使用射頻和高速DSP SDR技術(shù)設(shè)計(jì)射頻測(cè)試儀器

隨著新用戶(hù)和服務(wù)的數(shù)量不斷擴(kuò)大，對(duì)無(wú)線通信的需求也在不斷增加。此外，無(wú)線通信流量正在從主要是語(yǔ)音遷移到主要是數(shù)據(jù)，需要更快的數(shù)據(jù)速率。

由于頻譜有限，數(shù)字無(wú)線技術(shù)在過(guò)去的二十年中發(fā)展迅速，以滿(mǎn)足這些市場(chǎng)需求。隨著信號(hào)帶寬從 1990 年代初期的 300 kHz 增加到今天的 40 MHz，正在使用更高效的調(diào)制類(lèi)型和數(shù)字編碼方案。正在部署新的傳輸方法，例如 MIMO，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率。下一代射頻測(cè)試設(shè)備增加了更多的復(fù)雜性，從而給測(cè)試工程師帶來(lái)了困難。

MIMO 測(cè)試設(shè)備的復(fù)雜性

MIMO 是一種不斷發(fā)展的射頻技術(shù)，它使用多個(gè)無(wú)線電來(lái)傳輸和接收數(shù)據(jù)。在無(wú)線通信設(shè)備中，它可以在不需要額外帶寬的情況下提高數(shù)據(jù)吞吐率或提高傳輸質(zhì)量。

在典型的 MIMO 方法中，四個(gè)獨(dú)立的正交頻分復(fù)用 （OFDM） 載波相互疊放，如圖 1 所示。這種 MIMO 技術(shù)允許在與單個(gè)載波相同的帶寬內(nèi)傳輸高達(dá) 3.5 倍的信息。

圖1

測(cè)試 MIMO 提出了幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括可以支持的空間流的數(shù)量。例如，無(wú)線局域網(wǎng) （WLAN） 和長(zhǎng)期演進(jìn) （LTE） 都支持四流配置，而當(dāng)前具有矩陣 A 和 B 配置的 WiMAX 技術(shù)支持兩個(gè)流。另一個(gè)問(wèn)題是在不犧牲性能的情況下降低每個(gè)流的成本。測(cè)試設(shè)備的成本，尤其是 MIMO 系統(tǒng)，會(huì)迅速增加。例如，要獲得 N 個(gè)輸入和 M 個(gè)輸出，每個(gè) I/O 需要一個(gè)單獨(dú)的發(fā)射器和接收器或源和分析器。

帶寬帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題。MIMO 信號(hào)尤其需要具有寬帶寬的測(cè)試儀器。例如，WiMAX 和 LTE 當(dāng)前的帶寬要求為 20 MHz，而 802.11n WLAN 的帶寬要求為 40 MHz。儀器必須能夠執(zhí)行這些測(cè)量，同時(shí)保持出色的誤差矢量幅度 （EVM） 性能。

高靈敏度是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。本底噪聲影響調(diào)制精度，測(cè)量為 EVM。較高的噪聲會(huì)增加 EVM，降低通信質(zhì)量。對(duì)于寬信號(hào)帶寬，信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀的低噪聲非常重要。低成本儀器的噪聲性能比其更昂貴的同類(lèi)儀器差，這直接影響測(cè)量精度。這反過(guò)來(lái)又會(huì)削弱產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，從而影響產(chǎn)品成本和競(jìng)爭(zhēng)力。

MIMO 依賴(lài)于信道失真。沒(méi)有它，MIMO 作為一種傳輸技術(shù)就變得多余了。了解設(shè)備在不同通道條件下的性能并通過(guò)通道響應(yīng)或矩陣條件等測(cè)量來(lái)計(jì)算這些條件是重要的功能。以無(wú)線局域網(wǎng)為例。標(biāo)頭以已知的符號(hào)模式傳輸。接收器使用這個(gè)已知信號(hào)來(lái)揭示信道失真的樣子，然后確定實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)符號(hào)。

測(cè)量寬帶寬 OFDM 信號(hào)，即信道響應(yīng)，即整個(gè)信道的幅度和相位變化，是另一個(gè)挑戰(zhàn)。為了準(zhǔn)確表征被測(cè)收發(fā)器單元，測(cè)試設(shè)備不僅必須具有寬帶寬，而且還必須具有平坦的響應(yīng)以及低幅度和相位變化。

