WiMax射頻測(cè)試應(yīng)用

WiMax技術(shù)要在具體的應(yīng)用場(chǎng)景中體現(xiàn)出自身的優(yōu)勢(shì)，才能得到市場(chǎng)的認(rèn)可，這就需要通過(guò)應(yīng)用測(cè)試來(lái)衡量系統(tǒng)的性能參數(shù)。WiMax的測(cè)試方法分為三部分：協(xié)議分析、無(wú)線射頻分析，傳輸性能分析。根據(jù)協(xié)議分析、無(wú)線射頻分析和傳輸性能分析得出測(cè)試的綜合結(jié)果。

WiMax 接收測(cè)試

在進(jìn)行WiMax放大器及模塊測(cè)試時(shí)，需要輸入一個(gè)理想的測(cè)試信號(hào);在進(jìn)行BS(基站)，RS(中繼站)或SS(終端)接收機(jī)性能測(cè)試時(shí)，需要輸入一個(gè)經(jīng)過(guò)空間信道傳輸?shù)臏y(cè)試信號(hào)。

數(shù)字矢量信號(hào)源SMU/SMJ/SMATE可以產(chǎn)生包含了完整的無(wú)線幀設(shè)置，MAC(媒體接入層)設(shè)置，信道編碼等符合規(guī)范或用戶自定義的WiMax信號(hào)。

無(wú)線幀設(shè)置

OFDM模式

圖1是OFDM TDD模式的幀結(jié)構(gòu)。

圖1 OFDM模式幀機(jī)構(gòu)

下行子幀包含三個(gè)部分：Preamble(前導(dǎo))，F(xiàn)CH(幀控制頭)和下行data burst。

Preamble位于上下行子幀的起始，用于收發(fā)信機(jī)之間的同步以及信道估計(jì)。在符號(hào)結(jié)構(gòu)上分為long preamble和short preamble：long preamble用于下行子幀，由兩個(gè)符號(hào)組成，其中第一個(gè)符號(hào)每四個(gè)子載波出現(xiàn)一次，第二個(gè)符號(hào)每?jī)蓚€(gè)子載波出現(xiàn)一次。Short preamble用于上行子幀，由一個(gè)符號(hào)組成，每?jī)蓚€(gè)子載波出現(xiàn)一次，如果下行子幀傳輸多個(gè)data burst，那么每個(gè)burst之間的midamble也是 short preamble。

FCH(Frame control header)位于Long Preamble之后，由一個(gè)符號(hào)組成，包含了一些系統(tǒng)信息如基站ID和DL data burst的屬性，用于接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)。

DL Burst包含了MAC PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)和一些廣播信息，如DL-MAP、UL-MAP、DCD(下行信道描述)、UCD(上行信道描述)。一個(gè)完整的PDU應(yīng)由48比特的MAC Header，Payload(資料段)和循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC組成。

上行子幀除了Preamble和UL PDU之外，還包含了ranging(測(cè)距)部分。Ranging的過(guò)程是由SS發(fā)送請(qǐng)求給BS，以進(jìn)行發(fā)射功率，時(shí)延和頻偏的調(diào)整。

OFDMA模式

圖2是OFDMA模式的幀結(jié)構(gòu)。

圖2 OFDMA模式幀機(jī)構(gòu)

由于引入了基于logical subchannel(邏輯子信道)的Access，OFDMA的無(wú)線幀結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些。圖2顯示了由symbol number和subchannel number組成的幀結(jié)構(gòu)平面，Preamble，F(xiàn)CH，廣播信息和data burst都分布在此平面上。這個(gè)平面由Zone和segment組成，它們彼此通過(guò)symbol offset和subchannel offset區(qū)分。

對(duì)于subchannel的使用分為PUSC和FUSC，即部分使用subchannel和全部使用subchannel，而subchannel分為六組，其數(shù)量由FFT Size決定，F(xiàn)FT Size 2048/1024/512/128分別對(duì)應(yīng)60/30/15/3個(gè)subchannel。

RS信號(hào)源SMU目前可支持Preamble, FCH, DL-map, UL-map, ranging, MAC PDU (MAC Header; Payload; CRC) 的自動(dòng)生成或自定義設(shè)置。對(duì)于OFDMA (WiBro) 模式，可支持多達(dá)8個(gè)Zones和3個(gè)segments的配置。

WiMax信號(hào)產(chǎn)生應(yīng)用

預(yù)設(shè)置幀結(jié)構(gòu)

802.16測(cè)試規(guī)范中并沒(méi)有定義類似于3GPP的test model，只是給出了一些用于接收機(jī)靈敏度測(cè)試的test message，在SMU中預(yù)設(shè)置了三種不同長(zhǎng)度(288/864/1536bits)的message，并且每一種message都提供了不同的調(diào)制方式和編碼速率。這項(xiàng)應(yīng)用可以方便快捷的生成WiMax信號(hào)。

