LTE設(shè)備和系統(tǒng)射頻特性的測量

對任何LTE設(shè)備制造商來說，確保產(chǎn)品符合3GPP標準的要求非常重要，例如TS36.141基站一致性測試和TS36.521 UE一致性規(guī)范射頻傳輸與接收。然而，基于這些標準高效準確地呈現(xiàn)諸如OFDM、MIMO和Layer1/2/3等通用射頻發(fā)射特性極具挑戰(zhàn)性。使用特定測試儀器并實現(xiàn)一定的測量過程可以控制測試成本，并有助于加速產(chǎn)品上市。

OFDM射頻測試

正交頻分復(fù)用(OFDM)以及使用高階64QAM調(diào)制要求收發(fā)模塊同時具有高線性、精準相位和足夠幅值，以防止碼間干擾，實現(xiàn)準確的IQ解調(diào)。為了測量這些特性，測試方案需要具備快速、自適應(yīng)的誤差矢量幅值(EVM)測量功能，以便在自適應(yīng)頻率通道使用期間跟蹤和測量信號?？梢韵葴y試每個副載波的“單個副載波”性能，然后再測試副載波組合點處的“復(fù)合”信號，這樣就得到了總體性能。

副載波必須具有強大的相位噪聲性能以防范載波之間的信號泄漏。OFDM的頻率映射和正交屬性要求一個載波的“零點”準確地位于相鄰載波的峰值點。因此，為正確設(shè)計一個系統(tǒng)，精確地測量每個副載波的相位線性度和幅值線性度就非常重要。

此外，還必須“逐個資源塊”地測量OFDM傳輸，以確定每個脈沖簇群的功率水平是否得以正確保持。每個單獨的“資源單元”都有特定的發(fā)射功率水平，且必須在整個資源塊準確地測量這些功率水平。

由于具有兩個特點，EVM測量需仔細考慮 。一個是循環(huán)前綴(CP)，即在每個符號開始處發(fā)射的一個短脈沖序列。它實際上是符號尾端的一個重復(fù)，并產(chǎn)生一個允許因多徑效應(yīng)導(dǎo)致的時延在傳輸路徑中延展的穩(wěn)定時間。如果在符號周期的開始立即就進行測試，則前一個符號的信號(碼間干擾或ISI)將破壞此次測量。

第二個是符號傳輸在起點和終點各有一個“斜坡”，以確保此處沒有大功率的脈沖串。必須對測量的符號周期進行限制，以確保測量沒在“斜坡”時間段進行。使用“滑動FFT”技術(shù)可同時解決上述這兩個問題，它可及時調(diào)整被測符號周期，從而提供最佳EVM值。

下面的測量可體現(xiàn)出斜坡效應(yīng)。左邊的波形沒有斜坡，因此每個符號間的開/關(guān)很尖銳。這將導(dǎo)致較大的“由于開關(guān)動作引起的頻譜”發(fā)散，即圖1中所示超出期望系統(tǒng)帶寬的輸出頻譜的展寬，在本例中是5MHz。右邊是使能了斜坡的波形，所以符號間的開/關(guān)就遠非那么陡突。這樣可以明顯減少頻譜發(fā)散。為確保發(fā)射器輸出保持在分配的頻段范圍且不會干擾任何相鄰頻率，就需要這類斜坡(也稱為頻譜整形)。

圖1：斜坡效應(yīng)。

在MIMO系統(tǒng)中，必須徹底地理解天線到空中的耦合特征。MIMO鏈路的數(shù)據(jù)速率和性能取決于多副射頻天線相互間的耦合程度。為實現(xiàn)一個成功的MIMO系統(tǒng)，需要精確的天線路徑校準、工廠校準和現(xiàn)場安裝校準。

基站發(fā)射天線陣列可以使用專門的相控陣列技術(shù)(如巴特勒矩陣)，以便精確控制每個天線路徑的相位/時序。這要求在電氣路徑長度、耦合和來自兩端的反射等方面對射頻路徑進行精確表征。表征數(shù)據(jù)再饋入MIMO自適應(yīng)算法來激活波束控制等功能。通?？梢允褂檬噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀進行天線路徑的完整表征。

