增強符號識別的通信測試設備
責任編輯:chineselng    瀏覽:2221次    時間: 2008-04-07 18:59:41      

摘要:設計者采用能感知調制方法的測試工具推進下一代無線系統的開發,盡管新興標準引入了一些PHY層和數據層的問題! ∫ 點  無線技術推高了中心頻率、帶寬和調制復雜性! y試公司緊盯標準機構,但必須預測市場! ∫慌_信號發生器、一臺信號分析儀加上調制軟件..

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設計者采用能感知調制方法的測試工具推進下一代無線系統的開發,盡管新興標準引入了一些PHY層和數據層的問題。

  要 點
  無線技術推高了中心頻率、帶寬和調制復雜性。
  測試公司緊盯標準機構,但必須預測市場。
  一臺信號發生器、一臺信號分析儀加上調制軟件,就可以在實驗室內仿真一個無線網絡。
  
通信測試設備能夠優化關鍵功能(如功率放大器)的設計。

  從事無線系統工作的設計者面臨一個不斷變化的問題:在3G/4G蜂窩、WiMax、Wi-Fi和UWB(超寬帶)應用中,存在著不斷更新、更復雜的標準。開發工作要與標準發展過程同步進行,特別是在芯片級。測試設備公司仍在尋找一些方法,提供能讓開發過程進行下去的產品。越來越多測試工具在PHY(物理)層和較高層網絡棧中包含了標準定制能力?纯匆恍⿲嶋H工具及使用情景可能有助于您的下一個設計項目,無論您的工作是采用某種無線標準,還是一個ISM(工業/科學/醫療)頻段中的定制項目,或是采用有線連接。

  從測試設備廠商的角度,挑戰集中在對市場的預期上。Agilent公司WiMax 項目經理Jennifer Stark指出了三個不變的趨勢。她說:“技術正在轉向更高的頻率、更寬的頻段和更復雜的調制方法!

圖1運行在NationalInstruments公司LabView上的ModulationToolkit使設計者能夠快速對無線系統建模提供各種診斷工具如星座圖和眼圖


  顯然,更復雜調制方法使調試更加棘手,因為最高效的測試設備包括了實時處理調制方法的能力;鶐 IC 方面現在有越來越多可用的數字處理能力,使調制方法的進步成為可能。但在基帶 IC 中實現的東西并不能讓測試設備公司舒心。隨著標準向目標的發展,測試供應商要用 DSP、FPGA 與軟件的一種組合,對某一通信鏈接的傳輸和接收端作基礎建模。事實上,多數測試公司認為他們的每種儀器差不多都必須過度設計,這樣才能給新興標準留出余量。

  Rohde & Schwarz 產品營銷經理 Justin Panzer 表示:“在一個設計環境中,工程師嘗試用測試設備仿真一個真實世界的環境!钡珕栴}又來了,如何仿真一個處于不斷變化中的技術?Panzer 指出,一個標準一般都是建立在其它標準之上。他用新興的 LTE(長期演進仿真)標準作為一個例子。3GPP(第三代合作伙伴項目)正在開發LTE,使之成為GSM(全球移動通信)系列蜂窩通信系統的3.5G或4G后繼技術。Panzer稱:“LTE與 WiMax有大量的相似之處”。顯然,LTE 將采用 WiMax 所使用的OFDM(正交頻分多址)和 OFDMA(OFDM接入)調制方法,但頻段與信道不同。大多數觀察家認為 LTE 部署至少還要兩年,但芯片設計已經上路(參考文獻1)。

  軍用方法

  Agilent公司的Stark說:“商用世界中嘗試的多數事情都已被軍用領域試過!彼Q軍用LMDS(局域多點分布式服務)和MMDS(多信道多點分布式服務)系統就是固定WiMax的前身。但Stark補充說:“移動WiMax在固定WiMax上有巨大發展!币苿覹iMax需要在各基站間交換客戶移動時的呼叫。但一個移動WiMax系統不能采用固網客戶開發時的那些信道假設。

圖2Rohde


  所有測試公司都會在某種水平上參與標準機構,這樣就可一定程度上獲知決策方向,甚至對其施加影響。Azimuth Systems 高級營銷總監 Graham Celine 說:“有時你可能會看到一些標準機構要經過兩年、三年甚至四年才能弄出個標準!保▍⒖嘉墨I1)他還指出有可能出現破壞性的標準。例如針對 700 MHz 頻譜的標準,FCC(美國聯邦通信委員會)于今年2月在美國舉辦拍賣。電視廣播商即將騰出這個頻段。最高投標者可能會在幾年內影響美國寬帶發展史的進程。Celine稱:“贏家沒確定前,沒有人知道!

  WiMax 的情況可以作為測試公司影響標準的一個例子。Tektronix 通信業務部高級營銷經理 Antonio Policek 稱,Tektronix 影響了基站測量端口的內容。該公司在基帶級的輸出實現了測量端口,因此在儀器中無需 RF 接收機,用一臺協議分析儀就能收集數據。似乎測試公司主要是尋求確保標準為可測試的。Celine 稱:“Azimuth 希望確保測試模型行得通,并能在儀器中以合理價格實現!

