精確測量WiMAX信道功率的最佳方法

現(xiàn)在，無線設(shè)計人員面臨著設(shè)計世界一流產(chǎn)品的艱巨任務(wù)。很多無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了功率的技術(shù)指標(biāo)，但卻忽視了功率測量的具體步驟，因此設(shè)計人員在進行測量時往往會發(fā)生錯誤。由于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)使用的OFDM射頻波形本身就非常復(fù)雜，所以他們在測量移動WiMAX信號時出錯的情況更多。

本文介紹了有關(guān)WiMAX信道功率測量的重要信息，這些基本原則對于三種主要的WiMAX功率測量都適用：發(fā)射功率測量、相鄰信道功率測量和頻譜輻射合格/不合格測試。

信道功率測量的基礎(chǔ)知識

某些頻率分析儀具有通用測量模式，這種模式?jīng)]有具體規(guī)定它們所支持的無線標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)計人員可完全控制和靈活調(diào)整測量設(shè)置。

圖1為傳統(tǒng)模擬頻譜分析儀的方框圖。在現(xiàn)代頻譜分析儀中，本地振蕩器之后執(zhí)行的大部分信號調(diào)節(jié)和濾波功能都是使用數(shù)字信號處理來實現(xiàn)的，而它們的特性和行為與使用模擬方式處理的結(jié)果相當(dāng)。因此要進行精確測量，設(shè)計人員必須正確設(shè)置和修改測量參數(shù)。

圖1 傳統(tǒng)模擬頻譜分析儀的方框圖

顯示檢波器

圖1中包括包絡(luò)檢波器和顯示檢波器(檢波器模式)。包絡(luò)檢波器的特性是由頻譜分析儀自身的設(shè)計決定的，用戶無法更改這些特性，本文不再討論。

為了容納更多的測量和應(yīng)用軟件，現(xiàn)代頻譜分析儀提供多種顯示檢波類型。某些檢波器可為不同類型的信號提供更優(yōu)化的結(jié)果。例如，峰值檢波器能夠從一組采樣數(shù)據(jù)點中檢測出最大電平，從而為連續(xù)波(CW)測量提供最佳選擇。稍后，這個最大電平會作為跡線點在頻譜分析儀上顯示。平均值檢波器則與峰值檢波器不同，它能夠檢測出采樣數(shù)據(jù)點的平均電平，并將其作為跡線點顯示。

圖2 顯示的跡線點分別來自于正峰值檢波器、平均值檢波器和負峰值檢波器

顯示的跡線點通常稱為“bucket”。頻譜分析儀進行數(shù)據(jù)點采樣的時間稱為“bucket間隔”。圖2顯示了選擇不同檢波類型會對給定 bucket的顯示跡線點產(chǎn)生什么影響。

圖3 從上到下顯示的依次是WiMAX猝發(fā)脈沖的正峰值檢波、平均值檢波和負峰值檢波跡線。

注意：為了顯示跡線的區(qū)別，這里將分辨率帶寬設(shè)置為3 MHz

對于噪聲信號或近似于噪聲的信號(如許多數(shù)字調(diào)制信號)來說，使用平均值檢波器可獲得平均功率數(shù)據(jù)的最佳結(jié)果，顯示的跡線點是采樣數(shù)據(jù)的平均值。圖 3顯示了使用不同類型檢波器處理WiMAX信號所獲得的不同跡線顯示。

分辨率帶寬

功率測量通常是指某一帶寬內(nèi)的測量。同樣，頻譜分析儀上顯示的跡線點也要通過分辨率帶寬(RBW)濾波器進行解讀。對于連續(xù)波信號來說，降低RBW 會得到更好的信噪比，因而使測量結(jié)果看上去更平滑。對于近似于噪聲的信號來說，擴大RBW可以在平均檢波bucket中獲得更平均的值，也可使用窄視頻帶寬(VBW)濾波器獲得更平滑的測量結(jié)果。使用更窄RBW的缺點是花費的測量時間更長。

在進行信道功率測量時，頻譜分析儀用戶應(yīng)根據(jù)其無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)置RBW。例如，某個給定標(biāo)準(zhǔn)的專用頻譜輻射(SEM)測試文檔通常包括測量所需要的RBW設(shè)置。取決于信號的頻率范圍，在整個測量掃寬內(nèi)，SEM測試的RBW設(shè)置還可能會隨著頻率的變化而變化。如果未指定RBW，建議用戶最好為其信號表征設(shè)置RBW。對于窄帶寬(CW)信號來說，最好使用窄RBW濾波器;對于近似于噪聲的信號(例如WiMAX信號)來說，通常最好使用較寬的RBW。

平均值技術(shù)

現(xiàn)代頻譜分析儀使用多種方法來求取信號的平均值，使信號變得更加平滑。采樣最終在頻譜分析儀上顯示為跡線點的方式在很大程度上取決于平均值技術(shù)，主要涉及的參數(shù)有掃描時間、視頻帶寬等。

