因應(yīng)多信道無線測試配置　模塊化儀器搞定多天線測量

今天，有越來越多人倚賴無線設(shè)備來管理電子郵件、社交媒體、銀行帳務(wù)，并且下載或串流影片和電影。在許多市場中，LTE和LTE-Advanced已經(jīng)成為主流技術(shù)，而下一代5G標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)進(jìn)入前期研究和定義階段。在蜂窩通信應(yīng)用中，LTE-Advanced是下一個(gè)最主要的技術(shù)增長領(lǐng)域，以因應(yīng)消費(fèi)者需求，直到5G技術(shù)能開始推出商用服務(wù)為止。

許多移動(dòng)通信業(yè)者致力于部署LTE-Advanced多天線技術(shù)，以改善其移動(dòng)通信系統(tǒng)的連接性和峰值數(shù)據(jù)速率。多天線技術(shù)可增加發(fā)射器、接收器或兩者的天線數(shù)量，是提高系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)，目前已被應(yīng)用于無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)標(biāo)準(zhǔn)，如802.11n和802.11ac。

藉由部署多天線技術(shù)，業(yè)者可實(shí)現(xiàn)更出色的頻譜效率和更高的峰值數(shù)據(jù)速率。以下為目前常用的技術(shù)：

路徑分集(Path Diversity)

此技術(shù)在發(fā)射器或接收器端使用多個(gè)天線，藉以改善信號(hào)穩(wěn)定性，或是讓接收器能夠正確地接收所發(fā)送的數(shù)據(jù)。路徑分集也可部署為傳輸分集(Transmit Diversity)，以便透過發(fā)射器端的多個(gè)天線，將數(shù)據(jù)發(fā)送到單一接收器。路徑分集還可部署為接收分集，透過單一發(fā)射器將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器端的多個(gè)天線。如果通道的訊噪比不佳，這兩種多天線配置有助于改善信號(hào)穩(wěn)定性。

空間多任務(wù)(Spatial Multiplexing)

這項(xiàng)用于多重輸入/多重輸出(MIMO)的技術(shù)，在發(fā)射器和接收器端使用兩個(gè)或多個(gè)天線來提高空間效率。利用MIMO，在發(fā)射器或接收器端的每一個(gè)天線，可傳送獨(dú)立和單獨(dú)編碼的數(shù)據(jù)信號(hào)(數(shù)據(jù)流)。在通信電路的每一端，個(gè)別天線所傳送的數(shù)據(jù)將結(jié)合在一起，以便盡可能減少錯(cuò)誤，并且全面提升數(shù)據(jù)傳輸速度。MIMO被廣泛用于許多提供高數(shù)據(jù)速率的無線技術(shù)，例如LTE、LTE-A、WiMAX和WLAN 802.11n/ac。空間多任務(wù)技術(shù)改進(jìn)了空間效率和單一用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率。多使用者M(jìn)IMO(Multi-user MIMO)是一種空間多任務(wù)形式，可在同一頻譜上同時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給多個(gè)用戶。

波束操控或波束成形

使用多個(gè)天線來進(jìn)行定向發(fā)射，以便操控特定接收器的信號(hào)傳輸方向。相同的信號(hào)經(jīng)由兩個(gè)或多個(gè)空間分離發(fā)射器同時(shí)進(jìn)行傳輸。此技術(shù)使用振幅和相位調(diào)整技術(shù)，以便用破壞性或建設(shè)性方式來結(jié)合多個(gè)傳輸信號(hào)。建設(shè)性(或相位同調(diào))信號(hào)可用建設(shè)性方式結(jié)合起來，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)波束碼型(Beam Pattern)。利用建設(shè)性組合，相結(jié)合的信號(hào)可在接收器天線上提供更多的能量，進(jìn)而產(chǎn)生更穩(wěn)定的信號(hào)，并且改善接收器端的訊噪比。波束操控/波束成形的好處包括更出色的選擇性、干擾管理、更高的增益，并提供更好的訊噪比。

這些多天線技術(shù)被廣泛用于當(dāng)今的無線通信系統(tǒng)。多天線技術(shù)和多用戶波束成形，預(yù)料將成為5G關(guān)鍵技術(shù)，可利用基站安裝的數(shù)百只天線，在同一時(shí)間與多個(gè)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通信。這項(xiàng)技術(shù)又稱為Massive MIMO。

