精確測量WiMAX信道功率的最佳方法

現在，無(wú)線(xiàn)設計人員面臨著(zhù)設計世界一流產(chǎn)品的艱巨任務(wù)。很多無(wú)線(xiàn)技術(shù)標準都規定了功率的技術(shù)指標，但卻忽視了功率測量的具體步驟，因此設計人員在進(jìn)行測量時(shí)往往會(huì )發(fā)生錯誤。由于IEEE 802.16標準使用的OFDM射頻波形本身就非常復雜，所以他們在測量移動(dòng)WiMAX信號時(shí)出錯的情況更多。

本文介紹了有關(guān)WiMAX信道功率測量的重要信息，這些基本原則對于三種主要的WiMAX功率測量都適用：發(fā)射功率測量、相鄰信道功率測量和頻譜輻射合格/不合格測試。

信道功率測量的基礎知識

某些頻率分析儀具有通用測量模式，這種模式?jīng)]有具體規定它們所支持的無(wú)線(xiàn)標準，因此設計人員可完全控制和靈活調整測量設置。

圖1為傳統模擬頻譜分析儀的方框圖。在現代頻譜分析儀中，本地振蕩器之后執行的大部分信號調節和濾波功能都是使用數字信號處理來(lái)實(shí)現的，而它們的特性和行為與使用模擬方式處理的結果相當。因此要進(jìn)行精確測量，設計人員必須正確設置和修改測量參數。

圖1 傳統模擬頻譜分析儀的方框圖

顯示檢波器

圖1中包括包絡(luò )檢波器和顯示檢波器(檢波器模式)。包絡(luò )檢波器的特性是由頻譜分析儀自身的設計決定的，用戶(hù)無(wú)法更改這些特性，本文不再討論。

為了容納更多的測量和應用軟件，現代頻譜分析儀提供多種顯示檢波類(lèi)型。某些檢波器可為不同類(lèi)型的信號提供更優(yōu)化的結果。例如，峰值檢波器能夠從一組采樣數據點(diǎn)中檢測出最大電平，從而為連續波(CW)測量提供最佳選擇。稍后，這個(gè)最大電平會(huì )作為跡線(xiàn)點(diǎn)在頻譜分析儀上顯示。平均值檢波器則與峰值檢波器不同，它能夠檢測出采樣數據點(diǎn)的平均電平，并將其作為跡線(xiàn)點(diǎn)顯示。

圖2 顯示的跡線(xiàn)點(diǎn)分別來(lái)自于正峰值檢波器、平均值檢波器和負峰值檢波器

顯示的跡線(xiàn)點(diǎn)通常稱(chēng)為“bucket”。頻譜分析儀進(jìn)行數據點(diǎn)采樣的時(shí)間稱(chēng)為“bucket間隔”。圖2顯示了選擇不同檢波類(lèi)型會(huì )對給定 bucket的顯示跡線(xiàn)點(diǎn)產(chǎn)生什么影響。

圖3 從上到下顯示的依次是WiMAX猝發(fā)脈沖的正峰值檢波、平均值檢波和負峰值檢波跡線(xiàn)。

注意：為了顯示跡線(xiàn)的區別，這里將分辨率帶寬設置為3 MHz

對于噪聲信號或近似于噪聲的信號(如許多數字調制信號)來(lái)說(shuō)，使用平均值檢波器可獲得平均功率數據的最佳結果，顯示的跡線(xiàn)點(diǎn)是采樣數據的平均值。圖 3顯示了使用不同類(lèi)型檢波器處理WiMAX信號所獲得的不同跡線(xiàn)顯示。

分辨率帶寬

功率測量通常是指某一帶寬內的測量。同樣，頻譜分析儀上顯示的跡線(xiàn)點(diǎn)也要通過(guò)分辨率帶寬(RBW)濾波器進(jìn)行解讀。對于連續波信號來(lái)說(shuō)，降低RBW 會(huì )得到更好的信噪比，因而使測量結果看上去更平滑。對于近似于噪聲的信號來(lái)說(shuō)，擴大RBW可以在平均檢波bucket中獲得更平均的值，也可使用窄視頻帶寬(VBW)濾波器獲得更平滑的測量結果。使用更窄RBW的缺點(diǎn)是花費的測量時(shí)間更長(cháng)。

