Эмулятор беспроводного канала связи с переключаемым режимом дуплексного разнесения приема и передачи
EMULATOR OF A WIRELESS COMMUNICATION CHANNEL WITH SWITCHABLE MODE OF DUPLEX RECEPTION AND TRANSMISSION DIVERSITY

Область техники
Изобретение относится к области испытательного оборудования, а именно к устройствам имитации широкополосного радиочастотного канала беспроводной связи с многолучевым распространением для мониторинга или испытаний приемопередающих радиочастотных систем связи, поддерживающих работу по технологии MIMO.
Уровень техники
В последнее десятилетие наблюдается активное развитие беспроводных технологий для различных приложений высокоскоростной передачи данных. Так, например, на замену мобильным сетям стандарта 4G, долгое время отвечавшим всем запросам пользователей, приходят беспроводные технологии пятого поколения 5G. Активное развитие нового стандарта было инициировано в 2015 году консорциумом по разработке спецификаций для мобильной телефонии 3GPP. Новый стандарт связи гарантирует  доступность широкополосного подключения, сверхнадежные масштабные системы коммуникации между устройствами, а также меньшее время задержки. Обеспечение этих преимуществ, а также существенное увеличение пропускной способности вплоть до десятков Гб/с достигается за счет применения нового радиочастотного интерфейса NR (New Radio), построенного по принципу MIMO (Multiple Input Multiple Output), подразумевающего применение нескольких приемных и передающих каналов. В настоящее время работа сетей пятого поколения специфицирована для множества частотных диапазонов, сгруппированных в два больших кластера: FR1 (410 - 7125 МГц) и FR2 (24,25 - 52,6 ГГц).
Использование более продвинутых технологий радиодоступа направлено в том числе и на обеспечение высоких скоростей передачи данных даже в условиях плотной городской застройки, а также в активно развивающейся инфраструктуре больших городов (транспортные системы, вокзалы/аэропорты, стадионы и т. д.). Вполне очевидно, что применение систем связи нового поколения в таких непростых для реализации сценариях требует тщательного тестирования беспроводных устройств, в том числе и на этапе разработки. В то же время выявление и устранение неисправностей, которые присущи всем разработкам в области телекоммуникаций, непосредственно в реальных условиях непременно приводит к значительным трудовым и финансовым затратам.
Для оптимизации процесса испытаний современных беспроводных систем в настоящее время широко применяются так называемые эмуляторы беспроводного канала связи, в том числе и МIМО канала. Такие устройства являются эффективным средством для отладки мобильных сетей 5-го поколения и других типов беспроводной связи, позволяя провести полноценное лабораторное тестирование всей системы или ее отдельных устройств, что существенно облегчает и удешевляет анализ производительности тестируемой системы и ее оптимизацию.
Таким образом, основной функцией эмулятора является воссоздание реальных сценариев работы беспроводных МIМО каналов. Такой функционал реализуется за счет обработки сигнала в цифровой области, где происходит добавление в него искажений, связанных с эффектами распространения сигнала в реальных условиях того или иного сценария работы при минимуме нежелательных искажений.
Основными типами искажений сигнала, поддерживаемых современными эмуляторами, являются:
Затухание сигнала при распространении между устройствами;
Задержка распространения сигнала между устройствами;
Взаимные помехи;
Линейные искажения сигнала при распространении в каждом канале, включая временную дисперсию сигнала (многолучевые эффекты).
Помимо этого, современные эмуляторы позволяют также оценивать трехмерную пространственную и поляризационную структуру поля излучения для корректной эмуляции работы многоэлементных антенных решеток. При этом следует понимать, что для тестирования устройств, предназначенных для работы в сетях 5-го поколения, современные эмуляторы, должны поддерживать работу в широком диапазоне частот.
US 2006/0229018
В открытой литературе известно несколько подходов для реализации эмулятора беспроводного MIMO канала связи. Так, в заявке  (Apparatus And Method For Use In Testing Wireless Devices) описан один из методов эмуляции радиоканала, как показано на Фиг. 1. Представленная архитектура, являющаяся модульной, позволяет тестировать как системы с одним приемником и передатчиком, так и устройства, работающие по принципу МIМО. Также используется и объединительная панель с радиочастотными сумматорами, установленная в защитный корпус, образуя тем самым удобную платформу-шасси для эффективной интеграции дополнительных модулей. Однако, описанный в патенте подход на основе процессорной архитектуры с применением коммутируемой матрицы переключателей, имеет большой недостаток, заключающийся в значительном усложнении устройства эмулятора при увеличении размерности MIMO, что приводит к экспоненциальному росту количества возможных коммутационных связей каналов. При этом переключатели, количество которых пропорционально размерности MIMO, необходимо также синхронизировать между собой. Это рождает проблемы в реализации высокопроизводительного вычислительного оборудования в реальном времени, в том числе и цифрового блока обработки сигналов.
