通道模拟器可提高系统质量同时降低成本

作者：STEVE WILLIAMS

信道模拟器使用基于物理场的精确射频 （RF） 传播模型创建逼真的信号。它们支持用于研发、QA 和生产验证的真实、真实世界的硬件在环测试，从而减少射频通信系统 （COMMS）以及与卫星、无人机 （UAV）、武器、目标、测试靶场、地面系统和飞机一起使用的组件的研发和测试进度和成本。

用于卫星、无人机（UAV）、武器、目标、测试靶场、地面系统和飞机的射频 （RF） 通信系统 （COMMS），尤其是那些保护生命或与昂贵、独特或安全资产相关的系统（COMMS）必须在日益拥挤、干扰重重、低功耗和高噪声的 RF 信号环境中完美运行。

由于这些 COMMS 系统和组件经过设计和测试，因此最初通过众所周知的电路、软件/固件和系统仿真以及严格的链路预算分析来实现性能保证。随着开发的进行，通过使用测试和测量（T&M）仪器进行激励和分析，可以增加保证。

全面和最终验证通常通过大量系统插入来实现，并且包括与所有其他交互系统硬件和软件组件的测试和调试周期 - 在标称和最坏情况信号情景的整个范围内。通常，这些场景包括那些昂贵或危险的创建，耗时的复制，或理论上的，不能或不应该在现实世界中产生的。然而，与这些在没有它们的情况下进行的昂贵而繁琐的测试形成鲜明对比的是，采用通道模拟器的测试可以大大降低与设计不足和过度设计相关的风险，从而节省时间，降低成本并提高测试覆盖率和质量。通道仿真器可实现相同级别的严格测试，对于全面的COMMS系统和组件测试至关重要，但要经济得多。

我们的讨论描述了信道模拟器在测试无线 COMMS 系统中的应用。我们 探索 了 信道 仿真 器 如何提供 物理 服从、 相位 连续 载波 和 信号 多普勒 频移、 范围 延迟 和 范围 衰减 来 测试 信号， 从而 产生 精确 地 重 现 在 实际 系统 部署中 遇到 的 信号 环境。

无线通信测试和信道模拟器

对于激励和分析，强大的无线 COMMS 研发和测试活动利用频谱分析仪、信号发生器、示波器、数据生成器、误码率 （BER）测试仪以及特定于任务和被测硬件、固件和/或软件的其他仪器。

特别是在无线通信系统中，接收器和发射器将处于运动状态并且彼此相距较远，测试仪器必须生成包括时变多普勒频移、延迟和衰减以及噪声和干扰损伤的测试信号。

例如，在测试接收器、解调器和解码算法时，必须验证它们是否保持锁定状态，保持可接受的BER性能，即使接收信号发生频率偏移，并且接收的数据速率由于发射器和接收器的时变相对运动而变化。同样，数字信号处理（DSP）算法必须经过验证，能够从噪声和干扰中提取所需的信号，因为其幅度随时间变化。

信道模拟器创建标称和最坏情况的信号，忠实地模拟自然并进行此类测试。它们以完全相位连续的方式执行其功能，具有平滑的插值和高输出分辨率。这 可确保仪器不会因波形不连续性、不适当的相移、平坦斑点或其他异常而引入数据错误。

通道模拟器执行固有的困难任务，但可以缓冲用户的复杂性。简单、灵活且功能强大的方案创建和可视化是核心属性，下一节中介绍的技术功能也是如此。

通道模拟器 – 多普勒频移

移动发射器和接收器之间的射频信号受到许多射频传播效应的影响。其中第一个是多普勒频移。

等式1描述了基于实际发射频率以及发射器和接收器之间的相对速度的多普勒频移：

满量 = Fa * V/c （1）

其中 Fs = 以 Hz 为单位的多普勒频移;Fa = 实际发射频率（以 Hz 为单位）;V = 发射器和接收器之间的相对速度，以公里/秒为单位;c = 光速（~299，792.458公里/秒）。

