本文主要討論天線串?dāng)_損害,、相位噪聲和定時(shí)誤差對(duì)MIMO下行鏈路系統(tǒng)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(hào)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(jī)制對(duì)硬件誤差矢量幅度(EVM)性能和系統(tǒng)級(jí)射頻發(fā)射機(jī)性能的影響,。本文將以LTE作為研究對(duì)象,，其概念也可應(yīng)用到其他信號(hào)格式中，例如 Mobile WiMAX,。
LTE MIMO參考信號(hào)和EVM
LTE MIMO交叉生成一個(gè)貫穿頻域和時(shí)域的已知信號(hào),，稱為參考信號(hào)(RS)。該信號(hào)是恢復(fù)MIMO 信號(hào)的基礎(chǔ),，因?yàn)樗试S每個(gè)接收天線針對(duì)各個(gè)發(fā)射機(jī)建立一個(gè)信號(hào)參考,。圖1顯示了如何將參考信號(hào)的各個(gè)符號(hào)分配到兩個(gè)天線下行鏈路信號(hào)的子載波中。
如圖所示,，y軸表示參考信號(hào)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(hào))兩方面查看天線0和天線1之間參考信號(hào)的變化,。
圖 1――兩個(gè)天線的下行鏈路參考符碼的正交結(jié)構(gòu)
誤差矢量幅度(EVM)是描述射頻發(fā)射機(jī)性能的重要系統(tǒng)指標(biāo)。通過對(duì)RS EVM和復(fù)合EVM 進(jìn)行比較,，不僅可以幫助工程師深入了解發(fā)射機(jī)硬件設(shè)計(jì)減損,，還能夠幫助診斷天線串?dāng)_、放大器增益壓縮失真,、相位噪聲和其他誤差機(jī)制等特定減損,。
下面的案例將闡明如何利用RS EVM和復(fù)合EVM 來深入了解可能會(huì)影響系統(tǒng)性能誤差的減損類型。該案例還將重點(diǎn)研究發(fā)射天線定時(shí)誤差對(duì)參考信號(hào)正交性的影響,，并在解釋天線串?dāng)_,、星座圖和EVM測(cè)量結(jié)果時(shí)，說明如何考慮這種影響,。
案例研究——MIMO下行鏈路射頻發(fā)射機(jī)測(cè)量
本案例研究中使用的四通道 MIMO 測(cè)試設(shè)置如圖 2 左側(cè)所示,，它是由四個(gè)帶有任意波形發(fā)生器的安捷倫信號(hào)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(cè)量,，因?yàn)樗鼈兲峁r(shí)間相干多通道輸入,、可測(cè)量射頻調(diào)制載波的寬帶寬，以及更深層的存儲(chǔ)器來分析多個(gè)數(shù)據(jù)幀,，數(shù)據(jù)幀可通過 Agilent 89600 矢量信號(hào)分析(VSA)軟件進(jìn)行解調(diào),。
使用VSA軟件和多通道寬帶示波器進(jìn)行基線四通道MIMO測(cè)量的結(jié)果如圖2右側(cè)所示。圖2左側(cè)顯示了兩層(共四層)空間多路復(fù)用數(shù)據(jù)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(cè)試案例的剩余復(fù)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(tài)很清晰(VSA 顯示屏的左側(cè))。
圖 2――使用 Agilent Infiniium 90000A 系列示波器進(jìn)行四通道 MIMO 測(cè)試設(shè)置和基線測(cè)量的結(jié)果
多通道示波器和 VSA 軟件通常被用于兩通道或四通道中頻-射頻發(fā)射機(jī)/上變頻器硬件被測(cè)裝置(DUT),，以進(jìn)行MIMO測(cè)試,。由于DUT不適于測(cè)試，因此需要使用 Agilent SystemVue仿真器建模具有仿真設(shè)計(jì)減損的四通道射頻發(fā)射機(jī),。每個(gè)發(fā)射機(jī)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(shí)的LO相位噪聲以及1dB增益壓縮點(diǎn),。發(fā)射機(jī)的輸出端使用了定制模型子網(wǎng),，對(duì)天線串?dāng)_進(jìn)行建模，然后使用ESG接收機(jī)將仿真的IQ波形(包含仿真的設(shè)計(jì)減損)下載到四個(gè)ESG中,，如圖3所示,。
圖 3――包括相位噪聲,、PA 增益壓縮和天線串?dāng)_減損的仿真射頻發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)
將仿真波形下載至ESG之后,，按照?qǐng)D1所示的測(cè)試設(shè)置測(cè)量生成的測(cè)試信號(hào)。ESG輸出的生成測(cè)試信號(hào)以1.9GHz為中心,。如圖4所示,，這些信號(hào)由寬帶多通道示波器捕獲并通過VSA軟件進(jìn)行解調(diào)。
圖 4――下行鏈路射頻發(fā)射機(jī) MIMO 結(jié)果
注意,，0層和1層星座圖現(xiàn)在顯示出嚴(yán)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(dǎo)致的色散十分相似,。
然而，EVM峰值較高(43%),，所以需要對(duì)誤差矢量頻譜(EVM vs. 子載波)和誤差矢量時(shí)間(EVM vs. 符號(hào))進(jìn)行評(píng)測(cè)，以得出復(fù)合EVM結(jié)果,。這揭示了參考信號(hào)的符號(hào)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(hào),，如圖5所示。