Оптимальной платформой для реализации цифрового блока в настоящее время являются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). ПЛИС помогают наиболее эффективно производить цифровую обработку и добавление искажений, связанных с распространением сигнала в канале связи. Современные мощные ПЛИС также позволяют проводить аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование сигналов, формировать тактовый сигнал, контрольные сигналы управления для приемной и передающей частей и даже радиочастотный сигнал, включающий в себя необходимые искажения.
Нужно также отметить, что одной из очень важных характеристик беспроводных устройств является реализация в них разделения приемных и передающих каналов (дуплексирование). Традиционно в системах связи, в том числе и современных, применяются две техники дуплекса: 1) Временное разделение (Time Division Duplex - TDD) 2) Частотное разделение (Frequency Division Duplex - FDD). Таким образом, эмулятор должен быть способен подключать системы, как с одним, так и с другим типом дуплексирования, т. е. иметь возможность эффективно переключаться между этими режимами, что является абсолютно нетривиальной задачей.
US 2003/0236089
Например, в известной из заявки  (Wireless Simulator) реализации эмулятора, показанной на Фиг. 2, разделение приемных и передающих каналов осуществлено посредством применения частотного дуплексера, принцип работы которого заключается в применении двух фильтров с непересекающимися окнами прозрачности амплитудно-частотных характеристик (АЧХ): окно прозрачности АЧХ одного фильтра соответствует полосе частот тракта приема, другого - полосе частот тракта передачи. Таким образом, раскрытый в патенте эмулятор позволяет подключать системы только с частотным разделением, что существенно ограничивает его применение.
US 9912418
На решение, в том числе, и вышеописанной проблемы переключения между TDD/FDD режимами направлена другая реализация эмулятора, раскрытая в патенте  (Distributed System for Radio Frequency Environment Simulation) и изображенная на Фиг. 3. В указанном патенте рассматривается электромагнитная измерительная система, состоящая по меньшей мере из одного эмулируемого канала, где обеспечиваются искажения сигнала, подобные реальным сценариям работы оборудования, а также повышающий и понижающий частотные смесители для переноса частоты искаженного сигнала. Задача переключения между временным и частотным дуплексом решается посредством использования некоторого устройства, обозначенного как “signal isolator” (изолятор сигнала). В то же время принцип работы такого устройства должен быть понятен и воспроизводим, иначе теряется смысл его использования. Именно такая ситуация и возникает в рассмотренном аналоге, в котором отсутствует описание изолятора сигнала. Соответственно, на месте этого устройства может быть использован, например, дуплексер из ранее представленного патента, что также сильно ограничит применение завяленного эмулятора.
US 8912963
Решение указанной проблемы также возможно с помощью другой реализации эмулятора, представленной на Фиг. 4 и раскрытой в патенте  (System For Testing Multi-Antenna Devices Using Bidirectional Faded Channels). Задача переключения между TDD/FDD режимами решается с помощью использования трехпортового радиочастотного циркулятора, в котором передача сигнала происходит в одном направлении с первого порта на второй порт, со второго порта на третий порт и, соответственно, с третьего порта на первый порт, что позволяет обеспечить эффективную изоляцию приемного и передающего трактов системы. Однако, применение радиочастотных циркуляторов обладает существенным недостатком, который заключается в их достаточно узкой рабочей полосе частот, которая обычно не превышает 10-15 % относительно центральной частоты рабочего диапазона Это значительно ограничивает применение эмулятора для различных приложений, например, для систем связи 5G NR как в диапазонах FR1, так и в FR2. Расширение же полосы циркуляторов в целом возможно, но требует специальных техник, что приводит к значительному увеличению стоимости изготовления и сложностям его реализации особенно в компактном исполнении.
Нужно отметить также, что три последних рассмотренных реализации эмулятора подразумевают тестирование “по воздуху” (“OTA - Over-The-Air”) c использованием набора из нескольких антенн. В то же время такие системы могут быть достаточно громоздкими, поэтому предпочтителен вариант реализации эмулятора в виде отдельного компактного устройства, к которому, в том числе, можно подключать и дополнительный функционал, например, тот же набор антенн для OTA-тестирования.
US 8682638B2
Именно такой подход описан в еще одной реализации эмулятора, раскрытого в патенте  (Channel Emulator System And Method) и взятого за прототип настоящего изобретения (показан на Фиг. 5). Передающий и приемный радиочастотные тракты описанного изобретения имеют в своем составе устройства для управления уровнем мощности сигнала, блоки цифро-аналогового преобразования (ЦАП) и аналого-цифрового преобразования (АЦП), которые подключены к блоку цифровой обработки сигнала.
Тем не менее, раскрытый в патенте эмулятор также имеет технические недостатки, которые были выявлены в описанных выше реализациях:
Использование радиочастотных циркуляторов для переключения между TDD/FDD режимами;
Реализация блока цифровой обработки на основе процессорной архитектуры с коммутируемой матрицей на основе переключателей.
Таким образом, возникает потребность в более универсальном устройстве эмулятора беспроводного МIМО канала, обеспечивающем эффективное переключение между режимами TDD и FDD с простым и низкостоимостным функционалом и эффективным блоком цифровой обработки сигналов.