在MIMO測試中，應(yīng)測量基帶處理部分和射頻的產(chǎn)生/規(guī)整，并且應(yīng)對兩者做功能和性能測試。另外，通過有意使用錯誤信號執(zhí)行“負面測試”也很有用，這樣可確保這些錯誤信號得到了正確處理或被拒絕。

在MIMO系統(tǒng)中， 計算從每副發(fā)射天線到每副接收天線的射頻路徑特性是有必要的。為此，系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r地精確測量射頻路徑特性。這些算法被嵌入在具體MIMO系統(tǒng)的設(shè)計中，但它們都要求對已知信號的前導(dǎo)或?qū)ьl音進行精確的相位和幅值測量。對測試環(huán)境來說，它提出了兩個挑戰(zhàn)：

接收信號的測量精度 測試系統(tǒng)必須經(jīng)過校準以將測量本身系統(tǒng)的不確定性與被測MIMO系統(tǒng)的精度和不確定性分隔開來。這樣受測試系統(tǒng)的影響最小，可以測到MIMO系統(tǒng)的真實特性。為此，測試環(huán)境必須產(chǎn)生參考信號，并以參考信號為基準進行測量。測試方法需要通過調(diào)整參考信號質(zhì)量、檢查測量結(jié)果與產(chǎn)生的變化是否匹配來加以確認。

射頻耦合 對于在性能測量、算法調(diào)整、集成與驗證(I&V)和生產(chǎn)質(zhì)量測試中使用的測試環(huán)境來說，如果要得到絕對的性能指標，那么天線間的射頻耦合就必須是被定義的、可重復(fù)的、已表征的。這要求使用具有完善信號發(fā)生功能的合適的衰減與多徑測試儀器以創(chuàng)建天線間的不同耦合。為此需要使用靜態(tài)信號(如基于信號發(fā)生器的參考信號)進行初始測試;使用基帶衰減仿真器進行算法級操作正確性測試;使用射頻衰減仿真器進行端到端的系統(tǒng)級測試。

數(shù)據(jù)模塊的MIMO編碼基于的是空間-時間塊編碼，其中實際數(shù)據(jù)編碼是同時基于空間(即哪副天線)和時間(何時發(fā)射)的。MIMO的分集增益基于所發(fā)送數(shù)據(jù)的每個塊的空間與時間多樣性。因此，每副天線的時間規(guī)整性和天線間路徑的空間規(guī)整性是必須測量的。

MIMO分析要求對所用的信號處理和MIMO編碼算法進行充分的測試和評估。這里采用了分步方法，其中MIMO算法的每個處理和反饋步驟都可以被隔離和測量。這些測試需要在受控環(huán)境中開展，其中MIMO算法內(nèi)各部分的驗證可以通過將其與參考狀態(tài)比較來完成。驗證要求利用從發(fā)射器到接收器的射頻耦合以及在發(fā)射機與接收機之間得到的測量和反饋報告創(chuàng)建出已知狀態(tài)。

算法檢驗不僅需要測試射頻空中接口，也需要純基帶級的測試。另外，要求精確控制基帶處理和射頻耦合。這通常是通過使用衰減仿真器和系統(tǒng)仿真器實現(xiàn)的。衰減仿真器提供一個受控的空中接口耦合，而系統(tǒng)仿真器提供一個受控的基帶環(huán)境(如用受控的UE測試基站，或用受控的基站測試UE)。

當MIMO測試中包含衰減功能時，每條路徑的衰減必須被完整描述，然后再描述每個射頻路徑之間的相關(guān)性。在2x2 MIMO場合，共有4條路徑，分別以h11、h12、h21和h22表述。對MIMO來說，在理想環(huán)境，不同射頻路徑是不相關(guān)的，因此處理算法可以將信號與每條路徑徹底分開以充分提升數(shù)據(jù)速率。

