罗德与施瓦茨 无线信道测试平台
2024-10-18
由于超高清、3D和侵入式视频的流行，智能家居、视频监控等应用的大规模发展，在第五代移动通信系统中将会对数据速率，时延和可靠性提出更高的要求。因此5G系统将会考虑使用毫米波频段 (15 GHz，28 GHz等)，同时为了实现更高的传输速率，还需要使用更大的传输带宽，比如1 GHz或者更高。
传统的移动通信频段都是在6 GHz以下，在这个频段积累了大量的信道模型研究结果。但是对于毫米波频段的信道传播特性却知之甚少，因此对毫米波频段的信道进行评估和探测是5G技术研究的关键，尤其是在大带宽和多天线情况下，对信道测量的方法提出了更新的要求。
本文将简要介绍信道特征基础，不同的信道测量方法，以及罗德与施瓦茨公司针对毫米波频段信道测量，提供的灵活、可升级的解决方案。
一、无线信道特性
无线信号从发射天线到接收天线的传输过程中，会经历各种复杂的传播路径，包括直射路径、反射路径、衍射路径、散射路径以及这些路径的随机结合。同时，电波在各种路径的传播过程中，有用信号会受到各种噪声的污染，因而会出现不同情形的损伤，严重时会使信号难以恢复。无线信号在传播时，不仅存在自由空间固有的传输损耗，还会受到建筑物、地形等的阻挡而引起信号功率的衰减和相位的失真，这种衰减还会由于移动台的运动和信道环境的改变出现随机的变化。下面将讨论无线传输信道的主要特性。
1、多径信道
在通信系统中，由于通信地面站天线波束较宽，受地物、地貌和海况等诸多因素的影响，使接收机收到经折射、反射和直射等几条路径到达的电磁波，这种现象就是多径效应。
这些不同路径到达的电磁波射线相位不一致且具有时变性，导致接收信号呈衰落状态；这些电磁波射线到达的时延不同，又导致码间干扰。若多射线强度较大，且时延差不能忽略，则会产生误码，这种误码靠增加发射功率是不能消除的，而由此多径效应产生的衰落叫多径衰落，它也是产生码间干扰的根源。多径效应是除了传播衰减之外在无线信道测量中最重要的特征参数。
2、时变定向信道
事实上，无线信道是非静态的，是随着时间而变化的，对于评估波束赋形系统来讲，定向时变信息就显得更为重要。加上定向信息之后，无线信道冲击响应可用h(t,τ,φ) 公式表示，其中t为时间，τ为时延，φ为方位角。定向时变信道通过傅里叶变换可以由下图中的八个系统函数所表示：
图1 信道系统函数
二、信道测量技术
信道测量的基本方法就是在无线信号特定传播场景中抓取其中的一个系统函数，用来表示信道。需要观察的系统函数不同，决定了不同的信道测量方法，常见的信道测量技术分为频域信道测量和时域信道测量两种。同时，由于在5G系统中，大规模天线阵列和波束赋形技术的使用，角度信息也成为信道测量中重要的参数，下面将分别从频域、时域、角度三个方面介绍信道测量技术。
1、频域信道测量
频域信道测量通常使用矢量网络分析仪来完成，它可以测量出信道的频率响应参数，通过反傅里叶变化可以得到信道的冲击响应。其基本原理如下图所示：其中X(f)为发射信号的频谱，Y(f)为接收信号的频谱。矢量网络分析仪可以测量出各个频点的传输增益，从而得到信道的频率响应H(f)。
图2 频域信道测量函数
罗德与施瓦茨公司的矢量网络分析仪ZVA，可以提供从300KHz到110 GHz频段的测试，为5G 毫米波频段的信道测量提供完整的测试方案，其示意图如下：
图3 ZVA毫米波频段测试示意图
频域方法的优点是可以测试各种频段完整的信道响应特性，不受信道带宽的限制。但是也存在着只能测试时不变多径信道，以及外场测试受限于收发同台仪表等缺点。
2、时域信道测量
时域信道测量是信道冲击响应直接测量的方法，通常使用伪随机序列作为信道探测的信号，在接收端用已知的序列做相关可以得到信道冲击响应。这种测量方法需要系统硬件能够产生和分析宽带的探测信号，才可以完成。理论测试框图如下所示：
图4 时域信道测量框图
罗德与施瓦茨公司针对时域信道测量方案发射端可以提供矢量信号发生器SMW200A，其最大可实现2 GHz带宽信号的产生。同时，该信号发生器单台仪表可以产生40 GHz的频率的信号，如果配合响应外部混频模块，可以产生100 GHz频率的信号。在接收端，R&S公司的矢量信号分析仪FSW最高频率可达到85 GHz，同样配合混频模块可以实现高达100 GHz信号的接收和分析，FSW自身的分析带宽最大为2 GHz，配合RTO可以实现5 GHz带宽信号的分析。下图为R&S公司针对信道探测的基本测试环境，如果在发射端和接收端分别配置天线，即可实现外场测试：