Сущность изобретения
Технический результат заявленного изобретения выражается в упрощении конструкции эмулятора канала связи с переключаемым режимом дуплексного разнесения приема и передачи, расширении его рабочего диапазона частот и уменьшении стоимости его компонентной базы. Указанный технический результат достигается за счет использования дополнительного тракта, в составе которого вместо сложных в синхронизации активных переключателей или узкополосных циркуляторов, выступающих в качестве устройств разделения приемного и передающего трактов при работе в дуплексном режиме временного разнесения приема и передачи, используются конструктивно-простые широкополосные пассивные делители мощности, что в совокупности с блоком управления уровнем мощности передаваемого сигнала позволяет использовать разработанный эмулятор беспроводного канала связи для тестирования систем связи, работающих как в режиме частотного дуплекса, так и в режиме временного разнесения приема и передачи, в том числе и с использованием технологии MIMO.
Эмулятор беспроводного канала связи в соответствии с настоящим изобретением образуется за счет комбинации блока цифровой обработки сигналов, по меньшей мере одного передающего радиочастотного тракта, по меньшей мере одного приемного радиочастотного тракта и по меньшей мере одного дополнительного тракта, соединяющего выходную часть указанного по меньшей мере одного передающего радиочастотного тракта и входную часть указанного по меньшей мере одного приемного радиочастотного тракта. При этом по меньшей мере один указанный дополнительный тракт соединяется с по меньшей мере одним приемным трактом через радиочастотный переключатель, а с по меньшей мере одним передающим трактом через делитель мощности. Каждый из по меньшей мере одного передающего радиочастотного тракта содержит по меньшей мере один блок управления уровнем мощности передаваемого сигнала, по меньшей мере один блок цифро-аналогового преобразования (ЦАП), подключенный к выходному интерфейсу блока цифровой обработки сигнала, а каждый из по меньшей мере одного приемного радиочастотного тракта содержит по меньшей мере один блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), подключенный к входному интерфейсу блока цифровой обработки сигнала.
Основным назначением разработанного эмулятора беспроводного канала связи является тестирование и оценка характеристик различных систем связи при приеме и передаче радиочастотных сигналов через канал связи, имитирующий распространение радиоволн в четко определенных и воспроизводимых условиях окружающей среды. Это позволяет оценивать характеристики систем связи при их работе в различных реальных сценариях непосредственно в лаборатории. При этом приемный тракт эмулятора беспроводного канала связи подключается к передающему тракту тестируемого устройства, а передающий тракт эмулятора беспроводного канала связи - к приемному тракту тестируемого устройства. Такая конструкция подразумевает, что на приемный тракт эмулятора беспроводного канала связи поступает сигнал высокой мощности, усиленный выходным каскадом тестируемого устройства, а передающий тракт эмулятора канала обеспечивает на приемном тракте тестируемого устройства сигнал малой мощности, что соответствует ослаблению радиосигнала в имитируемом беспроводном канале связи. Это достигается за счет использования в передающем тракте по меньшей мере одного устройства для управления уровнем мощности передаваемого сигнала.
Задача настоящего изобретения достигается за счет использования существенного ослабления в выходном тракте рассматриваемого эмулятора беспроводного канала связи для изоляции его выходного тракта от дополнительного тракта, соединяющего выходную часть передающего радиочастотного тракта через делитель мощности и входную часть приемного радиочастотного тракта через радиочастотный переключатель.
В варианте реализации настоящего изобретения по меньшей мере один приемный радиочастотный тракт эмулятора беспроводного канала связи содержит по меньшей мере один блок управления уровнем мощности принимаемого сигнала. Это позволяет контролировать уровень мощности принимаемого сигнала и обеспечить на входе блока АЦП оптимальный уровень мощности сигнала для обеспечения эффективного аналого-цифрового преобразования и, тем самым, обеспечить стабильную работу при тестировании различных устройств, имеющих разный уровень выходной мощности сигнала.
В другом варианте реализации заявленного изобретения по меньшей мере один приемный радиочастотный тракт, по меньшей мере один передающий радиочастотный тракт и блок цифровой обработки сигнала реализованы на общей диэлектрической плате. Это позволяет использовать для реализации структуры эмулятора беспроводного канала связи различные технологии печатных плат: низкотемпературной совместно-обжигаемой керамики (LTCC), лазерной переводной печати, тонкопленочную технологию, а также технологии жидкокристаллических полимеров. Основным преимуществом таких подходов является хорошая повторяемость, компактность и низкая стоимость в массовом производстве. Также эти технологии позволяют использовать для реализации приемного и передающего радиочастотных трактов обширную базу компонент поверхностного монтажа.
В еще одном варианте реализации заявленного изобретения по меньшей мере один приемный радиочастотный тракт, по меньшей мере один передающий радиочастотный тракт и блок цифровой обработки сигнала реализованы на различных диэлектрических платах. Такая реализация позволяет использовать пространственное разнесение указанных трактов для уменьшения взаимного паразитного влияния и, тем самым, повысить уровень изоляции.
