使用多通道寬帶示波器進行MIMO射頻測試和調試
2011-03-27
本文主要討論天線串擾損害、相位噪聲和定時誤差對MIMO下行鏈路系統性能的影響，以及采用了時間相干多通道和89600矢量信號分析儀(VSA)軟件的故障診斷技術，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射機性能的影響。本文將以LTE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。
另外，多天線技術的實現過于復雜，使得對硬件性能問題進行故障診斷和調試頗具難度；增加天線和數據流數量(從2x2 MIMO增加到4x4 MIMO)將進一步增加調試的復雜程度。
包括相位噪聲、PA 增益壓縮和天線串擾減損的仿真射頻發射機設計
將仿真波形下載至ESG之后，按照圖1所示的測試設置測量生成的測試信號。ESG輸出的生成測試信號以1.9GHz為中心。如圖4所示，這些信號由寬帶多通道捕獲并通過VSA軟件進行解調。
下行鏈路射頻發射機 MIMO 結果
LTE MIMO參考信號和EVM
LTE MIMO交叉生成一個貫穿頻域和時域的已知信號，稱為參考信號(RS)。該信號是恢復MIMO 信號的基礎，因為它允許每個接收天線針對各個發射機建立一個信號參考。圖1顯示了如何將參考信號的各個符號分配到兩個天線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(每六個子載波)，x軸表示時間交叉。注意，從占用子載波和時間(符號)兩方面查看天線0和天線1之間參考信號的變化。
圖 1――兩個天線的下行鏈路參考符碼的正交結構
誤差矢量幅度(EVM)是描述射頻發射機性能的重要系統指標。通過對RS EVM和復合EVM 進行比較，不僅可以幫助工程師深入了解發射機硬件設計減損，還能夠幫助診斷天線串擾、放大器增益壓縮失真、相位噪聲和其他誤差機制等特定減損。
下面的案例將闡明如何利用RS EVM和復合EVM 來深入了解可能會影響系統性能誤差的減損類型。該案例還將重點研究發射天線定時誤差對參考信號正交性的影響，并在解釋天線串擾、星座圖和EVM測量結果時，說明如何考慮這種影響。
案例研究——MIMO下行鏈路射頻發射機測量
本案例研究中使用的四通道 MIMO 測試設置如圖 2 左側所示，它是由四個帶有任意波形發生器的安捷倫和一個安捷倫四通道Infiniium 90000A系列示波器組成。如下所示，多通道非常適合雙通道和四通道 的MIMO 測量，因為它們提供時間相干多通道輸入、可測量射頻調制載波的寬帶寬，以及更深層的存儲器來分析多個數據幀，數據幀可通過 Agilent 89600 矢量信號分析(VSA)軟件進行解調。
使用VSA軟件和多通道寬帶進行基線四通道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，基線測試案例的剩余復合EVM(VSA 顯示屏右下方)小于 0.8%，說明0層和1層的星座圖狀態很清晰(VSA 顯示屏的左側)。
多輸入多輸出(MIMO)技術通過使用多個天線傳輸兩路或四路數據流，為單個用戶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)單個天線相比，實現雙通道或四通道MIMO將會增加復雜性，從而影響可能達到的峰值數據速率，而且硬件設計和實施方面的不利影響(例如天線串擾和定時誤差)有可能降低多天線技術可能帶來的性能增益。
注意，0層和1層星座圖現在顯示出嚴重的色散(第2層和第3層也顯示出相似的色散，但圖中沒有顯示)。乍一看，這與放大器增益壓縮失真或LO相位噪聲導致的色散十分相似。
使用 Agilent Infiniium 90000A 系列進行四通道 MIMO 測試設置和基線測量的結果
多通道和 VSA 軟件通常被用于兩通道或四通道中頻－射頻發射機/上硬件被測裝置(DUT)，以進行MIMO測試。由于DUT不適于測試，因此需要使用 Agilent SystemVue建模具有仿真設計減損的四通道射頻發射機。每個發射機均由中頻/射頻帶通濾波器、LO 混頻器和功率放大器(PA)組成。功率放大器指定了10kHz頻率偏置時的LO相位噪聲以及1dB增益壓縮點。發射機的輸出端使用了定制模型子網，對天線串擾進行建模，然后使用ESG接收機將仿真的IQ波形(包含仿真的設計減損)下載到四個ESG中，如圖3所示。
