基于多通道寬帶示波器的MIMO射頻測試和調試
加入技術(shù)交流群
多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)通過(guò)使用多個(gè)天線(xiàn)傳輸兩路或四路數據流，為單個(gè)用戶(hù)數據傳輸速率的提升提供了可能性。例如，此前有介紹LTE 的文章曾指出，64 QAM 2x2下行鏈路FDD MIMO和64 QAM 4x4下行鏈路FDD MIMO可分別提供高達172.8Mbps和326.4Mbps的峰值數據速率。但是，與單輸入單輸出(SISO)單個(gè)天線(xiàn)相比，實(shí)現雙通道或四通道 MIMO將會(huì )增加復雜性，從而影響可能達到的峰值數據速率，而且硬件設計和實(shí)施方面的不利影響(例如天線(xiàn)串擾和定時(shí)誤差)有可能降低多天線(xiàn)技術(shù)可能帶來(lái)的 性能增益。
另外，多天線(xiàn)技術(shù)的實(shí)現過(guò)于復雜，使得對硬件性能問(wèn)題進(jìn)行故障診斷和調試頗具難度；增加天線(xiàn)和數據流數量(從2x2 MIMO增加到4x4 MIMO)將進(jìn)一步增加調試的復雜程度。
本 文主要討論天線(xiàn)串擾損害、相位噪聲和定時(shí)誤差對MIMO下行鏈路系統性能的影響，以及采用了時(shí)間相干多通道示波器和89600矢量信號分析儀(VSA)軟 件的故障診斷技術(shù)，希望能夠幫助工程師深入了解誤差機制對硬件誤差矢量幅度(EVM)性能和系統級射頻發(fā)射機性能的影響。本文將以L(fǎng)TE作為研究對象，其 概念也可應用到其他信號格式中，例如 Mobile WiMAX。
LTE MIMO參考信號和EVM
LTE MIMO交叉生成一個(gè)貫穿頻域和時(shí)域的已知信號，稱(chēng)為參考信號(RS)。該信號是恢復MIMO 信號的基礎，因為它允許每個(gè)接收天線(xiàn)針對各個(gè)發(fā)射機建立一個(gè)信號參考。圖1顯示了如何將參考信號的各個(gè)符號分配到兩個(gè)天線(xiàn)下行鏈路信號的子載波中。
如圖所示，y軸表示參考信號的子載波分配(每六個(gè)子載波)，x軸表示時(shí)間交叉。注意，從占用子載波和時(shí)間(符號)兩方面查看天線(xiàn)0和天線(xiàn)1之間參考信號的變化。
圖 1――兩個(gè)天線(xiàn)的下行鏈路參考符碼的正交結構
下面的案例將闡明如何利用RS EVM和復合EVM 來(lái)深入了解可能會(huì )影響系統性能誤差的減損類(lèi)型。該案例還將重點(diǎn)研究發(fā)射天線(xiàn)定時(shí)誤差對參考信號正交性的影響，并在解釋天線(xiàn)串擾、星座圖和EVM測量結果時(shí)，說(shuō)明如何考慮這種影響。
案例研究——MIMO下行鏈路射頻發(fā)射機測量
本 案例研究中使用的四通道 MIMO 測試設置如圖 2 左側所示，它是由四個(gè)帶有任意波形發(fā)生器的安捷倫信號發(fā)生器和一個(gè)安捷倫四通道Infiniium 90000A系列示波器組成。如下所示，多通道示波器非常適合雙通道和四通道 的MIMO 測量，因為它們提供時(shí)間相干多通道輸入、可測量射頻調制載波的寬帶寬，以及更深層的存儲器來(lái)分析多個(gè)數據幀，數據幀可通過(guò) Agilent 89600 矢量信號分析(VSA)軟件進(jìn)行解調。
使用VSA軟件和多通道寬帶示波器進(jìn)行基線(xiàn)四通道MIMO測量的結果如圖2右側所示。圖2左側顯 示了兩層(共四層)空間多路復用數據的16 QAM 物理下行鏈路共享通道(PDSCH)星座圖(此處沒(méi)有顯示第2和第3層)。VSA顯視屏的右上方顯示了射頻頻譜圖，VSA顯視屏的右下方顯示了誤差匯總 表。注意，基線(xiàn)測試案例的剩余復合EVM(VSA 顯示屏右下方)小于 0.8%，說(shuō)明0層和1層的星座圖狀態(tài)很清晰(VSA 顯示屏的左側)。
圖 2――使用 Agilent Infiniium 90000A 系列示波器進(jìn)行四通道 MIMO 測試設置和基線(xiàn)測量的結果
圖 3――包括相位噪聲、PA 增益壓縮和天線(xiàn)串擾減損的仿真射頻發(fā)射機設計