掃描時間

現(xiàn)代頻譜分析儀通常每秒可進行數(shù)百萬次采樣。假設(shè)選擇平均值檢波，如果增加掃描次數(shù)，那么在顯示跡線點之前的一段時間(bucket)內(nèi)取平均值的數(shù)據(jù)采樣數(shù)量會隨之增加。采樣量越大，所顯示的平均點就越趨向于一致，最終顯示的跡線就越平滑。

視頻帶寬

頻譜分析儀中的VBW濾波器可以減小測量電平的差異，并且在掃描次數(shù)增加時仍保持相同的作用。傳統(tǒng)頻譜分析儀和許多現(xiàn)代化頻譜分析儀都是在顯示標(biāo)度的級別上執(zhí)行VBW過濾，因此可能會造成功率測量問題。

頻譜分析儀的測量結(jié)果既能用對數(shù)(dB)表示，也能用線性度(電壓線性度)表示。因為VBW濾波是一種求取平均值的過程，在這些級別上進行任何平均值計算，都有可能出現(xiàn)誤差。例如，在噪聲或近似于噪聲信號的對數(shù)平均值計算中可能發(fā)生-2.51 dB的誤差。

因此在進行功率測量時，最好在功率標(biāo)度上使用VBW濾波器。某些現(xiàn)代化分析儀例如Agilent PSA頻譜分析儀和X系列信號分析儀，可在功率標(biāo)度上使用其VBW濾波器，從而避免了這些實質(zhì)性的誤差。即便如此，平均值檢波器依然是使結(jié)果變得平滑的一個出色工具，并且可在所有配備VBW檢波器的分析儀中使用。

WiMAX信道功率測量設(shè)置

對于WiMAX信號這樣的正交頻分復(fù)用(OFDM)信號而言，要想進行正確的測量設(shè)置還有一些其他的要求。例如，WiMAX中使用的時分復(fù)用 (TDD)信號在時域中具有猝發(fā)性質(zhì)。即使在射頻猝發(fā)脈沖或子幀期間，功率也會發(fā)生改變。由于這些信號具有非連續(xù)性，頻譜分析儀很難捕捉到完整的信號。

支持現(xiàn)代頻譜分析儀進行自觸發(fā)測量的常用觸發(fā)源包括：被測件提供的外部觸發(fā)信號、其他同步信號源或信號的射頻猝發(fā)幅度電平。通常，能與射頻猝發(fā)保持良好同步的外部觸發(fā)源是最佳的觸發(fā)機制。因為它能為儀器采集數(shù)據(jù)提供最穩(wěn)定的觸發(fā)，支持可靠和可重復(fù)的測量。

對于被測基站生成的WiMAX下行鏈路信號來說，基站自身就可以提供適合的觸發(fā)信號。在進行元件分析時，生成激勵波形的信號發(fā)生器可以為頻譜分析儀提供一個可用的觸發(fā)信號。在沒有可用的外部觸發(fā)源時，最好使用實際射頻猝發(fā)幅度電平的上升沿來觸發(fā)分析儀。依據(jù)各分析儀平臺使用的體系結(jié)構(gòu)，使用這種方式觸發(fā)測量的順序可能不同。

一旦實現(xiàn)可靠的觸發(fā)，接下來考慮的便是應(yīng)從哪個感興趣的時間區(qū)域開始信道功率測量。顯然，測量應(yīng)該在信號實際有效時進行。但在某些情況下，還要(甚至必須)在射頻猝發(fā)脈沖或子幀的“有效”部分中的特定時間段內(nèi)進行測量。因此，正確選通感興趣的猝發(fā)脈沖區(qū)域很關(guān)鍵。

圖4 圖中的信道功率測量使用WiMAX下行鏈路猝發(fā)脈沖進行選通。該猝發(fā)脈沖由1個前導(dǎo)碼和8個符碼組成

圖4顯示了在第二個射頻猝發(fā)脈沖期間發(fā)生的WiMAX信號的選通區(qū)域。盡管第一個猝發(fā)脈沖引起觸發(fā)，但我們建議在第二個猝發(fā)脈沖期間進行選通。這可以確保從選通區(qū)域內(nèi)去除分析儀生成的任何掃描LO瞬時穩(wěn)定時間。

圖5 圖中的信道功率測量僅顯示了前導(dǎo)碼的選通

有了穩(wěn)定的觸發(fā)，頻譜分析儀就可以啟動掃描測量;如果是測量TDD無線信號，那么還必須選通出精確的目標(biāo)區(qū)域。例如，某些設(shè)計人員可能只對 WiMAX信號的前導(dǎo)碼功率電平或某個特定區(qū)域感興趣。圖5顯示了WiMAX信號的選通前導(dǎo)碼測量。這種測量通常稱為WiMAX接收信號強度指標(biāo) (RSSI)。在該圖中，前導(dǎo)碼的選通只會使選通參數(shù)發(fā)生變化，是保證精確測量所必需的。

不同的分析儀平臺

目前市場上已有幾種頻譜分析儀可對WiMAX信號進行信道功率測量。Agilent PSA和X系列分析儀平臺只是其中之一。盡管修改這些儀器上的各種參數(shù)對獲得精確的信道功率測量結(jié)果至關(guān)重要，但設(shè)計人員選擇最佳測量方案同樣重要。

