WiMAX射頻模塊測試

　　1 WiMAX簡介

　　無線接入互聯(lián)網(wǎng)和無線多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的巨大需求推動了無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信技術(shù)寬帶化，IP化和移動化成為未來的發(fā)展趨勢。WiMAX技術(shù)是以IEEE802.16系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的寬帶無線接入技術(shù)，近兩年發(fā)展迅速，并逐漸成為城域?qū)拵o線接入技術(shù)的發(fā)展熱點。WiMAX系統(tǒng)主要有兩個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一個是滿足固定寬帶無線接入的WiMAX802.16d標(biāo)準(zhǔn)，另一個是滿足固定和移動的寬帶無線接入技術(shù)WiMAX802.16e標(biāo)準(zhǔn)。 WiMAX的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面：

　　(1)OFDM/OFDMA

　　正交頻分復(fù)用OFDM是一種高速傳輸技術(shù)，是未來無線寬帶接入系統(tǒng)/下一代蜂窩移動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在WiMAX系統(tǒng)中，OFDM /OFDMA技術(shù)為物理層技術(shù)。OFDMA系統(tǒng)可以支持長度為2048，1024，512和128的FFT點數(shù)。通常向下數(shù)據(jù)流被分為邏輯數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流可以采用不同的調(diào)制及編碼方式，以及以不同信號功率接入不同信道特征的用戶端;向上數(shù)據(jù)流子信道采用多址方式接入，通過下行發(fā)送的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議MAP 分配子信道傳輸上行數(shù)據(jù)流。

　　(2)HARQ

　　HARQ技術(shù)因為提高了頻譜效率，所以可以明顯提高系統(tǒng)吞吐量，同時因為重傳可以帶來合并增益，間接擴大了系統(tǒng)的覆蓋范圍。16e中只支持卷積碼(CC)、卷積Turbo碼(CTC)的HARQ方式。

　　(3)AMC

　　AMC在WiMAX的應(yīng)用中有其特有的技術(shù)要求，由于AMC技術(shù)需要根據(jù)信道條件來判斷將要采用的編碼方案和調(diào)制方案，所以AMC技術(shù)必須根據(jù) WiMAX的技術(shù)特征來實現(xiàn)AMC功能。與CDMA技術(shù)不同的是，由于WiMAX物理層采用的是OFDM技術(shù)，所以時延擴展、多普勒頻移、小區(qū)的干擾和 PAPR值等對于OFDM解調(diào)性能有重要影響的信道因素必須被考慮到AMC算法中，用于調(diào)整系統(tǒng)編碼調(diào)制方式，達(dá)到系統(tǒng)瞬時最優(yōu)性能。

　　(4)MIMO

　　對于未來移動通信系統(tǒng)而言，如何能夠在非視距和惡劣信道下保證高的QoS是一個關(guān)鍵問題，也是移動通信領(lǐng)域的研究重點。對于SISO系統(tǒng)，如果要滿足上述要求就需要較多的頻譜資源和復(fù)雜的編碼調(diào)制技術(shù)，而頻譜資源的有限和移動終端的特性都制約著SISO系統(tǒng)的發(fā)展，所以MIMO是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)主要有兩種表現(xiàn)形式，即空間復(fù)用和空時編碼，這兩種形式在WiMAX協(xié)議中都得到了應(yīng)用。協(xié)議還給出了同時使用空間復(fù)用和空時編碼的形式。MIMO技術(shù)能顯著地提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，可以大大提高系統(tǒng)的性能，是未來移動通信發(fā)展的一個重要方向。圖1為MIMO系統(tǒng)原理圖。

　　圖1 MIMO系統(tǒng)原理圖

　　2 WiMAX射頻模塊測試

　　2.1 WiMAX發(fā)射機測試

　　以功率放大器為例，說明WiMAX發(fā)射機的測試。

　　為了全面衡量WiMAX功放的性能，除了傳統(tǒng)的增益，1dB壓縮點和最大輸出功率外，往往還需要測試以下參數(shù)：

　　圖2 頻率誤差引起的載波間干擾

　　(1)“突發(fā)”輸出功率。

　　(2)頻率誤差。頻率誤差可以用相對于頻譜儀中心頻率的載波頻率誤差來描述(見圖2)。收發(fā)信機間的頻率誤差將引起各個子載波頻譜相對于接收機FFT頻率的移動，產(chǎn)生載波間干擾(ICI)。