下一代射頻測(cè)試儀器創(chuàng)新

隨著下一代 MIMO 的出現(xiàn)，波束成形應(yīng)用將變得更加普遍。第二代 MIMO 測(cè)試系統(tǒng)將要求精確控制射頻載波相位和幅度。這使發(fā)射器能夠產(chǎn)生不同的天線方向圖，從而允許將天線波束引導(dǎo)到不同的位置。將天線波束指向每個(gè)用戶(hù)可以提高通信效率。今天的大多數(shù)儀器平臺(tái)都是為單輸入/單輸出 （SISO） 應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，無(wú)法輕松控制射頻載波相位。

一些 MIMO 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)僅支持平衡 MIMO 配置，例如 2x2、3x3 或 4x4。未來(lái)的儀器還必須支持非平衡 MIMO 配置，尤其是協(xié)作式 MIMO，例如 1x2、2x3 和 3x4 配置。隨著更高級(jí)的波束成形應(yīng)用上線，可能需要 8x8 和 16x16 配置。

發(fā)射器和接收器之間的時(shí)間對(duì)齊也很關(guān)鍵。由于 MIMO 依賴(lài)于通道中的時(shí)間差異才能正常工作（多路徑），因此信號(hào)分析儀或信號(hào)源內(nèi)的時(shí)序失準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致測(cè)試儀器的失真增加，從而降低測(cè)量精度。

下一代能力將依賴(lài)于幾個(gè)獨(dú)特的行業(yè)創(chuàng)新。例如，基于 DSP 的 SDR 架構(gòu)適應(yīng)動(dòng)態(tài)無(wú)線市場(chǎng)快速變化的測(cè)試要求，通過(guò)輕松升級(jí)儀器延長(zhǎng)了儀器的使用壽命。基于 SDR 的儀器幾乎可以生成或解調(diào)調(diào)制帶寬高達(dá) 40 MHz 的任何信號(hào)，這對(duì)于當(dāng)今的許多設(shè)備和未來(lái)的新信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（例如 4G LTE）來(lái)說(shuō)非常重要。

例如，Keithley 的 4x4 MIMO 射頻測(cè)試系統(tǒng)等新型射頻測(cè)試儀器使用基于 DSP 的 SDR 架構(gòu)。這些儀器具有精確穩(wěn)定的本地振蕩器鎖定系統(tǒng)，峰峰值載波相位抖動(dòng)小于 1 度，使其成為波束成形應(yīng)用的理想選擇。

然而，相位對(duì)齊并不是唯一的重要特征。對(duì)于非波束成形 MIMO 應(yīng)用，時(shí)間對(duì)齊是必不可少的。對(duì)于大多數(shù)儀器架構(gòu)來(lái)說(shuō)，在兩個(gè)以上的信號(hào)發(fā)生器或信號(hào)分析儀上保持高度同步（時(shí)間對(duì)齊）是很困難的，因?yàn)樗鼈儾皇菫?MIMO 應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。一些儀器僅限于兩個(gè)輸入和/或輸出。相比之下，Keithley 儀器可擴(kuò)展至多達(dá) 8 個(gè)輸入和輸出，其精密采樣時(shí)鐘將儀器鎖定在彼此的納秒范圍內(nèi)。

超前思考一代

測(cè)試工程師將在他們的第一代 MIMO 測(cè)試系統(tǒng)上花費(fèi)大量資金。為了減輕測(cè)試工程預(yù)算的負(fù)擔(dān)，測(cè)試和測(cè)量供應(yīng)商需要提前考慮并設(shè)計(jì)適合新興和未來(lái)無(wú)線技術(shù)的射頻測(cè)試儀器。測(cè)試系統(tǒng)供應(yīng)商正在通過(guò)使用最先進(jìn)的射頻和高速 DSP SDR 技術(shù)的下一代儀器平臺(tái)來(lái)滿(mǎn)足這一需求，以降低測(cè)試成本并縮短上市時(shí)間。

審核編輯：郭婷