上下行信號(hào)同步發(fā)射

在一些基站，直放站，模塊等測(cè)試環(huán)境中，常常需要WiMax信號(hào)同時(shí)包含上下行部分，模擬相互之間的干擾。內(nèi)置兩個(gè)信號(hào)通路的SMU提供了該項(xiàng)功能。

TDD模式：通過(guò)基帶單元A觸發(fā)基帶單元B，并且在基帶部分進(jìn)行疊加，再通過(guò)調(diào)整兩者之間的觸發(fā)時(shí)延，便可以用一路射頻通道輸出包含完整上下行數(shù)據(jù)的TDD信號(hào)。

FDD模式：如果上下行信號(hào)載頻間隔不超過(guò)+/-40MHz，則可以通過(guò)上述基帶疊加功能，再設(shè)置相應(yīng)的頻偏即可;如果載頻間隔較大，則可以通過(guò)兩路射頻分別輸出同步觸發(fā)的上下行信號(hào)。

衰落模擬應(yīng)用

收發(fā)信機(jī)之間的傳輸常常在空間信道下進(jìn)行，其間不僅存在視距傳播，還包含了由于環(huán)境影響產(chǎn)生的反射和折射，以及在移動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的多普勒頻移等。SMU提供了多達(dá)40個(gè)路徑的衰落仿真器，可以模擬多種衰落屬性以及動(dòng)態(tài)衰落環(huán)境。

WiMax規(guī)范暫未給出標(biāo)準(zhǔn)的衰落模型，目前一般使用3GPP規(guī)范提供的模型或SUI1-6(Stanford University Interim)進(jìn)行測(cè)試，而WiMax Forum的技術(shù)工作組也在討論是否在這些模型的基礎(chǔ)上衍生出WiMax的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

WiMax 發(fā)射測(cè)試

功率測(cè)量

功率計(jì)測(cè)試：NRP提供了三種測(cè)量WiMax信號(hào)功率的方法

Duty cycle：已知Frame周期和Burst長(zhǎng)度，即占空比，可用該模式測(cè)試Burst平均功率。

Scope Mode：通過(guò)測(cè)量Power VsTime，進(jìn)行門限掃描，可以得出Burst平均功率。

Burst Mode：通過(guò)功率探頭的觸發(fā)功能進(jìn)行Burst捕獲，得出Burst平均功率。

其中后兩種方法不需要知道WiMax信號(hào)具體的幀結(jié)構(gòu)信息。

頻譜儀測(cè)試

時(shí)域測(cè)量

圖3顯示的是時(shí)域上對(duì)WiMax信號(hào)的Preamble功率進(jìn)行測(cè)量，為了準(zhǔn)確的得出測(cè)量結(jié)果，需要使得測(cè)量帶寬覆蓋WiMax信號(hào)帶寬。

圖3 對(duì)Wimax信號(hào)的Preamble功率進(jìn)行測(cè)量(時(shí)域)

由于儀器當(dāng)中使用的濾波器SF(shape factor)不一樣，如果使用模擬中頻濾波器，其帶寬要等于5倍的信號(hào)帶寬;如果使用信道濾波器，其帶寬要大于信號(hào)帶寬。

頻域測(cè)量

首先要使Wimax信號(hào)的SF盡量接近濾波器的SF，由該組數(shù)據(jù)可看出應(yīng)選擇10KHz RBW

·WiMAX

B3dB=1.798MHz, B60dB=2.248MHz→SF60/3=1.25

·RBW filter 10kHz

B3dB=9.91kHz, B60dB=53.45kHz→SF60/3=5.39

·RBW filter 200kHz

B3dB=196.5kHz, B60dB=1.898MHz→SF60/3=9.66

其次要選擇合適的掃描時(shí)間，TSweep=NSweep points·TSignal Cyde，假設(shè)頻譜儀的掃描點(diǎn)數(shù)為625，被測(cè)信號(hào)周期10ms，則最小掃描時(shí)間是6.25s，如果掃描時(shí)間過(guò)短，每個(gè)掃描點(diǎn)不能覆蓋一個(gè)完整的信號(hào)周期，則不能反映其真實(shí)的頻域信息。

信號(hào)幅度統(tǒng)計(jì)測(cè)量

Crest factor指的是信號(hào)峰值功率與rms功率的比值。對(duì)于TDD信號(hào)而言，有兩種定義：Burst CF(僅評(píng)估Burst)和Total CF(評(píng)估整個(gè)信號(hào)周期)，兩者之間的關(guān)系是RTotal= RBurst+101-D，其中D為信號(hào)占空比。例如，一個(gè)WiMax信號(hào)周期10ms，burst長(zhǎng)度2ms，Burst CF為8，則Total CF為：