　　(3)符號時鐘誤差。指相對于系統(tǒng)采樣時鐘的參考符號時鐘與實際測量的符號時鐘之差。如果符號時鐘比參考時鐘低會使OFDM信號比所要求的長，引起子載波間距減小;反之，則引起子載波間距增加。兩種情況都產(chǎn)生載波間干擾，使信號的EVM性能惡化。

　　(4)EVM(誤差矢量幅度)。這是最重要的測試參數(shù)之一，以保證放大器在輸出足夠功率的同時獲得良好的信號質(zhì)量。EVM的結(jié)果可以對所有載波、數(shù)據(jù)載波和導(dǎo)頻載波。

　　(5)ACPR(鄰信道功率比)。ACPR指相鄰信道測得的功率與主信道功率之比，反映放大器失真對鄰信道的干擾。

　　(6)頻譜平坦度。反映WiMAX信號子載波的功率變化，它測量每個子載波的平均功率對所有子載波平均功率的偏離。

　　(7)頻譜差(Spectrum Difference)。測量突發(fā)前導(dǎo)部分相鄰子載波的功率差異。

　　(8)頻譜模板(Spectrum Mask)。測量發(fā)信機發(fā)射頻譜的“輪廓”，以保證主信道外沒有過多的功率發(fā)射。

　　RS為WIMAX功放測試提供了快速、準(zhǔn)確的解決方案。測試設(shè)置如圖3所示，主要包括3部分：

　　圖3 RS的WiMAX射頻模塊測試解決方案

　　●信號源：使用RS信號源SMU200A或SMJ100A并加上相應(yīng)選件K49，就可以方便地產(chǎn)生802.16 -2004-OFDM，WIMAX 802.16e OFDMA和WIBRO信號。其中，SMU200A除具有極佳的射頻及基帶性能外，還帶有強大的衰落模擬功能，更適合研發(fā)使用。

　　●頻譜儀：RS FSQ系列頻譜儀及選件RS FSQ-K92可支持 802.16-2004-OFDM信號分析;或者使用RS FSQ及選件FSQ-K93，可以支持WiMAX 802.16e OFDMA和WIBRO信號的分析;也可選擇RS FSL系列頻譜儀及選件RS FSL-K92，支持802.16-2004-OFDM信號的分析。

　　●免費的外部PC軟件DemoMeas_WiMAX(可以從RS網(wǎng)頁www.rohde-schwarz.com下載)：它通過GPIB或LAN控制RS信號源(SMU200或SMJ100)和頻譜儀(FSQ或FSL)。如圖4所示，用戶只需在左邊欄目選擇待測的參數(shù)，軟件可自動完成測試所需的設(shè)置，而且可同時生成測試報告。

　　圖4 在FSQ上進(jìn)行WiMAX頻譜和星座圖測試界面

　　2.2 WiMAX接收機測試

　　為了測試WiMAX接收機的性能，尤其是802.16e，衰落環(huán)境下的測試顯得尤為重要。SMU200A內(nèi)置了衰落模擬器，可以模擬單通道40 徑或者雙通道20徑的衰落環(huán)境，每個路徑均可進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，如損耗、延時、移動速度、多普勒頻移等。目前，SUI(Stanford University Interim)模型(SUI1-SUI6)和ITU(國際電信聯(lián)盟)模型(OIP-A/B和V-A)可以用來進(jìn)行相關(guān)的WiMAX衰落測試。在 SMU200A的衰落模擬器中，預(yù)定義了SUI和ITU模型，用戶可直接調(diào)用。