在進(jìn)行信道功率測量時(shí)，頻譜分析儀用戶(hù)應根據其無(wú)線(xiàn)技術(shù)標準來(lái)設置RBW。例如，某個(gè)給定標準的專(zhuān)用頻譜輻射(SEM)測試文檔通常包括測量所需要的RBW設置。取決于信號的頻率范圍，在整個(gè)測量掃寬內，SEM測試的RBW設置還可能會(huì )隨著(zhù)頻率的變化而變化。如果未指定RBW，建議用戶(hù)最好為其信號表征設置RBW。對于窄帶寬(CW)信號來(lái)說(shuō)，最好使用窄RBW濾波器;對于近似于噪聲的信號(例如WiMAX信號)來(lái)說(shuō)，通常最好使用較寬的RBW。

平均值技術(shù)

現代頻譜分析儀使用多種方法來(lái)求取信號的平均值，使信號變得更加平滑。采樣最終在頻譜分析儀上顯示為跡線(xiàn)點(diǎn)的方式在很大程度上取決于平均值技術(shù)，主要涉及的參數有掃描時(shí)間、視頻帶寬等。

掃描時(shí)間

現代頻譜分析儀通常每秒可進(jìn)行數百萬(wàn)次采樣。假設選擇平均值檢波，如果增加掃描次數，那么在顯示跡線(xiàn)點(diǎn)之前的一段時(shí)間(bucket)內取平均值的數據采樣數量會(huì )隨之增加。采樣量越大，所顯示的平均點(diǎn)就越趨向于一致，最終顯示的跡線(xiàn)就越平滑。

視頻帶寬

頻譜分析儀中的VBW濾波器可以減小測量電平的差異，并且在掃描次數增加時(shí)仍保持相同的作用。傳統頻譜分析儀和許多現代化頻譜分析儀都是在顯示標度的級別上執行VBW過(guò)濾，因此可能會(huì )造成功率測量問(wèn)題。

頻譜分析儀的測量結果既能用對數(dB)表示，也能用線(xiàn)性度(電壓線(xiàn)性度)表示。因為VBW濾波是一種求取平均值的過(guò)程，在這些級別上進(jìn)行任何平均值計算，都有可能出現誤差。例如，在噪聲或近似于噪聲信號的對數平均值計算中可能發(fā)生-2.51 dB的誤差。

因此在進(jìn)行功率測量時(shí)，最好在功率標度上使用VBW濾波器。某些現代化分析儀例如Agilent PSA頻譜分析儀和X系列信號分析儀，可在功率標度上使用其VBW濾波器，從而避免了這些實(shí)質(zhì)性的誤差。即便如此，平均值檢波器依然是使結果變得平滑的一個(gè)出色工具，并且可在所有配備VBW檢波器的分析儀中使用。

WiMAX信道功率測量設置

對于WiMAX信號這樣的正交頻分復用(OFDM)信號而言，要想進(jìn)行正確的測量設置還有一些其他的要求。例如，WiMAX中使用的時(shí)分復用 (TDD)信號在時(shí)域中具有猝發(fā)性質(zhì)。即使在射頻猝發(fā)脈沖或子幀期間，功率也會(huì )發(fā)生改變。由于這些信號具有非連續性，頻譜分析儀很難捕捉到完整的信號。

支持現代頻譜分析儀進(jìn)行自觸發(fā)測量的常用觸發(fā)源包括：被測件提供的外部觸發(fā)信號、其他同步信號源或信號的射頻猝發(fā)幅度電平。通常，能與射頻猝發(fā)保持良好同步的外部觸發(fā)源是最佳的觸發(fā)機制。因為它能為儀器采集數據提供最穩定的觸發(fā)，支持可靠和可重復的測量。