設(shè)計(jì)和開發(fā)使用多天線技術(shù)的通信系統(tǒng)時(shí)，隨著天線數(shù)量不斷增加，工程師須透過比以往更為復(fù)雜的配置來執(zhí)行必要的系統(tǒng)驗(yàn)證測試。驗(yàn)證多天線配置帶來了許多新的挑戰(zhàn)，包括須同時(shí)分析多個(gè)發(fā)射或接收鏈路;以及對(duì)MIMO配置進(jìn)行多信道同步測試。此外，在波束成形應(yīng)用中，通道之間必須維持精準(zhǔn)的時(shí)序和同步;而相位同調(diào)性可確保適當(dāng)?shù)耐ǖ篱g相位和振幅測量。多信道同步測試系統(tǒng)具有可擴(kuò)充性，并可使用共享資源來進(jìn)行觸發(fā)和同步，有助于克服這些測試挑戰(zhàn)。

圖1、使用一個(gè)主要CLK來同步數(shù)據(jù)的擷取或播放。

相位同調(diào)性

想要讓不同信號(hào)或信道維持同步是個(gè)困難的任務(wù)，這需要在多儀器環(huán)境中進(jìn)行。一般而言，主要參考信號(hào)可用來校準(zhǔn)所有的CLK信號(hào)。在(圖1)所示的情況下，主要參考信號(hào)使用一條PXI觸發(fā)線，將初始化觸發(fā)傳送到所有從屬的模塊。等到所有通道都準(zhǔn)備好之后，則主要單元將送出一個(gè)觸發(fā)事件的信號(hào)，接著所有模塊將在下一個(gè)10MHz CLK信號(hào)源上開始運(yùn)作。此方法可確保所有動(dòng)作的開始時(shí)間均經(jīng)過校準(zhǔn)，因此所有信道可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)擷取或播放。

通用的頻率參考提供時(shí)序校準(zhǔn)，但不提供相位同調(diào)性。在波束成形應(yīng)用中，這會(huì)帶來問題，因?yàn)轫毻高^振幅和相位偏移來建立波束碼型。模擬真實(shí)世界的傳輸或測量時(shí)，通常需藉助通道之間的相位同調(diào)性。如果兩個(gè)信號(hào)在時(shí)間上具有恒定的相對(duì)相位，代表它們具有相位同調(diào)性。如果每一次的信號(hào)產(chǎn)生或每個(gè)測量通道，都有其獨(dú)立產(chǎn)生的信號(hào)，則每個(gè)信道的相位特性將各不相同，因而很難在多個(gè)通道之間實(shí)現(xiàn)恒定的相對(duì)相位。

藉由使用提供通道間相位同調(diào)性的模塊化儀器，可以讓所產(chǎn)生的信號(hào)或測量信道之間。具有相位穩(wěn)定關(guān)系。要獲致真正的相位同調(diào)性，方法之一是讓每個(gè)通道共享一個(gè)本地振蕩器(LO)，確保所有通道具有相同的相位特性。利用這種方法，分析儀中的每個(gè)降頻器，或是信號(hào)源中的每個(gè)調(diào)變器，都共享相同的相位特性，包括相位誤差。在恒定的相位和通道間時(shí)序偏差(每個(gè)儀器路徑中的延遲)下，工程師可全面分析射頻路徑的特性，如(圖2)所示。測量系統(tǒng)必須能夠容納信道之間的振幅和相位差異。如未經(jīng)過校驗(yàn)，測量結(jié)果的準(zhǔn)確度將會(huì)下滑。使用校驗(yàn)技術(shù)來修正偏移后，工程師可確定所有測量差異均來自于待測物，而非測試設(shè)備。進(jìn)行修正時(shí)，首先需測量通道間的差異，然后再進(jìn)行調(diào)整。其方法是針對(duì)每個(gè)分析儀通道，每次在每個(gè)信號(hào)源信道上產(chǎn)生一個(gè)已知的參考信號(hào)，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行測量。(圖3)顯示校驗(yàn)對(duì)于波束碼型準(zhǔn)確度的影響。

圖2、透過共享的LO來實(shí)現(xiàn)多通道分析儀的相位同調(diào)

綜上所述，有越來越多無線通信系統(tǒng)相繼采用多天線技術(shù)。然而，這將為工程師帶來新的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄儽仨氠槍?duì)這些復(fù)雜的多信道系統(tǒng)來開發(fā)并驗(yàn)證測試系統(tǒng)和方法。模塊化儀器平臺(tái)提供可擴(kuò)充的信道數(shù)、信道間同步，以及相位同調(diào)和其他特性，可有效解決這些問題。

圖3、左右兩圖分別顯示使用和未使用時(shí)間和相位修正技術(shù)所測得的波束碼型。