羅德與施瓦茨 無線信道測試平臺
2024-10-18
由于超高清、3D和侵入式視頻的流行，智能家居、視頻監控等應用的大規模發展，在第五代移動通信系統中將會對數據速率，時延和可靠性提出更高的要求。因此5G系統將會考慮使用毫米波頻段 (15 GHz，28 GHz等)，同時為了實現更高的傳輸速率，還需要使用更大的傳輸帶寬，比如1 GHz或者更高。
傳統的移動通信頻段都是在6 GHz以下，在這個頻段積累了大量的信道模型研究結果。但是對于毫米波頻段的信道傳播特性卻知之甚少，因此對毫米波頻段的信道進行評估和探測是5G技術研究的關鍵，尤其是在大帶寬和多天線情況下，對信道測量的方法提出了更新的要求。
本文將簡要介紹信道特征基礎，不同的信道測量方法，以及羅德與施瓦茨公司針對毫米波頻段信道測量，提供的靈活、可升級的解決方案。
一、無線信道特性
無線信號從發射天線到接收天線的傳輸過程中，會經歷各種復雜的傳播路徑，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結合。同時，電波在各種路徑的傳播過程中，有用信號會受到各種噪聲的污染，因而會出現不同情形的損傷，嚴重時會使信號難以恢復。無線信號在傳播時，不僅存在自由空間固有的傳輸損耗，還會受到建筑物、地形等的阻擋而引起信號功率的衰減和相位的失真，這種衰減還會由于移動臺的運動和信道環境的改變出現隨機的變化。下面將討論無線傳輸信道的主要特性。
1、多徑信道
在通信系統中，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，使接收機收到經折射、反射和直射等幾條路徑到達的電磁波，這種現象就是多徑效應。
這些不同路徑到達的電磁波射線相位不一致且具有時變性，導致接收信號呈衰落狀態；這些電磁波射線到達的時延不同，又導致碼間干擾。若多射線強度較大，且時延差不能忽略，則會產生誤碼，這種誤碼靠增加發射功率是不能消除的，而由此多徑效應產生的衰落叫多徑衰落，它也是產生碼間干擾的根源。多徑效應是除了傳播衰減之外在無線信道測量中最重要的特征參數。
2、時變定向信道
事實上，無線信道是非靜態的，是隨著時間而變化的，對于評估波束賦形系統來講，定向時變信息就顯得更為重要。加上定向信息之后，無線信道沖擊響應可用h(t,τ,φ) 公式表示，其中t為時間，τ為時延，φ為方位角。定向時變信道通過傅里葉變換可以由下圖中的八個系統函數所表示：
圖1 信道系統函數
二、信道測量技術
信道測量的基本方法就是在無線信號特定傳播場景中抓取其中的一個系統函數，用來表示信道。需要觀察的系統函數不同，決定了不同的信道測量方法，常見的信道測量技術分為頻域信道測量和時域信道測量兩種。同時，由于在5G系統中，大規模天線陣列和波束賦形技術的使用，角度信息也成為信道測量中重要的參數，下面將分別從頻域、時域、角度三個方面介紹信道測量技術。
1、頻域信道測量
頻域信道測量通常使用矢量網絡分析儀來完成，它可以測量出信道的頻率響應參數，通過反傅里葉變化可以得到信道的沖擊響應。其基本原理如下圖所示：其中X(f)為發射信號的頻譜，Y(f)為接收信號的頻譜。矢量網絡分析儀可以測量出各個頻點的傳輸增益，從而得到信道的頻率響應H(f)。
圖2 頻域信道測量函數
羅德與施瓦茨公司的矢量網絡分析儀ZVA，可以提供從300KHz到110 GHz頻段的測試，為5G 毫米波頻段的信道測量提供完整的測試方案，其示意圖如下：
圖3 ZVA毫米波頻段測試示意圖
頻域方法的優點是可以測試各種頻段完整的信道響應特性，不受信道帶寬的限制。但是也存在著只能測試時不變多徑信道，以及外場測試受限于收發同臺儀表等缺點。
2、時域信道測量
時域信道測量是信道沖擊響應直接測量的方法，通常使用偽隨機序列作為信道探測的信號，在接收端用已知的序列做相關可以得到信道沖擊響應。這種測量方法需要系統硬件能夠產生和分析寬帶的探測信號，才可以完成。理論測試框圖如下所示：
圖4 時域信道測量框圖
羅德與施瓦茨公司針對時域信道測量方案發射端可以提供矢量信號發生器SMW200A，其最大可實現2 GHz帶寬信號的產生。同時，該信號發生器單臺儀表可以產生40 GHz的頻率的信號，如果配合響應外部混頻模塊，可以產生100 GHz頻率的信號。在接收端，R&S公司的矢量信號分析儀FSW最高頻率可達到85 GHz，同樣配合混頻模塊可以實現高達100 GHz信號的接收和分析，FSW自身的分析帶寬最大為2 GHz，配合RTO可以實現5 GHz帶寬信號的分析。下圖為R&S公司針對信道探測的基本測試環境，如果在發射端和接收端分別配置天線，即可實現外場測試：
