信道模擬器使用基于物理場的精確射頻 （RF） 傳播模型創(chuàng)建逼真的信號。它們支持用于研發(fā)、QA 和生產(chǎn)驗(yàn)證的真實(shí)、真實(shí)世界的硬件在環(huán)測試，從而減少射頻通信系統(tǒng) （COMMS） 以及與衛(wèi)星、無人機(jī) （UAV）、武器、目標(biāo)、測試靶場、地面系統(tǒng)和飛機(jī)一起使用的組件的研發(fā)和測試進(jìn)度和成本。

用于衛(wèi)星、無人機(jī)（UAV）、武器、目標(biāo)、測試靶場、地面系統(tǒng)和飛機(jī)的射頻 （RF） 通信系統(tǒng) （COMMS），尤其是那些保護(hù)生命或與昂貴、獨(dú)特或安全資產(chǎn)相關(guān)的系統(tǒng)（COMMS）必須在日益擁擠、干擾重重、低功耗和高噪聲的 RF 信號環(huán)境中完美運(yùn)行。

由于這些 COMMS 系統(tǒng)和組件經(jīng)過設(shè)計(jì)和測試，因此最初通過眾所周知的電路、軟件/固件和系統(tǒng)仿真以及嚴(yán)格的鏈路預(yù)算分析來實(shí)現(xiàn)性能保證。隨著開發(fā)的進(jìn)行，通過使用測試和測量（T&M）儀器進(jìn)行激勵(lì)和分析，可以增加保證。

全面和最終驗(yàn)證通常通過大量系統(tǒng)插入來實(shí)現(xiàn)，并且包括與所有其他交互系統(tǒng)硬件和軟件組件的測試和調(diào)試周期 - 在標(biāo)稱和最壞情況信號情景的整個(gè)范圍內(nèi)。通常，這些場景包括那些昂貴或危險(xiǎn)的創(chuàng)建，耗時(shí)的復(fù)制，或理論上的，不能或不應(yīng)該在現(xiàn)實(shí)世界中產(chǎn)生的。然而，與這些在沒有它們的情況下進(jìn)行的昂貴而繁瑣的測試形成鮮明對比的是，采用通道模擬器的測試可以大大降低與設(shè)計(jì)不足和過度設(shè)計(jì)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，從而節(jié)省時(shí)間，降低成本并提高測試覆蓋率和質(zhì)量。通道仿真器可實(shí)現(xiàn)相同級別的嚴(yán)格測試，對于全面的COMMS系統(tǒng)和組件測試至關(guān)重要，但要經(jīng)濟(jì)得多。

我們的討論描述了信道模擬器在測試無線 COMMS 系統(tǒng)中的應(yīng)用。我們 探索 了 信道 仿真 器 如何 提供 物理 服從、 相位 連續(xù) 載波 和 信號 多普勒 頻移、 范圍 延遲 和 范圍 衰減 來 測試 信號， 從而 產(chǎn)生 精確 地 重 現(xiàn) 在 實(shí)際 系統(tǒng) 部署 中 遇到 的 信號 環(huán)境。

無線通信測試和信道模擬器

對于激勵(lì)和分析，強(qiáng)大的無線 COMMS 研發(fā)和測試活動利用頻譜分析儀、信號發(fā)生器、示波器、數(shù)據(jù)生成器、誤碼率 （BER） 測試儀以及特定于任務(wù)和被測硬件、固件和/或軟件的其他儀器。

特別是在無線通信系統(tǒng)中，接收器和發(fā)射器將處于運(yùn)動狀態(tài)并且彼此相距較遠(yuǎn)，測試儀器必須生成包括時(shí)變多普勒頻移、延遲和衰減以及噪聲和干擾損傷的測試信號。

例如，在測試接收器、解調(diào)器和解碼算法時(shí)，必須驗(yàn)證它們是否保持鎖定狀態(tài)，保持可接受的BER性能，即使接收信號發(fā)生頻率偏移，并且接收的數(shù)據(jù)速率由于發(fā)射器和接收器的時(shí)變相對運(yùn)動而變化。同樣，數(shù)字信號處理（DSP）算法必須經(jīng)過驗(yàn)證，能夠從噪聲和干擾中提取所需的信號，因?yàn)槠浞入S時(shí)間變化。

信道模擬器創(chuàng)建標(biāo)稱和最壞情況的信號，忠實(shí)地模擬自然并進(jìn)行此類測試。它們以完全相位連續(xù)的方式執(zhí)行其功能，具有平滑的插值和高輸出分辨率。這 可確保儀器不會因波形不連續(xù)性、不適當(dāng)?shù)南嘁?、平坦斑點(diǎn)或其他異常而引入數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

通道模擬器執(zhí)行固有的困難任務(wù)，但可以緩沖用戶的復(fù)雜性。簡單、靈活且功能強(qiáng)大的方案創(chuàng)建和可視化是核心屬性，下一節(jié)中介紹的技術(shù)功能也是如此。

通道模擬器 – 多普勒頻移

移動發(fā)射器和接收器之間的射頻信號受到許多射頻傳播效應(yīng)的影響。其中第一個(gè)是多普勒頻移。

等式1描述了基于實(shí)際發(fā)射頻率以及發(fā)射器和接收器之間的相對速度的多普勒頻移：

滿量 = Fa * V/c （1）

其中 Fs = 以 Hz 為單位的多普勒頻移;Fa = 實(shí)際發(fā)射頻率（以 Hz 為單位）;V = 發(fā)射器和接收器之間的相對速度，以公里/秒為單位;c = 光速（~299，792.458公里/秒）。