圖 5――參考信號(hào) EVM 時(shí)間
RS EVM時(shí)間圖顯示,，一對(duì)天線表現(xiàn)不佳(參考信號(hào)在天線0/1之間的連續(xù)時(shí)隙上進(jìn)行傳輸,，然后是在天線2/3之間。計(jì)算多個(gè)子載波的RS EVM值,，再計(jì)算跳變路徑的平均值,。)
圖 6――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?dāng)_效應(yīng)方面非常有用：
o 第 1 行：Tx1/Rx0,、Tx2Rx0 和T3/Rx0 或接收天線0上發(fā)射天線1-3的串?dāng)_
o 第 2 行：接收天線1上發(fā)射天線0、2和3的串?dāng)_
o 第 3 行：接收天線2上發(fā)射天線0,、1和3的串?dāng)_
o 第 4 行：接收天線3上發(fā)射天線0-2的串?dāng)_
我們看到即使通道之間存在串?dāng)_,，個(gè)別RS EVM值仍相對(duì)較低。如上所述并參看圖1,，MIMO參考信號(hào)如果是時(shí)間正交和頻率正交,，這樣RS EVM通常不會(huì)受到天線串?dāng)_的影響，這與復(fù)合 EVM不同,，后者會(huì)受到天線串?dāng)_的影響,。然而，通過檢測(cè)MIMO信息表中的RS定時(shí)值,，顯示天線通道范圍間的定時(shí)誤差約為2.3?s至3?s(Tx1/Rx1,、Tx2/Rx2、Tx3/Rx3),。這是一個(gè)問題,，因?yàn)槎〞r(shí)誤差接近或超過LTE循環(huán)前綴的持續(xù)時(shí)間(4.69?s)時(shí)，可導(dǎo)致RS正交損耗,。RS正交損耗會(huì)影響測(cè)量精度,，例如 MIMO的信息表中顯示的串?dāng)_值、PDSCH星座圖和EVM結(jié)果,。
考慮一下定時(shí)誤差對(duì)天線串?dāng)_測(cè)量結(jié)果的影響,。只要通道之間的時(shí)延遠(yuǎn)小于循環(huán)前綴的持續(xù)時(shí)間，不同發(fā)射天線的參考信號(hào)便會(huì)保持正交,。但是,，如果不能滿足這個(gè)條件，就會(huì)破壞正交,，從而產(chǎn)生通道間的串?dāng)_,。再看圖1所示的天線端口0，R1子載波位置上的信號(hào)功率表明存在串?dāng)_。通道間的定時(shí)誤差或時(shí)延會(huì)導(dǎo)致R1子載波位置包含前一個(gè)符號(hào)的功率,，VSA 將這種現(xiàn)象解釋為通道間的串?dāng)_,，其結(jié)果是報(bào)告的串?dāng)_值出現(xiàn)錯(cuò)誤。
如欲檢查MIMO信息表報(bào)告的定時(shí)誤差,，需要使用示波器來測(cè)量天線通道間的定時(shí)誤差,，如圖7所示。經(jīng)測(cè)量,，生成天線0信號(hào)的ESG與生成天線1信號(hào)的ESG之間的定時(shí)誤差約為2.35 ?s,，該值與MIMO信息表報(bào)告的RS定時(shí)誤差有關(guān)。
圖 7――使用寬帶多通道示波器測(cè)量天線通道 0 和 1 之間的定時(shí)誤差
天線 1,、天線2和天線3 ESG都是從天線0 ESG開始觸發(fā),。示波器測(cè)出定時(shí)誤差后，可通過調(diào)整天線1-3 ESG的碼型觸發(fā)時(shí)延來解決定時(shí)誤差問題,。
生成的MIMO信息表(圖8所示)顯示定時(shí)誤差目前在134nS之內(nèi)(僅為循環(huán)前綴的2.8%),，可確保RS信號(hào)之間保持正交。現(xiàn)在正確顯示的天線串?dāng)_值反映了圖3中已建模的天線串?dāng)_,。
圖 8――包括校正定時(shí)誤差和 RS 正交的 MIMO 信息表
如圖9所示,，滿足RS正交條件后，復(fù)合EVM結(jié)果現(xiàn)為4.1%,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于之前報(bào)告的12.5% ,。
圖 9――包括校正定時(shí)誤差和 RS 正交的復(fù)合 EVM 結(jié)果
系統(tǒng)工程師可將RS EVM結(jié)果和復(fù)合EVM結(jié)果進(jìn)行比較，從而確定不同誤差機(jī)制對(duì)射頻發(fā)射機(jī) EVM誤差的影響,。例如,，天線串?dāng)_可能不會(huì)影響RS EVM值，但會(huì)對(duì)復(fù)合EVM產(chǎn)生影響,。另一方面,，其他射頻發(fā)射機(jī)減損，例如相位噪聲和PA增益壓縮都可對(duì)RS EVM和復(fù)合EVM產(chǎn)生負(fù)面影響,。
總結(jié)
四通道MIMO測(cè)量存在許多測(cè)試難題,，使得故障診斷和調(diào)試變得更具挑戰(zhàn)性。本文介紹了發(fā)射天線定時(shí)誤差,，此誤差有可能影響LTE MIMO參考信號(hào)正交,，從而影響天線串?dāng)_、星座圖和EVM 等測(cè)量結(jié)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(cè)量,，并有助于診斷發(fā)射天線通道之間可能存在的定時(shí)誤差。通過結(jié)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(duì)MIMO信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和分析：時(shí)域,、頻域和調(diào)制域,，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)硬件性能問題進(jìn)行故障診斷和隔離。通過對(duì)比RS EVM和復(fù)合 EVM,，工程師能夠了解不同誤差機(jī)制(例如相位噪聲,、天線串?dāng)_,、PA增益壓縮)對(duì)射頻發(fā)射機(jī)EVM誤差的影響,。