在現(xiàn)實世界中，不同路徑間存在某種相關(guān)性，因為在發(fā)射機到接收機間，不同路徑具有某些相似的共享路徑。針對每種這樣的場景，相關(guān)性矩陣可對不同射頻路徑是如何關(guān)聯(lián)的進行數(shù)學描述。這樣，就必須對算法進行測試、驗證和優(yōu)化，以便在可能經(jīng)歷的各種不同類型的射頻環(huán)境中獲得盡可能好的數(shù)據(jù)速率吞吐量。

層1(L1)包含與報告和測量有關(guān)的算法與程式，這些算法與程式主要用于驅(qū)動功率控制、自適應(yīng)調(diào)制、編碼以及MIMO處理能力。從測試角度看，測量在接收器側(cè)進行，并傳回到使用測量結(jié)果的相應(yīng)單元。這個過程也用來驗證發(fā)射器是否對測量報告做出了正確響應(yīng)并相應(yīng)調(diào)整了參數(shù)。

下面(圖2)顯示了兩個典型的L1測試(功率與資源模塊的關(guān)系)。第一張圖顯示了每個資源模塊在單一時間周期(子幀)內(nèi)的獨立發(fā)射功率。該圖可用來評估功率在所有可用的資源模塊間是如何分配的;基于報告和L1功率控制算法，可用資源是否為接收機設(shè)置了正確的功率水平。第二張圖顯示了每個資源塊的時間變化。每個資源塊的測量時間是一個時間周期(子幀)，而功率水平用資源塊的顏色表示。

圖2：典型的L1測試。

層2和層3(L2和L3)測試集中在對系統(tǒng)內(nèi)不同網(wǎng)絡(luò)單元間(如UE和基站)所接收到的信令與消息流的測試。測試這些層的目的是確保正確的系統(tǒng)信令和更高層數(shù)據(jù)得到了正確發(fā)送。

通常使用系統(tǒng)仿真器產(chǎn)生發(fā)送到被測實體的消息及接收來自被測實體的消息來完成這種測試。另外，仿真器通常帶有L1實現(xiàn)以經(jīng)由合適的物理層與目標實體通信。另一種選擇是去掉L1，采用“虛擬L1”將仿真器的L2和L3單元鏈接到協(xié)議棧。

取決于被測對象，系統(tǒng)仿真器通常是下面兩種之一：

1.網(wǎng)絡(luò)仿真器，用于UE測試

2.UE仿真器，用于eNodeB測試

這些仿真器具有相似的架構(gòu)，使用L1硬件進行物理層連接，然后為L2、L3以及記錄/分析提供一個控制環(huán)境(通常是PC主機)。

UE環(huán)回測試模式

此類測試經(jīng)常要求配置專門的環(huán)回測試模式。在這種模式下，設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)將被設(shè)備自動發(fā)回仿真器。這樣可以完成對數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)完整性和連接性的驗證。

大量MAC和RLC以及幾乎所有的數(shù)據(jù)無線承載(ORB)LTE測試都要求UE處于環(huán)回測試模式。如果沒有這種模式，ORB測試只有有限的測試覆蓋范圍，而L2測試的測試覆蓋范圍將不足于完成完整的設(shè)備測試。因為這不是設(shè)備的正常工作模式，測試環(huán)回模式只在特定測試時被激活。

結(jié)論

在LTE環(huán)境中，交接、衰減和移動性都會導(dǎo)致顯著的延時和數(shù)據(jù)速率變化，并造成許多數(shù)據(jù)收發(fā)問題。網(wǎng)絡(luò)仿真器和業(yè)務(wù)損傷仿真器可以用來創(chuàng)建一個受控且可重復(fù)的測試環(huán)境，幫助設(shè)計人員測量被測特性以隔離這些效應(yīng)，并評估這些效應(yīng)對用戶體驗的影響。最終得以向市場及時推出更高品質(zhì)的產(chǎn)品。