對于被測基站生成的WiMAX下行鏈路信號來(lái)說(shuō)，基站自身就可以提供適合的觸發(fā)信號。在進(jìn)行元件分析時(shí)，生成激勵波形的信號發(fā)生器可以為頻譜分析儀提供一個(gè)可用的觸發(fā)信號。在沒(méi)有可用的外部觸發(fā)源時(shí)，最好使用實(shí)際射頻猝發(fā)幅度電平的上升沿來(lái)觸發(fā)分析儀。依據各分析儀平臺使用的體系結構，使用這種方式觸發(fā)測量的順序可能不同。

一旦實(shí)現可靠的觸發(fā)，接下來(lái)考慮的便是應從哪個(gè)感興趣的時(shí)間區域開(kāi)始信道功率測量。顯然，測量應該在信號實(shí)際有效時(shí)進(jìn)行。但在某些情況下，還要(甚至必須)在射頻猝發(fā)脈沖或子幀的“有效”部分中的特定時(shí)間段內進(jìn)行測量。因此，正確選通感興趣的猝發(fā)脈沖區域很關(guān)鍵。

圖4 圖中的信道功率測量使用WiMAX下行鏈路猝發(fā)脈沖進(jìn)行選通。該猝發(fā)脈沖由1個(gè)前導碼和8個(gè)符碼組成

圖4顯示了在第二個(gè)射頻猝發(fā)脈沖期間發(fā)生的WiMAX信號的選通區域。盡管第一個(gè)猝發(fā)脈沖引起觸發(fā)，但我們建議在第二個(gè)猝發(fā)脈沖期間進(jìn)行選通。這可以確保從選通區域內去除分析儀生成的任何掃描LO瞬時(shí)穩定時(shí)間。

圖5 圖中的信道功率測量?jì)H顯示了前導碼的選通

有了穩定的觸發(fā)，頻譜分析儀就可以啟動(dòng)掃描測量;如果是測量TDD無(wú)線(xiàn)信號，那么還必須選通出精確的目標區域。例如，某些設計人員可能只對 WiMAX信號的前導碼功率電平或某個(gè)特定區域感興趣。圖5顯示了WiMAX信號的選通前導碼測量。這種測量通常稱(chēng)為WiMAX接收信號強度指標 (RSSI)。在該圖中，前導碼的選通只會(huì )使選通參數發(fā)生變化，是保證精確測量所必需的。

不同的分析儀平臺

目前市場(chǎng)上已有幾種頻譜分析儀可對WiMAX信號進(jìn)行信道功率測量。Agilent PSA和X系列分析儀平臺只是其中之一。盡管修改這些儀器上的各種參數對獲得精確的信道功率測量結果至關(guān)重要，但設計人員選擇最佳測量方案同樣重要。

以PSA頻譜分析儀和X系列信號分析儀平臺為例。使用外部觸發(fā)，可以非常簡(jiǎn)單地在頻譜或信號分析儀平臺上進(jìn)行精確的信道功率測量。然而，要使用射頻猝發(fā)脈沖觸發(fā)測量，采用以下測量技術(shù)非常有幫助：

頻譜分析儀平臺

對于GSM波形，在進(jìn)行連續測量時(shí)，設計人員可以利用分析儀的相關(guān)觸發(fā)特性來(lái)改變設備的輸入信號電平，而不必重新設置頻譜分析儀的觸發(fā)電平。

另一項重要技術(shù)是射頻猝發(fā)脈沖觸發(fā)設計，它可以使用相對于檢波信號峰值包絡(luò )低22dB的內嵌電平進(jìn)行觸發(fā)。這項技術(shù)對測量GSM元器件至關(guān)重要，但不適用于某些現代調制技術(shù)，如OFDM。對于OFDM技術(shù)，這些信號中的較高峰均比可能導致實(shí)施分析儀上的相對觸發(fā)實(shí)施發(fā)生錯誤觸發(fā)。