图5 R&S信道测量方案
如果在发射端和接收端配合相应的同步触发设备，还可以测试出信道的绝对时延，R&S公司的TSMX-PP2设备是一台GPS接收机，同时可以提供相应的PP1信号作为信号源和频谱仪的触发信号，可以实现无线信道的绝对时延测试，实际测试示意图入下：
图6 绝对时延信道测量方案
3、多天线扩展
在5G系统中，大规模天线阵列以及波束赋性等技术的使用，对多天线信道测量以及信道测量中的角度信息等参数也提出了要求。罗德与施瓦茨公司根据时域测量方法，基于定制化的可编程控制转台，构建了全自动化的无线信道测量系统，可实现在俯仰角和方位角平面的全向扫描，从而实现天线波束的空间全向覆盖。本系统实际使用的主要仪器设备包括有：矢量信号分析仪FSW、信号发生器SMW、多维度测量转台、铷钟、高增益喇叭天线等。系统框图如下：
图7 自动化信道测量方案
使用自动化测量系统能够在空间进行方位角和俯仰角360°全向角度扫描，考虑到高频段电波存在较大的路径损耗，于是在高频段无线信道测量方案设计时系统采用了高增益的窄波束喇叭天线通过在方位角和俯仰角平面进行角度扫描来模拟宽波束的收发天线，如图8所示。
图8 通过角度扫描模拟宽波束天线示意图
通过这种角度扫描的方案不仅可以用来将窄波束天线模拟成较宽波束的天线，更可通过较细致的角度扫描工作来更加准确的确定无线电波的离开角 (Angle of Departure, AOD) 和到达角 (Angle of Arrival, AOA)，如图9所示。
图9 采用角度扫描合成的等效全向辐射方向图(E、H面)
在此系统测量方案中，使用了可在俯仰角和方位角平面进行扫描的，于是在数据分析阶段，对同一位置、不同角度的接收信号采取复数叠加的处理方式，某一特定位置的接收信号Sr计算如下：
其中，aklmn表示发射天线处于第k个俯仰角和第l个方位角、接收天线处于第m个俯仰角和第n个方位角时接收信号幅值；φklmn表示发射天线处于第k个俯仰角和第l个方位角、接收天线处于第m个俯仰角和第n个方位角时接收信号相位。采用复数叠加的方法可将不同角度的接收信号有效的合成，继而得到精确地功率角度分布谱，后续的实际测量及数据分析结果表明此方法是有效可行的。
三、小结
本文简要无线信道的基本特性以及测量的基本方法，同时介绍了R&S公司针对5G信道测量的解决方案。罗德与施瓦茨公司的矢量信号发生器SMW200A，矢量信号分析仪FSW，以及相应软件组成的信道测量方案可以提供高灵敏度、大带宽、毫米波频段的信道测量，同时该方案还可以灵活扩展至多天线信道测量应用，为5G技术的研究提供有力的支持。
四、测试配置方案
1、R&S罗德与施瓦茨 SMW200A 矢量信号发生器
主要特点：
- 频率最高达 67 GHz（双通道：最高 44 GHz）
- 2 GHz 调制带宽
- 集成式衰落，最高 800 MHz 带宽和 8x8MIMO
- 符合所有主要数字通信标准的信号生成
- 高级 GNSS 和雷达模拟器
性能和功能要求因测试装置和应用而异。R&S SMW200A 能够非常出色地满足各种要求，树立了信号发生器。R&S SMW200A 性能优异，能够在组件、模块和完整基站等各类被测设备的开发和验证应用中轻松生成合适的测试信号。R&S SMW200A 采用灵活的模块化设计，能够根据应用需求装配合适的选件。仪器支持所有配置，包括经典的单通道矢量信号发生器和多通道 MIMO 接收机测试仪。
2、R&S罗德与施瓦茨 FSW 信号与频谱分析仪
主要特点：
- 8.3 GHz 内部分析带宽
- 800 MHz 实时分析带宽
- SCPI 记录器简化代码生成
- 具备相位噪声和灵敏度
- 高动态范围实现出色的 EVM 性能
FSW 高性能信号与频谱分析仪重新定义了精度，在日常工作中提供出色的分析结果。这款功能强大的分析仪具备相位噪声性能，能够提供可靠的测量结果，非常适合从复杂的通信系统到射频器件的广泛应用。无论是开发高性能雷达还是表征宽带器件，FSW 都能提供内部分析带宽和准确度，树立了信号分析。每天您都可以放心地使用 FSW 来完成高难度任务。
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