В еще одном варианте реализации изобретения блок цифровой обработки сигнала основан на по меньшей мере одной Программируемой Логической Интегральной Схеме (ПЛИС). ПЛИС получили большое распространение в настоящее время, поскольку они позволяют обеспечить большую степень свободы и высокую производительность при цифровой обработке сигналов, что особенно актуально в рамках рассматриваемого изобретения для эмуляции специфических беспроводных каналов связи. Это позволяет использовать рассматриваемый эмулятор беспроводного канала связи для тестирования большого спектра устройств, требующих определенных и повторяемых характеристик имитируемого канала беспроводной связи.
В еще одном варианте реализации настоящего изобретения по меньшей мере одна ПЛИС реализована на отдельной диэлектрической плате. Такой подход позволяет повысить компактность конструкции рассматриваемого эмулятора канала, а также уменьшить общую длину межсоединений, что уменьшает вероятность паразитных эффектов, наводок и неоднородностей, которые могут понизить производительность эмулятора.
В еще одном варианте реализации заявленного изобретения по меньшей мере один блок АЦП и по меньшей мере один блок ЦАП включены в состав по меньшей мере одной ПЛИС, что позволяет конструктивно упростить реализацию заявленного изобретения, а также обеспечить более стабильную работу за счет повышения эффективности взаимодействия ПЛИС и блоков АЦП и ЦАП.
В еще одном варианте реализации блок цифровой обработки сигнала основан на внешнем вычислительном модуле, представленном, например, специализированным процессором. Такой подход позволяет упростить реализацию упомянутого блока и масштабировать производительность системы.
M
N
М
M
N
N×M
В еще одном варианте реализации рассматриваемый эмулятор беспроводного канала связи имеет  передающих,  приемных трактов и по меньшей мере  дополнительных трактов, каждый из которых соединяющих выходную часть одного из передающих радиочастотных трактов и входную часть одного из приемных радиочастотных трактов. При этом каждый дополнительный тракт соединяется с соответствующим приемным радиочастотным трактом через радиочастотный переключатель, а с соответствующим передающим радиочастотным трактом через делитель мощности. Такая реализация позволяет использовать рассматриваемый эмулятор беспроводного канала связи для тестирования устройств, которые используют методы пространственного разнесения по технологии MIMO. Использование  передающих и  приемных радиочастотных трактов позволяет тестировать устройства с размерностями MIMO вплоть до .
M
N
В еще одном варианте реализации раскрытого изобретения число передающих радиочастотных трактов  равно числу приемных радиочастотных трактов .
В еще одном варианте реализации заявленного изобретения число передающих и приемных радиочастотных трактов эмулятора беспроводного канала может быть масштабировано за счет использования модульного устройства, объединяющего несколько эмуляторов беспроводного канала связи через общую объединительную плату, обеспечивающую синхронизацию модулей и обмен данными.
В еще одном варианте реализации заявленного изобретения каждый из по меньшей мере одного передающего радиочастотного тракта содержит выходной разъем и каждый из по меньшей мере одного приемного радиочастотного тракта содержит входной разъем для подключения к внешнему измеряемому оборудованию. Использование стандартных разъемов позволяет упростить подключение оборудования при тестировании, а также использовать стандартные линии передачи, включающие, например, коаксиальные кабели для упрощения процедуры тестирования.
В еще одном варианте реализации выходной разъем каждого передающего радиочастотного тракта и входной разъем каждого приемного радиочастотного тракта эмулятора беспроводного канала связи подключены к измерительным антеннам. Такой подход позволяет обеспечить возможность тестирования исследуемого устройства без прямого подключения. Такой тип тестирования зачастую называется тестированием “по воздуху” или OTA (over-the-air), что особенно актуально для проведения испытательных измерений систем, имеющих в своем составе интегрированные антенны, исключающие возможность прямого подключения измерительного оборудования.
В еще одном варианте реализации изобретения выходной разъем каждого передающего радиочастотного тракта и входной разъем каждого приемного радиочастотного тракта эмулятора беспроводного канала связи подключены к многоэлементной фазированной антенной решетке (ФАР). Такой подход позволяет в том числе проводить тестирование работы многоэлементных ФАР, зачастую являющихся неотъемлемой частью современных систем связи пятого поколения.
В другом варианте реализации заявленного изобретения по меньшей мере один приемный радиочастотный тракт эмулятора беспроводного канала связи дополнительно содержит блок преобразования с понижением частоты. Такой подход позволяет за счет преобразования частоты уменьшить требования к разрядности АЦП, что позволяет существенно увеличить диапазон рабочих частот заявленного эмулятора беспроводного канала связи.
В еще одном варианте реализации заявленного изобретения по меньшей мере один передающий радиочастотный тракт эмулятора беспроводного канала связи дополнительно содержит блок преобразования с повышением частоты.