　　使用傳統(tǒng)的測試方法測試MIMO的性能需要兩個信號源和相應(yīng)的衰落模擬器。但由于SMU200A(或者基帶源AMU200A)可以提供兩路完全獨立的基帶和射頻通道，因此只需一臺儀器就實現(xiàn)MIMO測試。每路信號可以模擬4個衰落通道，并針對WiMAX提供了空時編碼。RS的單臺儀器解決方案，不僅節(jié)約了空間和成本，而且對于兩路信號及衰落通道的同步和合成提供了方便的設(shè)置和準(zhǔn)確的精度。此外，直觀的操作界面也大大方便了操作(見圖 5)。

　　圖5 RS SMU200A的MIMO接收機測試界面

　　3 WiMAX整機射頻一致性測試

　　3.1 WiMAX射頻一致性認(rèn)證測試簡介

　　WiMAX論壇的目標(biāo)是把IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為實際的應(yīng)用。它是由制造商和網(wǎng)絡(luò)運營商組成的業(yè)界協(xié)會，處理除了純技術(shù)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)以外的WiMAX其他所有相關(guān)方面。對WiMAX基站和終端的產(chǎn)品認(rèn)證是論壇的一個重要工作。它的目標(biāo)是保證WiMAX服務(wù)在全球的可用性和可靠性。一個相關(guān)的認(rèn)證工作組CWG負(fù)責(zé)如下相關(guān)的工作：定義認(rèn)證和測試過程;列出需要的測試用例清單;選擇測試機構(gòu);選擇一致性測試系統(tǒng)等。

　　WiMAX產(chǎn)品需要測試滿足3個條件，即協(xié)議一致性、無線射頻一致性和互操作性。對于最后一項條件，來自不同制造商的產(chǎn)品需要在一個測試網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行互操作性測試和性能評估。前兩項測試條件需要特殊的測試系統(tǒng)。WiMAX的相關(guān)測試規(guī)范是技術(shù)工作組(TWG)制定的，其中一個重要的射頻一致性測試規(guī)范RCT(Radio Conformance Test Specification)規(guī)定了收發(fā)信機的基帶和射頻信號測試流程和測試條件，用于測試射頻接口與WiMAX規(guī)范的實現(xiàn)一致性程度。

　　根據(jù)WiMAX參數(shù)，射頻測試主要是對WiMAX技術(shù)物理層的關(guān)鍵指標(biāo)和性能進(jìn)行評估和驗證，一般按照基站側(cè)和終端側(cè)進(jìn)行區(qū)分，并且在每一側(cè)都分別對發(fā)射機和接收機進(jìn)行測試。具體而言，射頻參數(shù)測試中的核心內(nèi)容通常包括接收機的靈敏度，CP值和幀定時;發(fā)射機的循環(huán)前綴與符號定時、調(diào)制與編碼、頻譜平坦度、功率控制、相對星座圖誤差、頻譜模板等內(nèi)容。需要注意的是，射頻參數(shù)測試不僅應(yīng)該參考WiMAX認(rèn)證RCT文檔的要求，而且對于發(fā)射機的功率要求、雜散等具體的地區(qū)性指標(biāo)，還需要符合所在地區(qū)無線電管理部門的規(guī)定，即一般所說的要通過頻率核準(zhǔn)的測試。

　　對接收機進(jìn)行測試的測試指標(biāo)包括接收機靈敏度和動態(tài)范圍;對發(fā)射機進(jìn)行測試的測試指標(biāo)包括開環(huán)輸出功率范圍，閉環(huán)功率控制范圍，最大射頻輸出功率，最小受控輸出功率，待機輸出功率，DRC信道輸出功率，ACK信道輸出功率，數(shù)據(jù)信道輸出功率，發(fā)射機傳導(dǎo)性雜散發(fā)射，調(diào)制性能等;最后，還包括終端的吞吐率性能測試，包括上行和下行吞吐率測試。

