huì)受到建筑物、地形等的阻擋而引起信號(hào)功率的衰減和相位的失真，這種衰減還會(huì)由于移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和信道環(huán)境的改變出現(xiàn)隨機(jī)的變化。下面將討論無(wú)線傳輸信道的主要特性。
1、多徑信道
在通信系統(tǒng)中，由于通信地面站天線波束較寬，受地物、地貌和海況等諸多因素的影響，使接收機(jī)收到經(jīng)折射、反射和直射等幾條路徑到達(dá)的電磁波，這種現(xiàn)象就是多徑效應(yīng)。
這些不同路徑到達(dá)的電磁波射線相位不一致且具有時(shí)變性，導(dǎo)致接收信號(hào)呈衰落狀態(tài)；這些電磁波射線到達(dá)的時(shí)延不同，又導(dǎo)致碼間干擾。若多射線強(qiáng)度較大，且時(shí)延差不能忽略，則會(huì)產(chǎn)生誤碼，這種誤碼靠增加發(fā)射功率是不能消除的，而由此多徑效應(yīng)產(chǎn)生的衰落叫多徑衰落，它也是產(chǎn)生碼間干擾的根源。多徑效應(yīng)是除了傳播衰減之外在無(wú)線信道測(cè)量中最重要的特征參數(shù)。
2、時(shí)變定向信道
事實(shí)上，無(wú)線信道是非靜態(tài)的，是隨著時(shí)間而變化的，對(duì)于評(píng)估波束賦形系統(tǒng)來(lái)講，定向時(shí)變信息就顯得更為重要。加上定向信息之后，無(wú)線信道沖擊響應(yīng)可用h(t,τ,φ) 公式表示，其中t為時(shí)間，τ為時(shí)延，φ為方位角。定向時(shí)變信道通過(guò)傅里葉變換可以由下圖中的八個(gè)系統(tǒng)函數(shù)所表示：
圖1 信道系統(tǒng)函數(shù)
二、信道測(cè)量技術(shù)
信道測(cè)量的基本方法就是在無(wú)線信號(hào)特定傳播場(chǎng)景中抓取其中的一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)，用來(lái)表示信道。需要觀察的系統(tǒng)函數(shù)不同，決定了不同的信道測(cè)量方法，常見(jiàn)的信道測(cè)量技術(shù)分為頻域信道測(cè)量和時(shí)域信道測(cè)量?jī)煞N。同時(shí)，由于在5G系統(tǒng)中，大規(guī)模天線陣列和波束賦形技術(shù)的使用，角度信息也成為信道測(cè)量中重要的參數(shù)，下面將分別從頻域、時(shí)域、角度三個(gè)方面介紹信道測(cè)量技術(shù)。
1、頻域信道測(cè)量
頻域信道測(cè)量通常使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)完成，它可以測(cè)量出信道的頻率響應(yīng)參數(shù)，通過(guò)反傅里葉變化可以得到信道的沖擊響應(yīng)。其基本原理如下圖所示：其中X(f)為發(fā)射信號(hào)的頻譜，Y(f)為接收信號(hào)的頻譜。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測(cè)量出各個(gè)頻點(diǎn)的傳輸增益，從而得到信道的頻率響應(yīng)H(f)。
圖2 頻域信道測(cè)量函數(shù)
羅德與施瓦茨公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVA，可以提供從300KHz到110 GHz頻段的測(cè)試，為5G 毫米波頻段的信道測(cè)量提供完整的測(cè)試方案，其示意圖如下：
圖3 ZVA毫米波頻段測(cè)試示意圖
頻域方法的優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)試各種頻段完整的信道響應(yīng)特性，不受信道帶寬的限制。但是也存在著只能測(cè)試時(shí)不變多徑信道，以及外場(chǎng)測(cè)試受限于收發(fā)同臺(tái)儀表等缺點(diǎn)。
2、時(shí)域信道測(cè)量