В другом варианте реализации дополнительный тракт, соединяющий выходную часть указанного по меньшей мере одного передающего радиочастотного тракта и входную часть указанного по меньшей мере одного приемного радиочастотного тракта, выполнен на основе набора способов электрического соединения, выбранного из группы, включающей коаксиальный кабель, печатные линии передачи, парные разъемы прямого соединения, штыревое соединение и др.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из приведенного ниже описания вариантов реализации заявленного технического решения и чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - Метод эмуляции радиоканала на основе процессорной архитектуры с применением коммутируемой матрицы переключателей (уровень техники);
Фиг. 2 - Разделение приемных и передающих каналов эмулятора беспроводного канала связи посредством применения частотного дуплексера (уровень техники);
Фиг. 3 - Разделение приемных и передающих каналов эмулятора беспроводного канала связи с помощью сигнального изолятора (уровень техники);
Фиг. 4 - Разделение приемных и передающих каналов эмулятора беспроводного канала связи с помощью трехпортового циркулятора (уровень техники);
Фиг. 5 - Блок-схема эмулятора беспроводного канала связи, выбранного в качестве прототипа (уровень техники);
Фиг. 6 - Блок-схема эмулятора беспроводного канала связи с переключаемым режимом дуплексного разнесения приема и передачи, работающего в однонаправленном режиме дуплексирования с частотным разнесением приема и передачи;
Фиг. 7 - Принципиальная схема делителя мощности Вилкинсона;
Фиг. 8 - Блок-схема эмулятора беспроводного канала связи с переключаемым режимом дуплексного разнесения приема и передачи, работающего в двунаправленном режиме дуплексирования с временным разнесением приема и передачи;
Фиг. 9 - Реализация модулей эмулятора беспроводного канала связи на отдельных диэлектрических платах;
Фиг. 10 - Подключение внешних антенн к эмулятору беспроводного канала связи.
На чертежах цифрами обозначены следующие позиции:
101 - диэлектрическая плата;
102 - блок цифровой обработки сигналов;
103 - передающий радиочастотный тракт;
104 - приемный радиочастотный тракт;
105 - дополнительный тракт, соединяющий выходную часть передающего радиочастотного тракта и входную часть приемного радиочастотного тракта;
106 - выходной разъем передающего радиочастотного тракта;
107 - делитель мощности;
108 - блок управления уровнем мощности передаваемого сигнала;
109 - блок преобразования с повышением частоты;
110 - блок ЦАП;
111 - входной разъем приемного радиочастотного тракта;
112 - радиочастотный переключатель;
113 - блок управления уровнем мощности принимаемого сигнала;
114 - блок преобразования с понижением частоты;
115 - блок АЦП;
116 - диэлектрическая плата передатчика;
117 - диэлектрическая плата приемника;
118 - диэлектрическая плата блока цифровой обработки сигнала;
119 - передняя панель эмулятора беспроводного канала связи;
120 - интерфейсы блока цифровой обработки сигнала;
121 - вертикальный многоштыревой разъем
122 - внешние антенны;
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение может быть более детально понято из последующего описания некоторых вариантов реализаций эмулятора беспроводного канала связи с переключаемым режимом дуплексного разнесения приема и передачи.
M
N
M
Эмулятор беспроводного канала связи с переключаемым режимом дуплексного разнесения приема и передачи в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения показан на Фиг. 6. Он образован за счет комбинации на общей диэлектрической плате (101) блока цифровой обработки сигналов (102), выполненного на основе ПЛИС,  передающих радиочастотных трактов (103),  приемных радиочастотных трактов (104) и  дополнительных трактов, соединяющих выходную часть передающего радиочастотного тракта и входную часть приемного радиочастотного тракта (105).
В другом варианте реализации эмулятора беспроводного канала связи с переключаемым режимом дуплексного разнесения приема и передачи блок цифровой обработки сигналов (102) может быть выполнен на основе внешнего вычислительного модуля, основанного, например, на специализированном процессоре.
M
N
В более конкретной реализации число передающих радиочастотных трактов  (103) равно числу приемных радиочастотных трактов  (104). Кроме того, число передающих (103) и приемных (104) радиочастотных трактов может быть дополнительно масштабировано за счет использования модульного устройства, объединяющего несколько эмуляторов с размерностью M×N через общую объединительную плату, обеспечивающую синхронизацию модулей и обмен данными.
M
Каждый передающий радиочастотный тракт (103) содержит выходной разъем (106), делитель мощности (107), блок управления уровнем мощности передаваемого сигнала (108), блок преобразования с повышением частоты (109), блок ЦАП (110). Каждый приемный радиочастотный тракт (104) содержит входной разъем (111), радиочастотный переключатель (112), блок управления уровнем мощности принимаемого сигнала (113), блок преобразования с понижением частоты (114), блок АЦП (115). Каждый из  дополнительных трактов, соединяющих выходную часть передающего радиочастотного тракта и входную часть приемного радиочастотного тракта (105), который может быть образован, например, печатными линиями передачи, соединяется с приемным радиочастотным трактом (104) через радиочастотный переключатель (112), а с передающим радиочастотным трактом (103) через делитель мощности (107). В других вариантах реализации каждый передающий радиочастотный тракт содержит более одного блока управления уровнем мощности передаваемого сигнала, и по меньшей мере один приемный радиочастотный тракт содержит более одного блока управления уровнем мощности принимаемого сигнала.