　　3.2 RS TS8970 WiMAX射頻一致性認(rèn)證測試系統(tǒng)

　　WiMAX論壇選擇了RS公司的TS8970測試系統(tǒng)作為IEEE802.16e-2005移動WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的無線射頻一致性測試系統(tǒng)(見圖6)。在2006年5月韓國和維也納的WiMAX會議上，RS第一次推出了這套系統(tǒng)。伴隨著WiMAX論壇正在進(jìn)行的測試標(biāo)準(zhǔn)化工作，RS也正在TS8970系統(tǒng)上實行所有必須的測試用例。

　　圖6 RS WiMAX射頻一致性認(rèn)證測試系統(tǒng)

　　RS TS8970系統(tǒng)是基于RS公司高端儀表的基礎(chǔ)上，采用了信號源SMU200A及其選件SMx-K49作為信號產(chǎn)生部分，信號分析儀FSQ及其選件FSQ-K93作為信號分析部分，所需的信令連接部分采用了一個OEM的基站和終端模擬器。同時，還有一個全自動的射頻開關(guān)矩陣，它的頻率達(dá)到 6GHz，可以保證測試系統(tǒng)和被測件之間每個測試用例要求的信號轉(zhuǎn)換通路。

　　與RS TS895x 2G和3G移動通信的認(rèn)證系統(tǒng)一樣，RS TS8970系統(tǒng)使用了可靠的RS-PASS控制軟件。由于它具有模塊化和獨立于標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，整個軟件可以在TS8970中迅速實現(xiàn)。系統(tǒng)特定的一些應(yīng)用，如全自動的射頻路徑校準(zhǔn)補償、系統(tǒng)自檢程序和所有的管理、控制程序(如版本瀏覽器、測試用例和測試序列編輯器、測試參數(shù)和結(jié)果管理)，這些都可以直接使用，不需要做改變。此外，最初的WiMAX指定的一些測試用例可以使用一些RS-PASS基本程序來開發(fā)。而且，RS TS8970是第一套全部使用以太網(wǎng)控制的測試系統(tǒng)。

　　4 WiMAX終端無線測試儀CMW270

　　在生產(chǎn)測試方面，RS最新推出了集非信令測試和信令測試于一體的WiMAX802.16e終端無線測試儀CMW270，可以滿足用戶在非信令模式測量，信令模式測量和功能驗證，校準(zhǔn)、服務(wù)和質(zhì)量保證等各種WiMAX測試領(lǐng)域的需求(見圖7)。

　　圖7 WiMAX終端無線測試儀CMW270

　　對于在非信令模式下射頻測量方面，CMW270可以提供快速的發(fā)射機測量，測試發(fā)射機的突發(fā)功率，鄰信道功率ACP，EVM和IQ不平衡度等調(diào)制指標(biāo)，中心頻率誤差，頻譜平坦度，頻譜雜散模版等頻譜性能。并內(nèi)置了ARB信號源用于接收機測量，測試接收機在保持一定的PER或BER情況下的接收機靈敏度和最大輸入電平等指標(biāo)。此外，CMW270內(nèi)置了通用的RF信號源和RF功率計，可以完成如外部射頻電纜校準(zhǔn)等通用測量功能。

　　對于信令模式下的射頻驗證，CMW270可以提供實時信令，從而可以作為一個基站模擬器使用。此時的WiMAX終端可以像在一個實際的 WiMAX網(wǎng)絡(luò)中一樣進(jìn)行操作，修改一些必要的發(fā)射參數(shù)，模擬各種復(fù)雜的測試場景進(jìn)行測試。例如，測量載波干擾噪聲信號比CINR和接收信號強度指示 RSSI等指標(biāo)，以及開機搜索、功率控制等物理層和MAC層功能的驗證。

　　對于質(zhì)量保證和服務(wù)等方面的應(yīng)用，用戶也可以通過外部的顯示器、鼠標(biāo)和鍵盤來進(jìn)行手工操作，完成儀器所有的設(shè)置和測量。

　　由于具有實時信令模擬的能力，CMW270可以測試不同芯片廠商的終端而不需要特殊的測試模式接口，從而大大降低了測試時間和測試系統(tǒng)的復(fù)雜度。由于儀器體積小巧，CMW270可以很方便地集成到生產(chǎn)線中去，并且可以通過LAN，IEC/IEEE總線或者USB2.0接口來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