時(shí)域信道測(cè)量是信道沖擊響應(yīng)直接測(cè)量的方法，通常使用偽隨機(jī)序列作為信道探測(cè)的信號(hào)，在接收端用已知的序列做相關(guān)可以得到信道沖擊響應(yīng)。這種測(cè)量方法需要系統(tǒng)硬件能夠產(chǎn)生和分析寬帶的探測(cè)信號(hào)，才可以完成。理論測(cè)試框圖如下所示：
圖4 時(shí)域信道測(cè)量框圖
羅德與施瓦茨公司針對(duì)時(shí)域信道測(cè)量方案發(fā)射端可以提供矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A，其最大可實(shí)現(xiàn)2 GHz帶寬信號(hào)的產(chǎn)生。同時(shí)，該信號(hào)發(fā)生器單臺(tái)儀表可以產(chǎn)生40 GHz的頻率的信號(hào)，如果配合響應(yīng)外部混頻模塊，可以產(chǎn)生100 GHz頻率的信號(hào)。在接收端，R&S公司的矢量信號(hào)分析儀FSW最高頻率可達(dá)到85 GHz，同樣配合混頻模塊可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 GHz信號(hào)的接收和分析，F(xiàn)SW自身的分析帶寬最大為2 GHz，配合RTO可以實(shí)現(xiàn)5 GHz帶寬信號(hào)的分析。下圖為R&S公司針對(duì)信道探測(cè)的基本測(cè)試環(huán)境，如果在發(fā)射端和接收端分別配置天線，即可實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)測(cè)試：
圖5 R&S信道測(cè)量方案
如果在發(fā)射端和接收端配合相應(yīng)的同步觸發(fā)設(shè)備，還可以測(cè)試出信道的絕對(duì)時(shí)延，R&S公司的TSMX-PP2設(shè)備是一臺(tái)GPS接收機(jī)，同時(shí)可以提供相應(yīng)的PP1信號(hào)作為信號(hào)源和頻譜儀的觸發(fā)信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道的絕對(duì)時(shí)延測(cè)試，實(shí)際測(cè)試示意圖入下：
圖6 絕對(duì)時(shí)延信道測(cè)量方案
3、多天線擴(kuò)展
在5G系統(tǒng)中，大規(guī)模天線陣列以及波束賦性等技術(shù)的使用，對(duì)多天線信道測(cè)量以及信道測(cè)量中的角度信息等參數(shù)也提出了要求。羅德與施瓦茨公司根據(jù)時(shí)域測(cè)量方法，基于定制化的可編程控制轉(zhuǎn)臺(tái)，構(gòu)建了全自動(dòng)化的無(wú)線信道測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在俯仰角和方位角平面的全向掃描，從而實(shí)現(xiàn)天線波束的空間全向覆蓋。本系統(tǒng)實(shí)際使用的主要儀器設(shè)備包括有：矢量信號(hào)分析儀FSW、信號(hào)發(fā)生器SMW、多維度測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)、銣鐘、高增益喇叭天線等。系統(tǒng)框圖如下：
圖7 自動(dòng)化信道測(cè)量方案
使用自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)能夠在空間進(jìn)行方位角和俯仰角360°全向角度掃描，考慮到高頻段電波存在較大的路徑損耗，于是在高頻段無(wú)線信道測(cè)量方案設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)采用了高增益的窄波束喇叭天線通過(guò)在方位角和俯仰角平面進(jìn)行角度掃描來(lái)模擬寬波束的收發(fā)天線，如圖8所示。
圖8 通過(guò)角度掃描模擬寬波束天線示意圖
通過(guò)這種角度掃描的方案不僅可以用來(lái)將窄波束天線模擬成較寬波束的天線，更可通過(guò)較細(xì)致的角度掃描工作來(lái)更加準(zhǔn)確的確定無(wú)線電波的離開(kāi)角 (Angle of Departure, AOD) 和到達(dá)角 (Angle of Arrival, AOA)，如圖9所示。
