多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)通過(guò)使用多個(gè)天線(xiàn)傳輸兩路或四路數據流，為單個(gè)用戶(hù)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32*Mbps的峰值數據速率。但是，與單輸入單輸出(SISO)單個(gè)天線(xiàn)相比，實(shí)現雙通道或四通道MIMO將會(huì )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(shí)施方面的不利影響(例如天線(xiàn)串擾和定時(shí)誤差)有可能降低多天線(xiàn)技術(shù)可能帶來(lái)的性能增益。

　　

另外，多天線(xiàn)技術(shù)的實(shí)現過(guò)于復雜，使得對硬件性能問(wèn)題進(jìn)行故障診斷和調試頗具難度；增加天線(xiàn)和數據流數量(從2x2 MIMO增加到4x4 MIMO)將進(jìn)一步增加調試的復雜程度。

 

本文主要討論天線(xiàn)串擾損害、相位噪聲和定時(shí)誤差對MIMO下行鏈路系統性能的影響，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制對硬件誤差矢量幅度(EVM)性能和系統級射頻發(fā)射機性能的影響。本文將以L(fǎng)TE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。

 

LTE MIMO參考信號和EVM

 

LTE MIMO交叉生成一個(gè)貫穿頻域和時(shí)域的已知信號，稱(chēng)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(gè)接收天線(xiàn)針對各個(gè)發(fā)射機建立一個(gè)信號參考。圖1顯示了如何將參考信號的各個(gè)符號分配到兩個(gè)天線(xiàn)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(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)兩方面查看天線(xiàn)0和天線(xiàn)1之間參考信號的變化。

 

圖1 兩個(gè)天線(xiàn)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(fā)射機性能的重要系統指標。通過(guò)對RS EVM和復合EVM 進(jìn)行比較，不僅可以幫助工程師深入了解發(fā)射機硬件設計減損，還能夠幫助診斷天線(xiàn)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(lái)深入了解可能會(huì )影響系統性能誤差的減損類(lèi)型。該案例還將重點(diǎn)研究發(fā)射天線(xiàn)定時(shí)誤差對參考信號正交性的影響，并在解釋天線(xiàn)串擾、星座圖和EVM測量結果時(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(gè)帶有任意波形發(fā)生器的安捷倫信號發(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 測量，因為它們提供時(shí)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(lái)分析多個(gè)數據幀，數據幀可通過(guò) Agilent 89600 矢量信號分析(VSA)軟件進(jìn)行解調。

 

使用VSA軟件和多通道寬帶示波器進(jìn)行基線(xiàn)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(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(xiàn)測試案例的剩余復合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)。

 

圖2 使用 Agilent Infiniium 90000A 系列示波器進(jìn)行四通道 MIMO 測試設置和基線(xiàn)測量的結果

 

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/上變頻器硬件被測裝置(DUT)，以進(jìn)行MIMO測試。由于DUT不適于測試，因此需要使用 Agilent SystemVue仿真器建模具有仿真設計減損的四通道射頻發(fā)射機。每個(gè)發(fā)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(shí)的LO相位噪聲以及1dB增益壓縮點(diǎn)。發(fā)射機的輸出端使用了定制模型子網(wǎng)，對天線(xiàn)串擾進(jìn)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(gè)ESG中，如圖3所示。

 

圖3 包括相位噪聲、PA 增益壓縮和天線(xiàn)串擾減損的仿真射頻發(fā)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示波器捕獲并通過(guò)VSA軟件進(jìn)行解調。

 

　　

圖4 下行鏈路射頻發(fā)射機 MIMO 結果

 

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(méi)有顯示）。乍一看，這與放大器增益壓縮失真或LO相位噪聲導致的色散十分相似。

 

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(shí)間（EVM vs. 符號）進(jìn)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。

 

　　

圖5 參考信號 EVM 時(shí)間

 