В еще одной более конкретной реализации настоящего изобретения, блоки ЦАП (110) и АЦП (115) включены в состав ПЛИС.
В самом простом варианте реализации настоящего изобретения число передающих радиочастотных трактов (103), как и число приемных радиочастотных трактов (104), ограничено одним трактом. Такая конструкция может быть использована для тестирования традиционных радиостанций с одним входом и одним выходом (SISO). Эмулятор беспроводного канала в SISO конфигурации моделирует единственный канал между передатчиком и приемником путем имитации распространения радиоволн во множестве предопределенных условий окружающей среды, описываемых моделями каналов, в том числе и с учетом многолучевого распространения (эффект, при котором передаваемый сигнал отражается от множества поверхностей и достигает приемника в виде суперпозиции нескольких искаженных версий самого себя с задержкой по времени) и доплеровского замирания в случае относительного движения приемника и передатчика. Множественные версии одного и того же передаваемого сигнала складываются конструктивно или деструктивно, что приводит к изменяющемуся во времени ослаблению сигнала, известному как замирание из-за многолучевого распространения.
N
M
N
M
M
N
N
M
Однако, современные устройства систем связи, включая, например, устройства для локальных сетей, работающие по стандарту IEEE 802.11n, а также устройства для мобильных сетей четвертого (4G LTE) и пятого (5G NR) поколений, используют технологию MIMO. Радиочастотный модуль устройства, поддерживающего такую технологию, состоит из нескольких трактов приема и передачи, работающих с синхронизацией по фазе и способных использовать сложные методы радиопередачи, предназначенные для увеличения пропускной способности данных и рабочего диапазона беспроводных каналов. MIMO-канал такого устройства обычно описывается как канал  × , где  - количество передающих радиочастотных трактов в передающей радиостанции, а  - количество приемных радиочастотных трактов в принимающей радиостанции. При этом в канале MIMO каждый из  приемных радиочастотных трактов обнаруживает сигналы от всех  передающих радиочастотных трактов. Таким образом, эмулятор беспроводного канала связи при тестировании устройства, поддерживающего работу по технологии MIMO, должен в реальном времени моделировать  раз  каналов с замираниями.
Кроме того, измеряемое устройство может работать как в дуплексном режиме с частотным разнесением приема и передачи (FDD), что зачастую подразумевает однонаправленность MIMO каналов, так и в дуплексном режиме с временным разнесением приема и передачи (TDD), подразумевающим двунаправленность MIMO каналов. В первом случае измеряемое устройство обычно имеет независимые интерфейсы приемной и передающей частей, а во втором - прием и передача в таком устройстве осуществляется через общий интерфейс с разнесением во времени. При этом для расширения области применения эмулятор беспроводного канала связи в соответствии с настоящим изобретением может поддерживать возможность тестирования устройств в обоих режимах дуплексирования: как с частотным разнесением приема и передачи (FDD), так и с временным разнесением приема и передачи (TDD).
Так, при тестировании измеряемого оборудования, работающего в дуплексном режиме с частотным разнесением приема и передачи (FDD), входные разъемы приемного радиочастотного тракта (111) и выходные разъемы передающего радиочастотного тракта (106) эмулятора беспроводного канала связи, в соответствии с рассматриваемой реализацией настоящего изобретения, подключаются соответственно к выходным интерфейсам передающей части и входным интерфейсам приемной части измеряемого оборудования для каждого MIMO канала. Разъемы (111) и (106) должны обеспечить удобное подключение к интерфейсам измеряемого оборудования через устойчивую и надежную линию связи, которая может быть образована, например, коаксиальным кабелем. При этом на приемный радиочастотный тракт (104) эмулятора беспроводного канала связи поступает сигнал высокой мощности, усиленный выходным каскадом тестируемого устройства. Такая ситуация является прямо противоположной привычным устройствам систем связи, на приемный тракт которых обычно поступает сигнал малой мощности, значительно ослабленный за счет существенного затухания в канале связи.