　　CMW270的頻率范圍從100MHz~6GHz，并且具有高信號質(zhì)量和精度，包括QPSK和QAM等各種調(diào)制方式和從1/2，2/3到3/4各種信道編碼方式，從而可以滿足目前WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的各種要求。

　　更進(jìn)一步，CMW270采用了模塊化的平臺結(jié)構(gòu)，從而可以輕松地適應(yīng)未來IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)的升級。內(nèi)部的測量和信令功能是由可編程邏輯器件FPGA和數(shù)字信號處理器DSP來完成的，從而可以通過固件升級的方式來輕松升級，適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的變化。

　　CMW270還提供了應(yīng)用測試的功能，通過在各種不同的測試場景下外部PC發(fā)送和接收TCP/IP數(shù)據(jù)包(數(shù)據(jù)或語音)來測試數(shù)據(jù)吞吐量。

　　由于其快速的測量能力、高精確度和面向未來的平臺設(shè)計理念，RS CMW270為用戶提供了WiMAX 移動終端的高性能、低成本的測試解決方案。

　　5 WiMAX無線覆蓋測試系統(tǒng)TSMW

　　在完成了WiMAX的網(wǎng)絡(luò)部署之后，就要對WiMAX的網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行測量并且對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中存在的干擾進(jìn)行測試，結(jié)合WiMAX終端還可以在現(xiàn)網(wǎng)中測試網(wǎng)絡(luò)的QoS。RS針對802.16e使用TSMW網(wǎng)絡(luò)掃頻儀對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行覆蓋測量以及干擾分析。通過Romes路測軟件的控制，可以解析出針對ID Cell和PA Index對小區(qū)進(jìn)行覆蓋測量。輸出Preamble的覆蓋質(zhì)量(CINR)和覆蓋電平(RSSI)參數(shù)。同時，TSMW還可以對每個ID Cell的多徑進(jìn)行測量，這樣輸出結(jié)果不僅包括了所有多徑的合成功率，還針對每路多徑分別給出RSSI和CINR。由于TSMW可以對每個Segment 的所有小區(qū)進(jìn)行測量，因此可以通過該功能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之后的頻率優(yōu)化。

　　TSMW本身為獨立雙端口接收機設(shè)置，單一通道有20MHz的帶寬，因此在設(shè)備的研發(fā)初期就考慮了對MIMO的支持(見圖8)。它的頻段范圍可以達(dá)到6GHz，滿足所有的頻段需求，內(nèi)置12通道高靈敏度GPS接收機，可以實現(xiàn)測量同GSS系統(tǒng)的完美結(jié)合。它在射頻性能上表現(xiàn)尤其突出，內(nèi)置預(yù)選器，可以提高對于接收系統(tǒng)干擾的抑制和儀表本身的動態(tài)范圍，噪聲系數(shù)極低，極大地提高了儀表的底噪指標(biāo)。并且提供的IQ數(shù)據(jù)直接獲取也給研發(fā)階段一些非標(biāo)準(zhǔn)信號的分析提供了可能。

　　圖8 WiMAX無線覆蓋測試系統(tǒng)TSMW

　　6 結(jié)束語

　　在產(chǎn)品研發(fā)階段，RS WiMAX射頻儀器強大的功能和出色的性能確保廠商能及時、準(zhǔn)確地驗證其射頻模塊和部件;在產(chǎn)品認(rèn)證階段，RS利用其在移動通信一致性認(rèn)證測試中的領(lǐng)先地位，率先提供了TS8970以滿足WiMAX整機射頻一致性測試的需求;在生產(chǎn)測試階段，RS有集WiMAX信令和非信令模式于一體的的生產(chǎn)測試解決方案——WiMAX終端無線測試儀CMW270，從而提供了從研發(fā)、認(rèn)證到生產(chǎn)的全系列測試解決方案。