等式1如图1所示，表示800公里圆形轨道上的典型LEO卫星，具有1.5 GHz RF COMMS链路。图中显示了信号采集 （AOS） 和信号丢失（LOS） 点。

图 1：多普勒频移曲线示例

使用频谱分析仪观察，在这种情况下，信道模拟器生成的信号会随着时间的流逝从右向左平滑移动（从较高频率到较低频率），就像来自在轨LEO的信号一样。这被称为“载波多普勒频移”。

此外，信道模拟器在其带宽上应用适当的多普勒频移。这意味着，例如，30 MHz宽QPSK信号的高频边沿将比QPSK信号中频率较低的分量接收到更高的多普勒频移。这是载波多普勒频移的一个微妙而重要的方面。

除了载波多普勒频移之外，“信号多普勒频移”是基于数据调制速率的。数据速率与图1类似，但数据速率为垂直刻度。

精心设计的通道仿真器可实现完全相位连续的载波和信号多普勒频移。如果缺少任何一个，因为通道仿真器未被利用，或者一个未完全实现的通道仿真器被利用，仪器可能会引入位错误。

通道模拟器 – 范围延迟

所有 COMMS 系统都会在发射器和接收器之间产生某种形式的传播延迟，无论它们是有线系统、光学系统还是无线无线电系统。

在每种情况下，传播速度都与信号通过的介质的介电常数有关。传播速度表示为光速的百分比。在真空（介电常数= 1）和空气中（介电常数= 1.00054），对于大多数实际目的，传播速度可以被认为是光速的100%。

因此，在无线通信系统中，发射器和接收器之间的传播延迟可以通过将发射器和接收器之间的直线距离除以光速来计算，如公式2所示：

D = R / c （2）

其中 D = 以秒为单位的延迟（s）;R = 以公里为单位的范围;c = 光速（299，792.458公里/秒）。

对于前面讨论的LEO卫星，图2的范围延迟曲线适用。

图 2：低地轨道卫星的延迟曲线示例

当使用用合适的时间同步信号触发的示波器进行观察时，通道模拟器生成的输出信号中的参考点会随着时间的推移从右向左平滑移动（从较大到较小延迟），然后从左向右移动，就像来自在轨LEO的信号一样。

信道模拟器实现平滑和相位连续范围延迟，精确匹配在真实世界RF链路上遇到的情况，例如所描述的LEO卫星。如果没有能够实现如此保真度、高延迟分辨率和范围的通道模拟器进行测试，可能会对被测系统或组件产生不自然的影响。

通道模拟器 – 范围衰减

COMMS 系统性能还取决于接收信号的功率级别。通常，发射器是距离接收器系统很远的低功耗系统。使用动态信号功率电平进行验证以及在最坏情况下验证信号接收是 COMMS 系统测试的关键。

接收信号的功率电平受自由空间路径损耗的影响，自由空间路径损耗可通过公式3计算得出：

L = 32.4 + 20 对数 F + 20 对数 R （3）

其中 L = 以 dB 为单位的自由空间路径损耗;F = 频率（以兆赫为单位）;和 R = 以公里为单位的范围。

对于所讨论的LEO卫星，图3中的路径损耗曲线是可以预期的。

图 3：低地轨道卫星的路径损耗曲线示例

当使用频谱分析仪进行观察时，信道模拟器生成的卫星信号的幅度平滑移动，移动得更低（从更高到更低的功率），然后随着时间的流逝而回升，完全代表所请求的场景。

通道模拟器提高系统保障

通道仿真器具有动态、符合物理特性的多普勒频移、延迟和衰减应用（组合和单独应用），是生成真实测试信号的重要工具，这些信号能够以真实和最坏的情况使用经过测试的硬件、固件和软件。因此，通道模拟器增强型测试可显著提高系统质量，同时降低成本。