Поступивший на приемный радиочастотный тракт (104) эмулятора беспроводного канала связи широкополосный сигнал от измеряемого оборудования попадает на радиочастотный переключатель (112), который должен быть переключен в положение «1», как показано на Фиг. 6. Данное положение соответствует электрическому соединению входного разъема приемного радиочастотного тракта (111) с приемным радиочастотным трактом (104). Широкополосный сигнал от измеряемого оборудования проходит через блок управления уровнем мощности принимаемого сигнала (113) для ослабления или усиления в соответствии с требуемым уровнем входной мощности последующих каскадов приемного радиочастотного тракта (104). Такой блок может быть образован перестраиваемым усилителем или перестраиваемым аттенюатором, а также их комбинацией, что определяет динамический диапазон по входной мощности рассматриваемого эмулятора беспроводного канала связи. После выравнивания уровня мощности широкополосного сигнала он проходит через блок преобразования с понижением частоты (114). Наличие данного блока позволяет за счет преобразования частоты уменьшить требования к разрядности блока АЦП (115), что позволяет существенно увеличить диапазон рабочих частот заявленного эмулятора беспроводного канала. Блок АЦП (115) оцифровывает поступивший сигнал в поток синфазных и квадратурных I/Q выборок, который поступает в блок цифровой обработки сигналов (102), выполненного на основе ПЛИС. ПЛИС математически обрабатывает потоки I/Q в соответствии с выбранной моделью многолучевого распространения и доплеровского замирания для всех MIMO каналов.
Прошедший обработку в блоке цифровой обработки сигналов (102), выполненного на основе ПЛИС цифровой сигнал для всех MIMO каналов поступает в блок ЦАП (110) и преобразуется в аналоговую область. Полученный аналоговый сигнал содержит все искажения, имитирующие распространение в заданном канале связи. Аналоговый сигнал с выхода блока ЦАП (110) проходит через блок преобразования с повышением частоты (109) для возвращения спектра сигнала на несущую частоту, соответствующую рабочей частоте приемного тракта измеряемого оборудования. Следует отметить, что обычно блоки преобразования с повышением частоты имеют достаточно узкий диапазон по выходной мощности, который к тому же значительно превышает типичные значения, ожидаемые на входе приемного тракта тестируемого устройства. Поэтому неотъемлемой частью эмулятора беспроводного канала связи в соответствии с рассматриваемой реализацией заявленного изобретения является блок управления уровнем мощности передаваемого сигнала (108), который обеспечивает ослабление сигнала до требуемого уровня в соответствии с выбранной моделью канала. Такой блок может быть основан на нескольких каскадах перестраиваемых аттенюаторов и перестраиваемых усилителей, что определяет динамический диапазон мощности выходного сигнала рассматриваемого эмулятора беспроводного канала связи. Ослабленный в блоке управления уровнем мощности передаваемого сигнала (108) сигнал поступает на одно из плеч делителя мощности (107), который через это плечо соединяет передающий радиочастотный тракт (103) с выходным разъемом передающего радиочастотного тракта (106), а другое плечо соединяет выходной разъем передающего радиочастотного тракта (106) с дополнительным трактом, соединяющим выходную часть передающего радиочастотного тракта и входную часть приемного радиочастотного тракта (105).
Такой делитель мощности может быть выполнен на основе большого числа различных конструкций, например, на основе симметричного делителя мощности Вилкинсона, принципиальная схема которого показана на Фиг. 7. За счет своей конструкции делитель мощности обеспечивает высокую изоляцию выходных портов и препятствует паразитному проникновению сигнала из одного выходного порта в другой. Таким образом, плечо делителя мощности (107), соединенное с дополнительным трактом, соединяющим выходную часть передающего радиочастотного тракта и входную часть приемного радиочастотного тракта (105) оказывается изолировано, поскольку радиочастотный переключатель (112) замкнут в положение «1». В случае, если радиочастотный переключатель (112) выполнен по неотражающей концепции (все порты в выключенном состоянии остаются нагружены на согласованную нагрузку), то делитель мощности (107) пропускает половину мощности, пришедшей на плечо, соединяющее передающий радиочастотный тракт (103) с выходным разъемом передающего радиочастотного тракта (106), которая далее поступает на приемный тракт тестируемого устройства, а оставшаяся половина мощности уходит в нагрузку.
В этом случае потеря половины мощности не является критичной, поскольку сигнал в передающем радиочастотном тракте (103) должен быть ослаблен, а общий уровень выходной мощности на выходном разъеме передающего радиочастотного тракта (106) контролируется блоком управления уровнем мощности передаваемого сигнала (108), и потеря половины мощности в делителе может быть корректно учтена.
При тестировании устройства, работающего в дуплексном режиме с временным разнесением приема и передачи (TDD), его входной и выходной интерфейсы физически объединены в общий интерфейс ввода-вывода. Эти интерфейсы для каждого MIMO канала подключаются к соответствующим выходным разъемам передающего радиочастотного тракта (106) эмулятора беспроводного канала связи, в соответствии с рассматриваемой реализацией настоящего изобретения, как показано на Фиг. 8. В этом случае выходные разъемы передающего радиочастотного тракта (106) также будут общими разъемами ввода-вывода, а работу эмулятора беспроводного канала связи можно рассматривать в двух фазах: фазе приема и в фазе передачи.