然而，EVM峰值較高(43%)，所以需要對誤差矢量頻譜(EVM vs. 子載波)和誤差矢量時間(EVM vs. 符號)進行評測，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。
參考信號 EVM 時間
考慮一下定時誤差對天線串擾測量結果的影響。只要通道之間的時延遠小于循環前綴的持續時間，不同發射天線的參考信號便會保持正交。但是，如果不能滿足這個條件，就會破壞正交，從而產生通道間的串擾。再看圖1所示的天線端口0，R1子載波位置上的信號功率表明存在串擾。通道間的定時誤差或時延會導致R1子載波位置包含前一個符號的功率，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。
RS EVM時間圖顯示，一對天線表現不佳(參考信號在天線0/1之間的連續時隙上進行傳輸，然后是在天線2/3之間。計算多個子載波的RS EVM值，再計算跳變路徑的平均值。)
VSA MIMO 信息表
為了更深入地探討，可以查看圖6所示的MIMO信息表。該MIMO信息表在顯示天線串擾效應方面非常有用：
o 第 1 行：Tx1/Rx0、Tx2Rx0 和T3/Rx0 或接收天線0上發射天線1-3的串擾
o 第 2 行：接收天線1上發射天線0、2和3的串擾
o 第 3 行：接收天線2上發射天線0、1和3的串擾
o 第 4 行：接收天線3上發射天線0-2的串擾
我們看到即使通道之間存在串擾，個別RS EVM值仍相對較低。如上所述并參看圖1，MIMO參考信號如果是時間正交和頻率正交，這樣RS EVM通常不會受到天線串擾的影響，這與復合 EVM不同，后者會受到天線串擾的影響。然而，通過檢測MIMO信息表中的RS定時值，顯示天線通道范圍間的定時誤差約為2.3?s至3?s(Tx1/Rx1、Tx2/Rx2、Tx3/Rx3)。這是一個問題，因為定時誤差接近或超過LTE循環前綴的持續時間(4.69?s)時，可導致RS正交損耗。RS正交損耗會影響測量精度，例如 MIMO的信息表中顯示的串擾值、PDSCH星座圖和EVM結果。
包括校正定時誤差和 RS 正交的 MIMO 信息表
滿足RS正交條件后，復合EVM結果現為4.1%，遠遠低于之前報告的12.5% 。
如欲檢查MIMO信息表報告的定時誤差，需要使用來測量天線通道間的定時誤差，如圖7所示。經測量，生成天線0信號的ESG與生成天線1信號的ESG之間的定時誤差約為2.35 ?s，該值與MIMO信息表報告的RS定時誤差有關。
包括校正定時誤差和 RS 正交的復合 EVM 結果
系統工程師可將RS EVM結果和復合EVM結果進行比較，從而確定不同誤差機制對射頻發射機 EVM誤差的影響。例如，天線串擾可能不會影響RS EVM值，但會對復合EVM產生影響。另一方面，其他射頻發射機減損，例如相位噪聲和PA增益壓縮都可對RS EVM和復合EVM產生負面影響。
使用寬帶多通道測量天線通道 0 和 1 之間的定時誤差
天線 1、天線2和天線3 ESG都是從天線0 ESG開始觸發。測出定時誤差后，可通過調整天線1-3 ESG的碼型觸發時延來解決定時誤差問題。
生成的MIMO信息表(圖8所示)顯示定時誤差目前在134nS之內(僅為循環前綴的2.8%)，可確保RS信號之間保持正交。現在正確顯示的天線串擾值反映了圖3中已建模的天線串擾。
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。本文介紹了發射天線定時誤差，此誤差有可能影響LTE MIMO參考信號正交，從而影響天線串擾、星座圖和EVM 等測量結果。多通道寬帶示波器非常適合進行雙通道或四通道MIMO測量，并有助于診斷發射天線通道之間可能存在的定時誤差。通過結合使用寬帶多通道和VSA軟件，工程師能夠從多個不同方面對MIMO信號進行測量和分析：時域、頻域和調制域，根據測量結果對硬件性能問題進行故障診斷和隔離。通過對比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、天線串擾、PA增益壓縮)對射頻發射機EVM誤差的影響。
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