圖9 采用角度掃描合成的等效全向輻射方向圖(E、H面)
在此系統(tǒng)測(cè)量方案中，使用了可在俯仰角和方位角平面進(jìn)行掃描的，于是在數(shù)據(jù)分析階段，對(duì)同一位置、不同角度的接收信號(hào)采取復(fù)數(shù)疊加的處理方式，某一特定位置的接收信號(hào)Sr計(jì)算如下：
其中，aklmn表示發(fā)射天線處于第k個(gè)俯仰角和第l個(gè)方位角、接收天線處于第m個(gè)俯仰角和第n個(gè)方位角時(shí)接收信號(hào)幅值；φklmn表示發(fā)射天線處于第k個(gè)俯仰角和第l個(gè)方位角、接收天線處于第m個(gè)俯仰角和第n個(gè)方位角時(shí)接收信號(hào)相位。采用復(fù)數(shù)疊加的方法可將不同角度的接收信號(hào)有效的合成，繼而得到精確地功率角度分布譜，后續(xù)的實(shí)際測(cè)量及數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明此方法是有效可行的。
三、小結(jié)
本文簡(jiǎn)要無(wú)線信道的基本特性以及測(cè)量的基本方法，同時(shí)介紹了R&S公司針對(duì)5G信道測(cè)量的解決方案。羅德與施瓦茨公司的矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A，矢量信號(hào)分析儀FSW，以及相應(yīng)軟件組成的信道測(cè)量方案可以提供高靈敏度、大帶寬、毫米波頻段的信道測(cè)量，同時(shí)該方案還可以靈活擴(kuò)展至多天線信道測(cè)量應(yīng)用，為5G技術(shù)的研究提供有力的支持。
四、測(cè)試配置方案
1、R&S羅德與施瓦茨 SMW200A 矢量信號(hào)發(fā)生器
主要特點(diǎn)：
- 頻率最高達(dá) 67 GHz（雙通道：最高 44 GHz）
- 2 GHz 調(diào)制帶寬
- 集成式衰落，最高 800 MHz 帶寬和 8x8MIMO
- 符合所有主要數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)生成
- 高級(jí) GNSS 和雷達(dá)模擬器
性能和功能要求因測(cè)試裝置和應(yīng)用而異。R&S SMW200A 能夠非常出色地滿足各種要求，樹(shù)立了信號(hào)發(fā)生器。R&S SMW200A 性能優(yōu)異，能夠在組件、模塊和完整基站等各類被測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證應(yīng)用中輕松生成合適的測(cè)試信號(hào)。R&S SMW200A 采用靈活的模塊化設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)應(yīng)用需求裝配合適的選件。儀器支持所有配置，包括經(jīng)典的單通道矢量信號(hào)發(fā)生器和多通道 MIMO 接收機(jī)測(cè)試儀。
2、R&S羅德與施瓦茨 FSW 信號(hào)與頻譜分析儀
主要特點(diǎn)：
- 8.3 GHz 內(nèi)部分析帶寬
- 800 MHz 實(shí)時(shí)分析帶寬
- SCPI 記錄器簡(jiǎn)化代碼生成
- 具備相位噪聲和靈敏度
- 高動(dòng)態(tài)范圍實(shí)現(xiàn)出色的 EVM 性能
FSW 高性能信號(hào)與頻譜分析儀重新定義了精度，在日常工作中提供出色的分析結(jié)果。這款功能強(qiáng)大的分析儀具備相位噪聲性能，能夠提供可靠的測(cè)量結(jié)果，非常適合從復(fù)雜的通信系統(tǒng)到射頻器件的廣泛應(yīng)用。無(wú)論是開(kāi)發(fā)高性能雷達(dá)還是表征寬帶器件，F(xiàn)SW 都能提供內(nèi)部分析帶寬和準(zhǔn)確度，樹(shù)立了信號(hào)分析。每天您都可以放心地使用 FSW 來(lái)完成高難度任務(wù)。
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