В фазе приема широкополосный сигнал от тестируемого устройства, поступивший на выходной разъем передающего радиочастотного тракта (106) эмулятора беспроводного канала связи попадает на входной порт делителя мощности (107). Половина мощности поступившего сигнала отводится в дополнительный тракт, соединяющий выходную часть передающего радиочастотного тракта и входную часть приемного радиочастотного тракта (105). Вторая половина мощности попадает на блок управления уровнем мощности передаваемого сигнала (108), который, как было подробно описано выше, обеспечивает значительное ослабление сигнала. Наличие перестраиваемых аттенюаторов, ослабляющих поступивший на них сигнал, и перестраиваемых усилителей, изолирующих свой входной тракт (со стороны блока преобразования с повышением частоты (109)) от поступившего на их выход паразитного сигнала, обеспечивают ослабление сигнала, поступившего в это плечо делителя мощности (107), до безопасного уровня, препятствуя как утечке сигнала на блок управления уровнем мощности передаваемого сигнала (108), так и отражению его обратно на выходной разъем передающего радиочастотного тракта (106) эмулятора беспроводного канала связи.
Та часть мощности поступившего сигнала, которая была отведена в дополнительный тракт, соединяющий выходную часть передающего радиочастотного тракта и входную часть приемного радиочастотного тракта (105), поступает на радиочастотный переключатель (112) приемного радиочастотного тракта (104). При тестировании устройства, работающего в дуплексном режиме с временным разнесением приема и передачи (TDD), радиочастотный переключатель (112) находится в положении «2», как видно из Фиг. 8. Такое положение радиочастотного переключателя (112) изолирует входной разъем приемного радиочастотного тракта (111), а широкополосный сигнал, поступивший из дополнительного тракта, соединяющего выходную часть передающего радиочастотного тракта и входную часть приемного радиочастотного тракта (105), направляется в приемный радиочастотный тракт (104). Далее эмулятор работает по тому же принципу, что и в рассмотренном выше случае тестирования устройства, работающего в дуплексном режиме с частотным разнесением приема и передачи (FDD). Широкополосный сигнал из радиочастотного переключателя (112) последовательно проходит каскады блока управления уровнем мощности принимаемого сигнала (113), блока преобразования с понижением частоты (114) и блока АЦП (115) для подключения ПЛИС (102), где происходит обработка цифровых I/Q потоков в соответствии с выбранной моделью многолучевого распространения и доплеровского замирания для всех MIMO каналов.
В фазе передачи рассматриваемый эмулятор беспроводного канала связи работает полностью аналогично случаю тестирования устройства, работающего в дуплексном режиме с частотным разнесением приема и передачи (FDD), рассмотренному выше. Прошедший обработку в ПЛИС (102) цифровой сигнал для всех MIMO каналов поступает в блок ЦАП (110) и преобразуется в аналоговую область. Полученный аналоговый сигнал проходит через блок преобразования с повышением частоты (109) для возвращения спектра сигнала на несущую частоту, соответствующую рабочей частоте приемного тракта тестируемого устройства, и через блок управления уровнем мощности передаваемого сигнала (108), поступает на одно из плеч делителя мощности (107), который через это плечо соединяет передающий радиочастотный тракт (103) с выходным разъемом передающего радиочастотного тракта (106).
В соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения приемный и передающий тракты, а также ПЛИС реализованы на отдельных диэлектрических платах, как показано на Фиг. 9. В этой конкретной реализации выходные разъемы передающих радиочастотных трактов (106), расположенные на диэлектрической плате передатчика (116), входные разъемы приемных радиочастотных трактов (111), расположенные на диэлектрической плате приемника (117), а также интерфейсы блока цифровой обработки сигнала (120) могут быть выведены на переднюю панель эмулятора беспроводного канала связи (119). Такая конфигурация позволяет существенно упростить конструкцию, повысить компактность рассматриваемого эмулятора беспроводного канала, а также уменьшить длину дополнительного тракта, соединяющего выходную часть передающего радиочастотного тракта и входную часть приемного радиочастотного тракта (105), который может быть выполнен на основе, например, коаксиального кабеля, образован парными разъемами прямого соединения или штыревым соединением. Подключение блоков АЦП (115) и ЦАП (110) к ПЛИС (102) может быть выполнено на основе простых вертикальных многоштыревых разъемов (121), что значительно упрощает топологию всех диэлектрических плат и упрощает сборку эмулятора беспроводного канала связи.
Дополнительным преимуществом такой конструкции является возможность простого подключения к внешним измерительным антеннам (122), как показано на Фиг. 10, что позволяет проводить тестирование исследуемого устройства без прямого подключения. Такой тип тестирования зачастую называется тестированием “по воздуху” или OTA (over-the-air), что особенно актуально для проведения испытаний систем, имеющих в своем составе интегрированные антенны, исключающие возможность прямого подключения измерительного оборудования.
В другой реализации выходные разъемы передающих радиочастотных трактов (106) и входные разъемы приемных радиочастотных трактов (111) могут быть подключены к многоэлементной фазированной антенной решетке (ФАР) для проведения ее тестирования.
Настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами реализации, раскрытыми в данном описании лишь в иллюстративных целях, и охватывает все модификации и варианты, не выходящие за рамки объема и сущности изобретения, которые определены указанной формулой изобретения.