RS EVM時(shí)間圖顯示，一對天線(xiàn)表現不佳（參考信號在天線(xiàn)0/1之間的連續時(shí)隙上進(jìn)行傳輸，然后是在天線(xiàn)2/3之間。計算多個(gè)子載波的RS EVM值，再計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(xiàn)串擾效應方面非常有用：

 

第 1 行：Tx1/Rx0、Tx2Rx0 和T3/Rx0 或接收天線(xiàn)0上發(fā)射天線(xiàn)1-3的串擾

 

第 2 行：接收天線(xiàn)1上發(fā)射天線(xiàn)0、2和3的串擾

 

第 3 行：接收天線(xiàn)2上發(fā)射天線(xiàn)0、1和3的串擾

 

第 4 行：接收天線(xiàn)3上發(fā)射天線(xiàn)0-2的串擾

　　

我們看到即使通道之間存在串擾，個(gè)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(shí)間正交和頻率正交，這樣RS EVM通常不會(huì )受到天線(xiàn)串擾的影響，這與復合 EVM不同，后者會(huì )受到天線(xiàn)串擾的影響。然而，通過(guò)檢測MIMO信息表中的RS定時(shí)值，顯示天線(xiàn)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，因為定時(shí)誤差接近或超過(guò)LTE循環(huán)前綴的持續時(shí)間（4.69？s）時(shí)，可導致RS正交損耗。RS正交損耗會(huì )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。

 

考慮一下定時(shí)誤差對天線(xiàn)串擾測量結果的影響。只要通道之間的時(shí)延遠小于循環(huán)前綴的持續時(shí)間，不同發(fā)射天線(xiàn)的參考信號便會(huì )保持正交。但是，如果不能滿(mǎn)足這個(gè)條件，就會(huì )破壞正交，從而產(chǎn)生通道間的串擾。再看圖1所示的天線(xiàn)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(shí)誤差或時(shí)延會(huì )導致R1子載波位置包含前一個(gè)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。

 

如欲檢查MIMO信息表報告的定時(shí)誤差，需要使用示波器來(lái)測量天線(xiàn)通道間的定時(shí)誤差，如圖7所示。經(jīng)測量，生成天線(xiàn)0信號的ESG與生成天線(xiàn)1信號的ESG之間的定時(shí)誤差約為2.35 ？s，該值與MIMO信息表報告的RS定時(shí)誤差有關(guān)。

 

　　

圖7 使用寬帶多通道示波器測量天線(xiàn)通道 0 和 1 之間的定時(shí)誤差

 

天線(xiàn) 1、天線(xiàn)2和天線(xiàn)3 ESG都是從天線(xiàn)0 ESG開(kāi)始觸發(fā)。示波器測出定時(shí)誤差后，可通過(guò)調整天線(xiàn)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（僅為循環(huán)前綴的2.8%），可確保RS信號之間保持正交?，F在正確顯示的天線(xiàn)串擾值反映了圖3中已建模的天線(xiàn)串擾。

 

　　

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(mǎn)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% 。

 

　　

圖9 包括校正定時(shí)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(jìn)行比較，從而確定不同誤差機制對射頻發(fā)射機 EVM誤差的影響。例如，天線(xiàn)串擾可能不會(huì )影響RS EVM值，但會(huì )對復合EVM產(chǎn)生影響。另一方面，其他射頻發(fā)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(chǎn)生負面影響。

 

 

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(fā)射天線(xiàn)定時(shí)誤差，此誤差有可能影響LTE MIMO參考信號正交，從而影響天線(xiàn)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(jìn)行雙通道或四通道MIMO測量，并有助于診斷發(fā)射天線(xiàn)通道之間可能存在的定時(shí)誤差。通過(guò)結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MIMO信號進(jìn)行測量和分析：時(shí)域、頻域和調制域，根據測量結果對硬件性能問(wèn)題進(jìn)行故障診斷和隔離。通過(guò)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(xiàn)串擾、PA增益壓縮）對射頻發(fā)射機EVM誤差的影響。

 

 

 

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