信道模擬器使用基于物理場的精確射頻 （RF） 傳播模型創建逼真的信號。它們支持用于研發、QA 和生產驗證的真實、真實世界的硬件在環測試，從而減少射頻通信系統 （COMMS） 以及與衛星、無人機 （UAV）、武器、目標、測試靶場、地面系統和飛機一起使用的組件的研發和測試進度和成本。

用于衛星、無人機（UAV）、武器、目標、測試靶場、地面系統和飛機的射頻 （RF） 通信系統 （COMMS），尤其是那些保護生命或與昂貴、獨特或安全資產相關的系統（COMMS）必須在日益擁擠、干擾重重、低功耗和高噪聲的 RF 信號環境中完美運行。

由于這些 COMMS 系統和組件經過設計和測試，因此最初通過眾所周知的電路、軟件/固件和系統仿真以及嚴格的鏈路預算分析來實現性能保證。隨著開發的進行，通過使用測試和測量（T&M）儀器進行激勵和分析，可以增加保證。

全面和最終驗證通常通過大量系統插入來實現，并且包括與所有其他交互系統硬件和軟件組件的測試和調試周期 - 在標稱和最壞情況信號情景的整個范圍內。通常，這些場景包括那些昂貴或危險的創建，耗時的復制，或理論上的，不能或不應該在現實世界中產生的。然而，與這些在沒有它們的情況下進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計不足和過度設計相關的風險，從而節省時間，降低成本并提高測試覆蓋率和質量。通道仿真器可實現相同級別的嚴格測試，對于全面的COMMS系統和組件測試至關重要，但要經濟得多。

我們的討論描述了信道模擬器在測試無線 COMMS 系統中的應用。我們 探索 了 信道 仿真 器 如何 提供 物理 服從、 相位 連續 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 產生 精確 地 重 現 在 實際 系統 部署 中 遇到 的 信號 環境。

無線通信測試和信道模擬器

對于激勵和分析，強大的無線 COMMS 研發和測試活動利用頻譜分析儀、信號發生器、示波器、數據生成器、誤碼率 （BER） 測試儀以及特定于任務和被測硬件、固件和/或軟件的其他儀器。

特別是在無線通信系統中，接收器和發射器將處于運動狀態并且彼此相距較遠，測試儀器必須生成包括時變多普勒頻移、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、解調器和解碼算法時，必須驗證它們是否保持鎖定狀態，保持可接受的BER性能，即使接收信號發生頻率偏移，并且接收的數據速率由于發射器和接收器的時變相對運動而變化。同樣，數字信號處理（DSP）算法必須經過驗證，能夠從噪聲和干擾中提取所需的信號，因為其幅度隨時間變化。

信道模擬器創建標稱和最壞情況的信號，忠實地模擬自然并進行此類測試。它們以完全相位連續的方式執行其功能，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性、不適當的相移、平坦斑點或其他異常而引入數據錯誤。

通道模擬器執行固有的困難任務，但可以緩沖用戶的復雜性。簡單、靈活且功能強大的方案創建和可視化是核心屬性，下一節中介紹的技術功能也是如此。

通道模擬器 – 多普勒頻移

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

等式1描述了基于實際發射頻率以及發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 = 實際發射頻率（以 Hz 為單位）;V = 發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。

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用適當的多普勒頻移。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”是基于數據調制速率的。數據速率與圖1類似，但數據速率為垂直刻度。

精心設計的通道仿真器可實現完全相位連續的載波和信號多普勒頻移。如果缺少任何一個，因為通道仿真器未被利用，或者一個未完全實現的通道仿真器被利用，儀器可能會引入位錯誤。

通道模擬器 – 范圍延遲

所有 COMMS 系統都會在發射器和接收器之間產生某種形式的傳播延遲，無論它們是有線系統、光學系統還是無線無線電系統。

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

因此，在無線通信系統中，發射器和接收器之間的傳播延遲可以通過將發射器和接收器之間的直線距離除以光速來計算，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衛星，圖2的范圍延遲曲線適用。

圖 2：低地軌道衛星的延遲曲線示例

當使用用合適的時間同步信號觸發的示波器進行觀察時，通道模擬器生成的輸出信號中的參考點會隨著時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。

信道模擬器實現平滑和相位連續范圍延遲，精確匹配在真實世界RF鏈路上遇到的情況，例如所描述的LEO衛星。如果沒有能夠實現如此保真度、高延遲分辨率和范圍的通道模擬器進行測試，可能會對被測系統或組件產生不自然的影響。

通道模擬器 – 范圍衰減

COMMS 系統性能還取決于接收信號的功率級別。通常，發射器是距離接收器系統很遠的低功耗系統。使用動態信號功率電平進行驗證以及在最壞情況下驗證信號接收是 COMMS 系統測試的關鍵。

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計算得出：

L = 32.4 + 20 對數 F + 20 對數 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衛星，圖3中的路徑損耗曲線是可以預期的。

圖 3：低地軌道衛星的路徑損耗曲線示例

當使用頻譜分析儀進行觀察時，信道模擬器生成的衛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保障

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

審核編輯：郭婷