RTotal=8dB+101-0.2+8dB+6.3dB=14.3dB

有兩種方法可以測(cè)試crest factor，

(1)分別使用rms和peak detector掃描信號(hào)軌跡，計(jì)算差值。

圖4 rms和peak detector掃描信號(hào)軌跡

如圖4所示，將頻譜儀設(shè)置為Power Vs Time模式，掃描周期為一個(gè)Burst長(zhǎng)度，兩條軌跡分別為max hold和average，兩者之間的差值即為crest factor

(2)使用頻譜儀內(nèi)置測(cè)量功能。

RS信號(hào)分析儀FSQ的WiMax選件中包含了Crest factor測(cè)量功能，當(dāng)然我們需要進(jìn)行正確的設(shè)置以保證對(duì)大量的level采樣值進(jìn)行評(píng)估。

Rms Level測(cè)量

該項(xiàng)測(cè)試中，必須保證評(píng)估時(shí)間是WiMax信號(hào)周期的整數(shù)倍，如圖5左端顯示。而評(píng)估時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，則會(huì)得出圖5右端錯(cuò)誤的rmslevel測(cè)量結(jié)果。

圖5 Rms Level測(cè)量

Peak level測(cè)量

圖6 Peak Level測(cè)量

儀器會(huì)以一定的采樣頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，圖6以正弦波為例，在采樣過(guò)程中，很可能會(huì)遺漏peak點(diǎn)，進(jìn)而造成峰值功率計(jì)算誤差。為了避免這種情況的發(fā)生，一般會(huì)增加采樣頻率，降低采樣周期，以減少遺漏peak點(diǎn)的可能;或者采取多次掃描測(cè)量，進(jìn)行peak level的統(tǒng)計(jì)。在頻譜儀WiMax測(cè)量選件中，可選擇多個(gè)burst進(jìn)行統(tǒng)計(jì)已達(dá)到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，如圖7。

圖7 選擇多個(gè)burst進(jìn)行統(tǒng)計(jì)

調(diào)制測(cè)量

OFDM symbol(FFT)頻譜測(cè)量

在一些Wimax測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下情況：信號(hào)分析儀不能正確解調(diào)信號(hào)，但是有頻譜輸出。此時(shí)，我們可以通過(guò)觀測(cè)某些符號(hào)的FFT頻譜辨別信號(hào)是否有正常調(diào)制。

圖8 FFI頻譜測(cè)量

圖8顯示了一個(gè)DL burst的long preamble中第一個(gè)符號(hào)的FFT頻譜，可以看出這個(gè)符號(hào)承載在50個(gè)載波上，此時(shí)的Preamble是正常的，接下來(lái)可以判斷是否由于其他因素如解調(diào)設(shè)置引起的解調(diào)失敗。

調(diào)制測(cè)量(OFDM)

圖9 OFDM Burst的測(cè)量結(jié)果

圖9顯示了一個(gè)OFDM Burst的測(cè)量結(jié)果，測(cè)試項(xiàng)包含了EVM，I/Q調(diào)制質(zhì)量，載頻誤差RSSI(接收信號(hào)強(qiáng)度指示)，CINR(載干比)等。同時(shí)可以通過(guò)設(shè)置藍(lán)色標(biāo)記的limit值進(jìn)行方便的信號(hào)評(píng)估。此外還可以顯示每個(gè)Burst的星座圖，以及符號(hào)的bitstream。

調(diào)制測(cè)量(OFDMA)

圖10 調(diào)制測(cè)量(OFDMA)

圖10分別顯示了在解調(diào)OFDMA信號(hào)時(shí)各個(gè)Zone/segment，以及每個(gè)Zone對(duì)應(yīng)的Burst的設(shè)置。這些設(shè)置應(yīng)該和被測(cè)信號(hào)保持一致，當(dāng)然在儀器當(dāng)中也保存了一些預(yù)設(shè)置。

誤差判別

Burst功率誤差

圖11 Burst功率誤差

如圖11顯示，我們可以通過(guò)觀察不同調(diào)制方式的burst在星座圖上的顯示位置，來(lái)確認(rèn)是否有幅度誤差(此時(shí)需關(guān)閉level tracking，以避免儀器對(duì)burst幅度誤差進(jìn)行補(bǔ)償)

帶內(nèi)雜散判別

圖12 雜散信號(hào)測(cè)量

如圖12顯示，可以通過(guò)EVM Vs Carrier測(cè)試選項(xiàng)來(lái)判斷某個(gè)載波位置上的異常EVM值，并進(jìn)一步確認(rèn)雜散信號(hào)的位置。

I/Q調(diào)制誤差判別

圖13 I/Q調(diào)制誤差測(cè)量

如圖13顯示，通過(guò)Tx-Rx gap level或者載波的異常EVM值可以判斷在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)的I/Q調(diào)制器誤差，如I/Q offset(直流分量導(dǎo)致的原點(diǎn)偏移);Gain imbalance(增益不平衡)和Quadrature(高頻振蕩非正交引起的角度偏差)。