多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)通過(guò)使用多個(gè)天線傳輸兩路或四路數(shù)據(jù)流，為單個(gè)用戶數(shù)據(jù)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(dá)172.8Mbps和32*Mbps的峰值數(shù)據(jù)速率。但是，與單輸入單輸出(SISO)單個(gè)天線相比，實(shí)現(xiàn)雙通道或四通道MIMO將會(huì)增加復(fù)雜性，從而影響可能達(dá)到的峰值數(shù)據(jù)速率，而且硬件設(shè)計(jì)和實(shí)施方面的不利影響(例如天線串?dāng)_和定時(shí)誤差)有可能降低多天線技術(shù)可能帶來(lái)的性能增益。

　　

另外，多天線技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)于復(fù)雜，使得對(duì)硬件性能問(wèn)題進(jìn)行故障診斷和調(diào)試頗具難度；增加天線和數(shù)據(jù)流數(shù)量(從2x2 MIMO增加到4x4 MIMO)將進(jìn)一步增加調(diào)試的復(fù)雜程度。

 

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(guò)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(lái)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(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(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(lái)分析多個(gè)數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀可通過(guò) 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(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，基線測(cè)試案例的剩余復(fù)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(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(guò)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(méi)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：

 

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)_

 

第 2 行：接收天線1上發(fā)射天線0、2和3的串?dāng)_

 

第 3 行：接收天線2上發(fā)射天線0、1和3的串?dāng)_

 

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(guò)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(wèn)題，因?yàn)槎〞r(shí)誤差接近或超過(guò)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(lái)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(kāi)始觸發(fā)。示波器測(cè)出定時(shí)誤差后，可通過(guò)調(diào)整天線1-3 ESG的碼型觸發(fā)時(shí)延來(lái)解決定時(shí)誤差問(wèn)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?，F(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。

 

 

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(guò)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(wèn)題進(jìn)行故障診斷和隔離。通過(guò)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。

 

 

 

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