  無線系統建模

  讓人驚訝的是,用現代測試設備在一間開發實驗室中建立一個無線通信系統模型是如此簡單。例如,National Instruments 提供一系列采用 PXI(外設部件互聯儀器擴展)和 PXIe(PCI Express 儀器擴展)外形尺寸的 RF 信號發生器和分析儀產品,它們基本上是 PCI 和 PCIe(PCI Express)的加強版。幾乎可以在任何一臺裝有這些硬件模塊的 PC 機上,用該公司運行在 LabView 圖形開發環境上的 Modulation Toolkit 軟件,就可以對一個蜂窩系統作全套建模。圖 1表示了一個 16 QAM(正交幅度調制)系統的符號星座圖和 3D 眼圖。

  很多案例可以演示 National Instruments 工具的使用。例如,參考文獻 2 中描述了德州大學與 Drexel 大學的一個聯合項目,主要是為 MIMO(多輸入/多輸出)系統建模。德州大學亦在 2003 年用 LabView 為早期 WiMax 系統建模。

  National Instruments 模塊化的產品使這些工具也適于現場工作,F場記錄 RF 能量是設計者做實驗室產品測試時的常見工作。因此很難綜合建立一種符合現場實際情況的困難環境。National Instruments 的產品經理 David Hall 指出,可以在某個有硬盤的系統中,使用該公司的一種 VSA(矢量信號分析儀),記錄下五個小時的實際環境,供以后在實驗室中進行回放。

  推高頻率

  為支持對最先進無線系統的測試與建模,測試公司必須推進自己的硬件設計,增加基于軟件的調制工具。Agilent 的 Stark 回顧了無線技術發展的三個維度,指出單個標準傾向于推動一個或兩個維度,但不會同時推動三個。她引用 WiMax 和 UWB 為例。Stark 稱,WiMedia 最流行的變種 UWB 采用了一種相對簡單的調制方法,但卻占用相對較寬的 500 MHz 信道。與之相反,WiMax 則采用相對較窄的 10MHz 信道,但卻用復雜的調制方法。兩種情況下,標準均規定在 5GHz ~ 6GHz 范圍內工作。

圖3Agilent公司的89601ALTE信號分析包可對一個LTE下行鏈路信號完成一次EVM測量并顯示為一個星座圖


  僅一個新標準的中心頻率就可以產生對新硬件的需求。Rohde & Schwarz 公司的 Panzer 指出,該公司的 CMU200 移動射頻測試儀幾乎可以用于所有蜂窩標準。但它只能工作到 3 GHz, 為了支持 WiMax,該公司不得不開發 6GHz的CMW500 測試儀(圖2)。而硬件的推動力并沒有就此止步。為了測試 MIMO 系統,可能需要兩臺6GHz 設備。

  Azimuth公司的 Celine 稱 MIMO 是測試工具要支持的一種困難技術。Azimuth 集中研究了 Wi-Fi 和 WiMax,并提前在 MIMO專業技能上投下賭注,以實現公司的差異化。Celine指出,一臺 MIMO 測試儀器中的信道仿真器不同于傳統儀器。Celine 稱:“在 SISO(單輸入/單輸出)時,仿真器是作為一個干擾源。而在 MIMO 中,技術的工作原理是多路徑!

  放大器優化經驗

  一些使用情景能幫助分析儀器的其它特性和設計挑戰,并詳細說明如何在實驗室中使用這種儀器。Agilent 公司的 Stark 將功率放大器看作是OFDMA 射頻設計標準(如移動 WiMax)的關鍵部分。她稱一個糟糕的功率放大器設計會導致不良的電池壽命、使用范圍和數據速率,它們是一個產品對消費者非常重要的終極屬性。

圖4Tektronix的系列實時頻譜分析儀通過連續的FFT可以捕捉到短至24ms的瞬變因此儀器可以顯示OFDM系統中的重疊信道噪聲


  據 Stark 說,功率放大器在移動 WiMax 情況下會成為一個問題,因為調制方法會將設計的放大器推入一個非線性區。另外,輸出信號必須無規律地變化,有一個高的峰均比。WiMax 設計的客戶端亦有空間和發熱限制。

  在這一代的仿真與計算工具中,不需要建立硬件就可以開始功率放大器的開發?梢杂肁gilent公司的 EEsof RF 建模 EDA工具設計和仿真放大器。EEsof 工具可以饋入一臺信號發生器,并用PC機上的89600 VSA 軟件描述設計的特性。VSA軟件包運行在PC上,可以與各種Agilent示波器與信號分析儀器接口。

  Stark 提供了幾個規格實例,可以用于這種情況下的特性描述與微調。例如,WiMax 與蜂窩標準中有個一般稱為 EVM(誤差矢量幅度)或 RCE(相對星座誤差)的規格,用于測量星座圖的精度(圖3)。功率放大器是增加 EVM/RCE 誤差的一個部件。比如,一個采用 BPSK(二進制相位鍵控)或 4-QAM(四相 QAM)的簡單系統在調制符號間有寬的間隔,這種系統可以容忍高的 EVM/RCE 值。但一個 64-QAM(64 相 QAM)系統的誤差預算就很緊張,據 Stark 稱,放大器的設計一般對誤差預算的貢獻最多為 1%。