等式1如圖1所示，表示800公里圓形軌道上的典型LEO衛(wèi)星，具有1.5 GHz RF COMMS鏈路。圖中顯示了信號采集 （AOS） 和信號丟失 （LOS） 點(diǎn)。

圖 1：多普勒頻移曲線示例

使用頻譜分析儀觀察，在這種情況下，信道模擬器生成的信號會隨著時(shí)間的流逝從右向左平滑移動（從較高頻率到較低頻率），就像來自在軌LEO的信號一樣。這被稱為“載波多普勒頻移”。

此外，信道模擬器在其帶寬上應(yīng)用適當(dāng)?shù)亩嗥绽疹l移。這意味著，例如，30 MHz寬QPSK信號的高頻邊沿將比QPSK信號中頻率較低的分量接收到更高的多普勒頻移。這是載波多普勒頻移的一個(gè)微妙而重要的方面。

除了載波多普勒頻移之外，“信號多普勒頻移”是基于數(shù)據(jù)調(diào)制速率的。數(shù)據(jù)速率與圖1類似，但數(shù)據(jù)速率為垂直刻度。

精心設(shè)計(jì)的通道仿真器可實(shí)現(xiàn)完全相位連續(xù)的載波和信號多普勒頻移。如果缺少任何一個(gè)，因?yàn)橥ǖ婪抡嫫魑幢焕茫蛘咭粋€(gè)未完全實(shí)現(xiàn)的通道仿真器被利用，儀器可能會引入位錯(cuò)誤。

通道模擬器 – 范圍延遲

所有 COMMS 系統(tǒng)都會在發(fā)射器和接收器之間產(chǎn)生某種形式的傳播延遲，無論它們是有線系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)還是無線無線電系統(tǒng)。

在每種情況下，傳播速度都與信號通過的介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。傳播速度表示為光速的百分比。在真空（介電常數(shù)= 1）和空氣中（介電常數(shù)= 1.00054），對于大多數(shù)實(shí)際目的，傳播速度可以被認(rèn)為是光速的100%。

因此，在無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射器和接收器之間的傳播延遲可以通過將發(fā)射器和接收器之間的直線距離除以光速來計(jì)算，如公式2所示：

D = R / c （2）

其中 D = 以秒為單位的延遲（s）;R = 以公里為單位的范圍;c = 光速（299，792.458公里/秒）。

對于前面討論的LEO衛(wèi)星，圖2的范圍延遲曲線適用。

圖 2：低地軌道衛(wèi)星的延遲曲線示例

當(dāng)使用用合適的時(shí)間同步信號觸發(fā)的示波器進(jìn)行觀察時(shí)，通道模擬器生成的輸出信號中的參考點(diǎn)會隨著時(shí)間的推移從右向左平滑移動（從較大到較小延遲），然后從左向右移動，就像來自在軌LEO的信號一樣。

信道模擬器實(shí)現(xiàn)平滑和相位連續(xù)范圍延遲，精確匹配在真實(shí)世界RF鏈路上遇到的情況，例如所描述的LEO衛(wèi)星。如果沒有能夠?qū)崿F(xiàn)如此保真度、高延遲分辨率和范圍的通道模擬器進(jìn)行測試，可能會對被測系統(tǒng)或組件產(chǎn)生不自然的影響。

通道模擬器 – 范圍衰減

COMMS 系統(tǒng)性能還取決于接收信號的功率級別。通常，發(fā)射器是距離接收器系統(tǒng)很遠(yuǎn)的低功耗系統(tǒng)。使用動態(tài)信號功率電平進(jìn)行驗(yàn)證以及在最壞情況下驗(yàn)證信號接收是 COMMS 系統(tǒng)測試的關(guān)鍵。

接收信號的功率電平受自由空間路徑損耗的影響，自由空間路徑損耗可通過公式3計(jì)算得出：

L = 32.4 + 20 對數(shù) F + 20 對數(shù) R （3）

其中 L = 以 dB 為單位的自由空間路徑損耗;F = 頻率（以兆赫為單位）;和 R = 以公里為單位的范圍。

對于所討論的LEO衛(wèi)星，圖3中的路徑損耗曲線是可以預(yù)期的。

圖 3：低地軌道衛(wèi)星的路徑損耗曲線示例

當(dāng)使用頻譜分析儀進(jìn)行觀察時(shí)，信道模擬器生成的衛(wèi)星信號的幅度平滑移動，移動得更低（從更高到更低的功率），然后隨著時(shí)間的流逝而回升，完全代表所請求的場景。

通道模擬器提高系統(tǒng)保障

通道仿真器具有動態(tài)、符合物理特性的多普勒頻移、延遲和衰減應(yīng)用（組合和單獨(dú)應(yīng)用），是生成真實(shí)測試信號的重要工具，這些信號能夠以真實(shí)和最壞的情況使用經(jīng)過測試的硬件、固件和軟件。因此，通道模擬器增強(qiáng)型測試可顯著提高系統(tǒng)質(zhì)量，同時(shí)降低成本。

審核編輯：郭婷