R&S?SMW200A矢量信號發生器集成衰落測試解決方案

衰落的定義

多徑效應是幾乎所有類型接收機面臨的主要問題。一般來說，這些是經過不同時間延遲的反射和散射信號，它們在原始傳輸信號到達后再到達接收機。 

每個多徑信號都包含一系列與原始信號不同的失真組合——包括時延、相移、幅度變化和多普勒頻移。當這些多徑信號與直射信號（LOS，視距信號）以建設性或破壞性方式疊加時，接收端會表現出稱為衰落（或多徑衰落）的現象。

圖1展示了一個簡單的多徑場景：汽車內的接收機接收到三個信號——直射信號、來自建筑物的反射信號以及來自路標的散射信號。實際中，影響衰落的主要因素包括：反射、衍射、散射、多普勒頻移（由移動物體引起）、陰影衰落、吸收和折射。以下逐一分析這些因素。

圖1：接收機看到的信號包括原始直射信號、反射信號和散射信號，這些信號之間的相互作用導致了衰減的發生。如果汽車正在移動，信號還會受到多普勒效應的影響，導致信號頻率的變化。這種變化會進一步影響信號的衰減和接收機的性能。

01反射

無線電波在空氣中傳播時，部分信號會從發射端到接收端路徑上的高密度物體表面反彈（見圖1）。這種現象在時域和頻域中均表現出復雜性，涉及不同路徑長度導致的時延、反射引起的相位變化（如相位反轉）等。在數字調制系統中，由此產生的時序誤差會導致碼間干擾（ISI），其作用類似于噪聲，從而降低通信可靠性。

02衍射

盡管直覺上不明顯，但射頻信號在遇到障礙物（如墻壁或拐角）或開口時會發生彎曲。這種現象可以用菲涅爾的理論來解釋，即波前上的每一點都可以被視為一個新的波的源點（圖2）。通過公式可基于距離和波長預測并建模這種行為：

Δ?：兩束波的相位差

圖2：當波前穿過橙色墻體時，產生的衍射現象可能導致接收端出現額外的衰落效應。

03散射

當無線電波遇到粗糙表面時，會像臺球母球撞擊一組子球那樣，向多個隨機方向擴散或"散射"。那么表面需要多"粗糙"才會引發散射呢？對于射頻信號的波長而言，幾乎所有物體都會造成一定程度的散射：路燈、道路標志牌、樹葉、茂密的灌木叢等等。其最終效應是增加了多徑反射信號到達接收機的可能性。

04多普勒頻移

如果您曾遇到過鳴笛的急救車輛從身邊駛過，您會感受到相對速度引起的頻率升高和降低——這就是多普勒頻移（圖3）。類似現象也發生在射頻信號的直射和反射過程中，無論移動物體是發射端、接收端還是傳輸路徑上的其他物體。

圖3：對于兩名靜止的觀察者而言，由于消防車的相對運動，他們聽到的警笛聲頻率會呈現降低（觀察者B）或升高（觀察者A）的現象。

05陰影衰落

在發射機到接收機的路徑上，建筑物或山丘等大型靜止物體會投射出一個射頻陰影，遮蔽主信號。陰影衰減會導致接收功率的隨機變化，這種現象可以使用平均值為零的高斯分布或鐘形曲線來建模（圖4），以描述接收功率的變化規律。

圖4：陰影衰落可視為路燈、標識牌、樹木等物體散射射頻能量所產生的次級效應。由此導致的路徑損耗會隨收發信機之間距離的對數值而變化。

06折射

如同光線穿過棱鏡或透鏡，某些材料會使入射射頻信號在從一種介質進入另一種介質（如空氣到玻璃、空氣到水）時改變方向。完整的衰落模型需考慮此類效應。

07吸收

在傳輸路徑中，水（如雨、雪）和其他材料會吸收射頻能量，從而衰減所有接收信號——包括原始信號、反射信號、衍射信號、散射信號、陰影信號或折射信號。這種效應在11 GHz以上頻段（衛星通信中使用的Ku波段起始頻率）尤為顯著。

PART-02
衰落場景測試

當信號在無線通信道路上遭遇反射、衍射、散射等“絆腳石”時，接收機的性能可能瞬間崩塌。為確保設備在正常工作中的可靠性，我們采用兩種信號類型對接收機進行測試：理想信號和失真信號。

理想信號用于驗證接收機性能是否符合設計目標或公開規格參數。此類測試要求對信號純度進行精確控制，包括標準化的調制信號，常見于設計實驗室和生產線的測試環節。

實際應用場景中，設備接收到的信號會受到發射端失真和物理信道損傷的雙重影響（即發射機損傷和信道損傷）。通過使用可精確控制的失真信號進行測試，可確保接收機在日常運行中保持預期性能。這類測試通常在設計驗證階段實施。

01集成衰落測試

對通信系統最有效的測試方法是以理想信號為基礎，疊加衰落效應后直接輸入接收機。這種測試方案稱為集成衰落測試，需借助矢量信號發生器實現。這種方法可以模擬現實世界中的信號傳輸情況，幫助設計人員和工程師評估接收器的性能并優化其設計。

02集成衰落測試解決方案

雖然直接在真實環境中使用空中傳輸的各種信號來測試接收機頗具吸引力，但這種方法存在明顯缺陷——"野外測試"既不可控也難以復現。取而代之的，是使用集成衰落測試，即在實驗室環境中通過生成理想信號，再疊加典型運行中可能出現的各類損傷和失真，從而構建出最具可重復性的非理想條件測試方案。采用R&S?SMW200A矢量信號發生器配合R&S?SMW-B15寬帶衰落模擬器，即可高效實現這一目標。

R&S?SMW200A能夠滿足多種測試系統和應用場景的性能與功能需求。在開發和驗證階段，無論是元器件、模塊、手機還是完整基站等各類被測設備，該設備都能以卓越性能輕松生成所需測試信號。憑借靈活的模塊化設計，該儀器可配置為從經典單通道矢量信號發生器到多通道MIMO接收機測試系統等多種應用方案（如圖5所示）。

圖5：R&S?SMW200A可配置為最高44GHz輸出頻率、2GHz調制帶寬及800MHz衰落帶寬的工作模式。其可選第二射頻通道支持高達20GHz頻率范圍，最多可配置8個獨立基帶，該通道既可用作干擾源，也可用于擴展衰落信道。

結 語

在無線通信系統中，衰落效應是信號傳輸質量的核心威脅。從城市樓宇的密集反射到高速移動引發的頻移畸變，各類衰落因素時刻威脅著通信的穩定性。為確保設備在復雜環境中的可靠性，實驗室級的衰落測試成為破解這一難題的關鍵。

當衰落場景模擬技術集成于高端矢量信號發生器時，衰落測試能夠全面評估以下要素：

直射信號(LOS)質量

干擾信號影響

多種信道損傷：包括反射、衍射、散射、多普勒效應、陰影衰落、折射及吸收

R&S?SMW200A矢量信號發生器是此類應用的行業標桿設備。如需了解該儀器、可選寬帶衰落模擬模塊及相關軟件功能的詳細信息，歡迎咨詢安泰測試。