  可以只按一個可用比率做 EVM/RCE 測試。但在 Stark 的例子中,仿真部分可以在將設計轉為硬件以前進行測試和優化。

  放大器產生的問題

  Darren McCarthy 是 Tektronix 儀器業務部的全球 RF 技術營銷經理,他同意功率放大器的設計是無線客戶端電池壽命與性能的關鍵。McCarthy 指出在 OFDM 或 OFDMA 系統中要盡量減少一個信道向其它信道的功率泄漏。對這種情況的測試就是 ACPR(鄰道功率比),它是系統線性度的一個量度。
 不過如前所述,像移動 WiMax 和 LTE 這種系統都會使功率放大器進入非線性區,這對 ACPR 有負面影響。設計者越來越多地轉向 DPD(數字預失真)等技術以盡量減小 ACPR。但 DPD 會帶來新問題:記憶效應,這來自于電氣特性,如源阻抗和負載阻抗以及電熱耦合。

  過去,設計者采用頻譜分析儀和軟件工具測量ACPR。但McCarthy稱這種ACPR測量測的是平均功率,而且傳統頻譜分析儀使用的掃頻方法丟失了瞬態信號,如由記憶效應產生的信號。Tektronix提供一個系列的實時頻譜分析儀,它可以連續完成頻域變換,捕捉記憶效應的瞬變。圖4是一個Tektronix數字熒光頻譜顯示器。黃色曲線表示鄰道的最大噪聲。McCarthy稱該儀器能捕捉到持續 24ms以上的任何瞬變。

  McCarthy 認為還有一個能力也同等重要,那就是將問題瞬變的出現與其根源聯系起來。儀器支持頻率遮罩觸發(frequency-masked triggering),因此可以將該觸發器連接到其它各類儀器上。McCarthy 稱可以用這種觸發器確定造成放大器增益變化(因此產生瞬變)的軟件指令位置。

  UWB 和其它標準

  寬帶無線技術并不是唯一處在變化中的技術。設計者當然需要好的測試儀器來應對像 UWB 這類標準。Tektronix 的 McCarthy 稱,UWB 和 IEEE 802.11n 等標準提出了特殊的挑戰,因為它們能提供“環境的認知”。這種可認知射頻在免許可頻段的標準中尤其重要,因為射頻必須避免干擾其它發射器。

  UWB 社團已開發出了 DAA(探測并避免)技術,以確保寬帶發射之間不會相互干擾。歐洲、日本和一些其它地區都將遵守 DAA。McCarthy 指出,雖然 UWB 發射功率遠低于蜂窩系統等發射機的發射功率,但 UWB 發射機仍會對蜂窩接收機產生干擾。因此,DAA 基本上都規定了要聆聽某臺發射機,避開該發射機工作的頻率。

  DAA 實現現有一些工作模式。UWB 采用三個 500 MHz 信道,供 UWB 射頻的跳頻。最簡單形式下,DAA 在其它發射機存在時并不使用三個信道中的某一個。不過在很多情況下,一個系統可以采用更粗放的方法來避免干擾。通過使用一種音調零化(tone-nulling)技術,發射機就可以簡單地避開某個 500 MHz 頻段內的一個窄范圍副載波。據 McCarthy 說,Tektronix 帶有可選 UWB 軟件的 AWG7000 信號發生器可以讓設計團隊測試所有的 DAA 模式。

  沖擊 LTE

  向前望去,所有測試供應商都在熱切地致力于實驗室中的 LTE 產品,并交付一些產品。Rohde & Schwarz 公司的 Panzer 稱該公司早先已與一家領先芯片供應商合作,提供可以完成 PHY 和 RF 測試的設備。實際上,CMW500 既可以支持 WiMax,也提供 LTE 支持。

  Azimuth 公司的 Celine 堅持說所有人都會面臨有效 MIMO 支持的挑戰。他相信,公司從 WiMax 獲得的 MIMO 經驗將有助于為未來 LTE 產品提供良好服務。他說:“LTE 是一個非常不同的頻段。我們正在重新設計 RF 前端,但這比處理一種新的調制方法要簡單!

  無論正在做哪種類型的系統,可能都會想到所有測試供應商已提過的一種普遍認識:用于無線通信等技術的標準并不能提供設計建議。Agilent 公司的 Stark 說:“標準文本定義了系統性能。它并未告訴工程師如何設計! 這意味著,最好對設計作徹底測試,并且無線信道的不可知性可能會遠遠高于以往經歷過的任何其它環境。

參考文獻
1. Wright, Maury, “WiMax gains in mobile-broadband game, but 4G lurks,” EDN, March 29, 2007, pg 56,
www.edn.com/article/CA642878
2. Heath, Robert W, Jr; Kapil R Dandekar; and Scott M Nettles, “UT and Drexel use NI PXI and LabView for wireless research,” http://sine.ni.com/csol/cds/item/vw/p/id/587/nid/124100

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