圖6 PSA與Agilent 85902A猝發(fā)載波觸發(fā)(BCT)集成的外部配置

在沒(méi)有外部觸發(fā)源的情況下，可使用外部猝發(fā)載波觸發(fā)附件進(jìn)行可靠的觸發(fā)，實(shí)現對WiMAX信號的穩定測量。圖6顯示了PSA頻譜分析儀與 Agilent 85092A猝發(fā)載波觸發(fā)(BCT)的集成。在對穩定的射頻猝發(fā)脈沖流進(jìn)行檢波時(shí)，BCT會(huì )對要分析的射頻輸入信號進(jìn)行采樣，并提供與猝發(fā)脈沖同步的 TTL輸出信號以及一個(gè)LED狀態(tài)指標。集成后的儀器可以提供需要的穩定觸發(fā)信號，使設計人員可以如前所述設置選通參數，從而進(jìn)行精確的信道功率測量。

信號分析儀

信號分析儀通常使用外部提供或由內部射頻猝發(fā)載波觸發(fā)單元提供的觸發(fā)源。某些儀器還具有穩定的自觸發(fā)能力，適用于沒(méi)有外部觸發(fā)可用的情況。它們無(wú)需使用外部猝發(fā)觸發(fā)附件來(lái)提供最常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)通信信號(包括WiMAX)。X系列分析儀上的射頻猝發(fā)載波觸發(fā)功能就是自觸發(fā)能力的主要實(shí)例，包括絕對射頻猝發(fā)幅度電平、周期定時(shí)器和觸發(fā)釋抑功能。

使用絕對射頻猝發(fā)幅度電平進(jìn)行觸發(fā)，可以解決上一代頻譜分析儀在測量高峰均功率比(PAPR)的OFDM信號時(shí)出現的錯誤觸發(fā)問(wèn)題。當頻譜分析儀檢測到絕對射頻猝發(fā)電平組超過(guò)固定閾值電平時(shí)，將會(huì )啟動(dòng)“初始”觸發(fā)機制。

周期定時(shí)器可設置一個(gè)指定時(shí)間長(cháng)度(用戶(hù)可調整)的自動(dòng)重觸發(fā)進(jìn)程。該進(jìn)程能夠在觸發(fā)建立后執行再同步。用戶(hù)可以選擇這個(gè)初始同步源。將該參數設置成等于幀周期有很大好處，這將保證測量是在每個(gè)幀邊界進(jìn)行再觸發(fā)，而不用考慮外部環(huán)境或儀器的改變。

圖7 由于關(guān)閉了同步釋抑，無(wú)論選通參數是什么，不穩定的觸發(fā)都會(huì )導致信道功率測量不夠精確

同步釋抑特性可改善觸發(fā)精度，避免儀器在猝發(fā)脈沖的無(wú)效部分開(kāi)始進(jìn)行測量。通過(guò)使用可靠的觸發(fā)電平，在射頻猝發(fā)脈沖內的一個(gè)穩定和可重復的測量點(diǎn)進(jìn)行測量，設計人員可以精確地重復進(jìn)行信道功率測量。圖7顯示了不使用同步釋抑時(shí)可能出現的情況。

總結

精確的信道功率測量是無(wú)線(xiàn)設備測試的一個(gè)重要方面。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)變得日益復雜，產(chǎn)品從設計到上市的周期越來(lái)越短，按照規定的測量步驟和最佳測量方法進(jìn)行測量的重要性也與日俱增。這些步驟和方法能夠為設計者提供一個(gè)節省時(shí)間的可行方案，同時(shí)還能確保信道功率測量和其他相關(guān)測量的一致性和可重復性。

在測量OFDM信號(例如WiMAX)時(shí)，穩定的觸發(fā)和精確的選通參數設置同樣至關(guān)重要。適合的測量解決方案，例如 Agilent PSA或X系列分析儀，能夠保證設計人員快速、輕松地進(jìn)行精確的信道功率測量。