圖5 R&S信道測量方案
如果在發射端和接收端配合相應的同步觸發設備，還可以測試出信道的絕對時延，R&S公司的TSMX-PP2設備是一臺GPS接收機，同時可以提供相應的PP1信號作為信號源和頻譜儀的觸發信號，可以實現無線信道的絕對時延測試，實際測試示意圖入下：
圖6 絕對時延信道測量方案
3、多天線擴展
在5G系統中，大規模天線陣列以及波束賦性等技術的使用，對多天線信道測量以及信道測量中的角度信息等參數也提出了要求。羅德與施瓦茨公司根據時域測量方法，基于定制化的可編程控制轉臺，構建了全自動化的無線信道測量系統，可實現在俯仰角和方位角平面的全向掃描，從而實現天線波束的空間全向覆蓋。本系統實際使用的主要儀器設備包括有：矢量信號分析儀FSW、信號發生器SMW、多維度測量轉臺、銣鐘、高增益喇叭天線等。系統框圖如下：
圖7 自動化信道測量方案
使用自動化測量系統能夠在空間進行方位角和俯仰角360°全向角度掃描，考慮到高頻段電波存在較大的路徑損耗，于是在高頻段無線信道測量方案設計時系統采用了高增益的窄波束喇叭天線通過在方位角和俯仰角平面進行角度掃描來模擬寬波束的收發天線，如圖8所示。
圖8 通過角度掃描模擬寬波束天線示意圖
通過這種角度掃描的方案不僅可以用來將窄波束天線模擬成較寬波束的天線，更可通過較細致的角度掃描工作來更加準確的確定無線電波的離開角 (Angle of Departure, AOD) 和到達角 (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)
在此系統測量方案中，使用了可在俯仰角和方位角平面進行掃描的，于是在數據分析階段，對同一位置、不同角度的接收信號采取復數疊加的處理方式，某一特定位置的接收信號Sr計算如下：
其中，aklmn表示發射天線處于第k個俯仰角和第l個方位角、接收天線處于第m個俯仰角和第n個方位角時接收信號幅值；φklmn表示發射天線處于第k個俯仰角和第l個方位角、接收天線處于第m個俯仰角和第n個方位角時接收信號相位。采用復數疊加的方法可將不同角度的接收信號有效的合成，繼而得到精確地功率角度分布譜，后續的實際測量及數據分析結果表明此方法是有效可行的。
三、小結
本文簡要無線信道的基本特性以及測量的基本方法，同時介紹了R&S公司針對5G信道測量的解決方案。羅德與施瓦茨公司的矢量信號發生器SMW200A，矢量信號分析儀FSW，以及相應軟件組成的信道測量方案可以提供高靈敏度、大帶寬、毫米波頻段的信道測量，同時該方案還可以靈活擴展至多天線信道測量應用，為5G技術的研究提供有力的支持。
四、測試配置方案
1、R&S羅德與施瓦茨 SMW200A 矢量信號發生器
主要特點：
- 頻率最高達 67 GHz（雙通道：最高 44 GHz）
- 2 GHz 調制帶寬
- 集成式衰落，最高 800 MHz 帶寬和 8x8MIMO
- 符合所有主要數字通信標準的信號生成
- 高級 GNSS 和雷達模擬器
性能和功能要求因測試裝置和應用而異。R&S SMW200A 能夠非常出色地滿足各種要求，樹立了信號發生器。R&S SMW200A 性能優異，能夠在組件、模塊和完整基站等各類被測設備的開發和驗證應用中輕松生成合適的測試信號。R&S SMW200A 采用靈活的模塊化設計，能夠根據應用需求裝配合適的選件。儀器支持所有配置，包括經典的單通道矢量信號發生器和多通道 MIMO 接收機測試儀。
2、R&S羅德與施瓦茨 FSW 信號與頻譜分析儀
主要特點：
- 8.3 GHz 內部分析帶寬
- 800 MHz 實時分析帶寬
- SCPI 記錄器簡化代碼生成
- 具備相位噪聲和靈敏度
- 高動態范圍實現出色的 EVM 性能
FSW 高性能信號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果。這款功能強大的分析儀具備相位噪聲性能，能夠提供可靠的測量結果，非常適合從復雜的通信系統到射頻器件的廣泛應用。無論是開發高性能雷達還是表征寬帶器件，FSW 都能提供內部分析帶寬和準確度，樹立了信號分析。每天您都可以放心地使用 FSW 來完成高難度任務。
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