圖 4――下行鏈路射頻發(fā)射機 MIMO 結果
然而，EVM峰值較高(43%)，所以需要對誤差矢量頻譜(EVM vs. 子載波)和誤差矢量時(shí)間(EVM vs. 符號)進(jìn)行評測，以得出復合EVM結果。這揭示了參考信號的符號間變化，因此將 VSA 上的下行鏈路文件修改為只顯示參考信號，如圖5所示。
圖 5――參考信號 EVM 時(shí)間
圖 6――VSA MIMO 信息表
o 第 1 行：Tx1/Rx0、Tx2Rx0 和T3/Rx0 或接收天線(xiàn)0上發(fā)射天線(xiàn)1-3的串擾
o 第 2 行：接收天線(xiàn)1上發(fā)射天線(xiàn)0、2和3的串擾
o 第 3 行：接收天線(xiàn)2上發(fā)射天線(xiàn)0、1和3的串擾
o 第 4 行：接收天線(xiàn)3上發(fā)射天線(xiàn)0-2的串擾
我 們看到即使通道之間存在串擾，個(gè)別RS EVM值仍相對較低。如上所述并參看圖1，MIMO參考信號如果是時(shí)間正交和頻率正交，這樣RS EVM通常不會(huì )受到天線(xiàn)串擾的影響，這與復合 EVM不同，后者會(huì )受到天線(xiàn)串擾的影響。然而，通過(guò)檢測MIMO信息表中的RS定時(shí)值，顯示天線(xiàn)通道范圍間的定時(shí)誤差約為2.3?s至 3?s(Tx1/Rx1、Tx2/Rx2、Tx3/Rx3)。這是一個(gè)問(wèn)題，因為定時(shí)誤差接近或超過(guò)LTE循環(huán)前綴的持續時(shí)間(4.69?s)時(shí)，可導致 RS正交損耗。RS正交損耗會(huì )影響測量精度，例如 MIMO的信息表中顯示的串擾值、PDSCH星座圖和EVM結果。
考慮一下定時(shí)誤差 對天線(xiàn)串擾測量結果的影響。只要通道之間的時(shí)延遠小于循環(huán)前綴的持續時(shí)間，不同發(fā)射天線(xiàn)的參考信號便會(huì )保持正交。但是，如果不能滿(mǎn)足這個(gè)條件，就會(huì )破壞正 交，從而產(chǎn)生通道間的串擾。再看圖1所示的天線(xiàn)端口0，R1子載波位置上的信號功率表明存在串擾。通道間的定時(shí)誤差或時(shí)延會(huì )導致R1子載波位置包含前一個(gè) 符號的功率，VSA 將這種現象解釋為通道間的串擾，其結果是報告的串擾值出現錯誤。
如欲檢查MIMO信息表報告的定時(shí)誤差，需要使用示波器來(lái)測量天線(xiàn)通道間的定時(shí)誤差，如圖7所示。經(jīng)測量，生成天線(xiàn)0信號的ESG與生成天線(xiàn)1信號的ESG之間的定時(shí)誤差約為2.35 ?s，該值與MIMO信息表報告的RS定時(shí)誤差有關(guān)。
圖 7――使用寬帶多通道示波器測量天線(xiàn)通道 0 和 1 之間的定時(shí)誤差
生成的MIMO信息表(圖8所示)顯示定時(shí)誤差目前在134nS之內(僅為循環(huán)前綴的2.8%)，可確保RS信號之間保持正交?，F在正確顯示的天線(xiàn)串擾值反映了圖3中已建模的天線(xiàn)串擾。
圖 8――包括校正定時(shí)誤差和 RS 正交的 MIMO 信息表
圖 9――包括校正定時(shí)誤差和 RS 正交的復合 EVM 結果
總結
四 通道MIMO測量存在許多測試難題，使得故障診斷和調試變得更具挑戰性。本文介紹了發(fā)射天線(xiàn)定時(shí)誤差，此誤差有可能影響LTE MIMO參考信號正交，從而影響天線(xiàn)串擾、星座圖和EVM 等測量結果。多通道寬帶示波器非常適合進(jìn)行雙通道或四通道MIMO測量，并有助于診斷發(fā)射天線(xiàn)通道之間可能存在的定時(shí)誤差。通過(guò)結合使用寬帶多通道示波器 和VSA軟件，工程師能夠從多個(gè)不同方面對MIMO信號進(jìn)行測量和分析：時(shí)域、頻域和調制域，根據測量結果對硬件性能問(wèn)題進(jìn)行故障診斷和隔離。通過(guò)對比 RS EVM和復合 EVM，工程師能夠了解不同誤差機制(例如相位噪聲、天線(xiàn)串擾、PA增益壓縮)對射頻發(fā)射機EVM誤差的影響。
評論