以PSA頻譜分析儀和X系列信號分析儀平臺為例。使用外部觸發(fā)，可以非常簡單地在頻譜或信號分析儀平臺上進行精確的信道功率測量。然而，要使用射頻猝發(fā)脈沖觸發(fā)測量，采用以下測量技術(shù)非常有幫助：

頻譜分析儀平臺

對于GSM波形，在進行連續(xù)測量時，設(shè)計人員可以利用分析儀的相關(guān)觸發(fā)特性來改變設(shè)備的輸入信號電平，而不必重新設(shè)置頻譜分析儀的觸發(fā)電平。

另一項重要技術(shù)是射頻猝發(fā)脈沖觸發(fā)設(shè)計，它可以使用相對于檢波信號峰值包絡(luò)低22dB的內(nèi)嵌電平進行觸發(fā)。這項技術(shù)對測量GSM元器件至關(guān)重要，但不適用于某些現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)，如OFDM。對于OFDM技術(shù)，這些信號中的較高峰均比可能導(dǎo)致實施分析儀上的相對觸發(fā)實施發(fā)生錯誤觸發(fā)。

圖6 PSA與Agilent 85902A猝發(fā)載波觸發(fā)(BCT)集成的外部配置

在沒有外部觸發(fā)源的情況下，可使用外部猝發(fā)載波觸發(fā)附件進行可靠的觸發(fā)，實現(xiàn)對WiMAX信號的穩(wěn)定測量。圖6顯示了PSA頻譜分析儀與 Agilent 85092A猝發(fā)載波觸發(fā)(BCT)的集成。在對穩(wěn)定的射頻猝發(fā)脈沖流進行檢波時，BCT會對要分析的射頻輸入信號進行采樣，并提供與猝發(fā)脈沖同步的 TTL輸出信號以及一個LED狀態(tài)指標(biāo)。集成后的儀器可以提供需要的穩(wěn)定觸發(fā)信號，使設(shè)計人員可以如前所述設(shè)置選通參數(shù)，從而進行精確的信道功率測量。

信號分析儀

信號分析儀通常使用外部提供或由內(nèi)部射頻猝發(fā)載波觸發(fā)單元提供的觸發(fā)源。某些儀器還具有穩(wěn)定的自觸發(fā)能力，適用于沒有外部觸發(fā)可用的情況。它們無需使用外部猝發(fā)觸發(fā)附件來提供最常見的無線通信信號(包括WiMAX)。X系列分析儀上的射頻猝發(fā)載波觸發(fā)功能就是自觸發(fā)能力的主要實例，包括絕對射頻猝發(fā)幅度電平、周期定時器和觸發(fā)釋抑功能。

使用絕對射頻猝發(fā)幅度電平進行觸發(fā)，可以解決上一代頻譜分析儀在測量高峰均功率比(PAPR)的OFDM信號時出現(xiàn)的錯誤觸發(fā)問題。當(dāng)頻譜分析儀檢測到絕對射頻猝發(fā)電平組超過固定閾值電平時，將會啟動“初始”觸發(fā)機制。

周期定時器可設(shè)置一個指定時間長度(用戶可調(diào)整)的自動重觸發(fā)進程。該進程能夠在觸發(fā)建立后執(zhí)行再同步。用戶可以選擇這個初始同步源。將該參數(shù)設(shè)置成等于幀周期有很大好處，這將保證測量是在每個幀邊界進行再觸發(fā)，而不用考慮外部環(huán)境或儀器的改變。

圖7 由于關(guān)閉了同步釋抑，無論選通參數(shù)是什么，不穩(wěn)定的觸發(fā)都會導(dǎo)致信道功率測量不夠精確

同步釋抑特性可改善觸發(fā)精度，避免儀器在猝發(fā)脈沖的無效部分開始進行測量。通過使用可靠的觸發(fā)電平，在射頻猝發(fā)脈沖內(nèi)的一個穩(wěn)定和可重復(fù)的測量點進行測量，設(shè)計人員可以精確地重復(fù)進行信道功率測量。圖7顯示了不使用同步釋抑時可能出現(xiàn)的情況。

總結(jié)

精確的信道功率測量是無線設(shè)備測試的一個重要方面。隨著無線技術(shù)變得日益復(fù)雜，產(chǎn)品從設(shè)計到上市的周期越來越短，按照規(guī)定的測量步驟和最佳測量方法進行測量的重要性也與日俱增。這些步驟和方法能夠為設(shè)計者提供一個節(jié)省時間的可行方案，同時還能確保信道功率測量和其他相關(guān)測量的一致性和可重復(fù)性。

在測量OFDM信號(例如WiMAX)時，穩(wěn)定的觸發(fā)和精確的選通參數(shù)設(shè)置同樣至關(guān)重要。適合的測量解決方案，例如 Agilent PSA或X系列分析儀，能夠保證設(shè)計人員快速、輕松地進行精確的信道功率測量。