增强符号识别的通信测试设备

2008-04-01 01:25:31来源: EDN
  从事无线系统工作的设计者面临一个不断变化的问题:在3G/4G蜂窝WiMaxWi-FiUWB(超宽带)应用中,存在着不断更新、更复杂的标准。开发工作要与标准发展过程同步进行,特别是在芯片级。测试设备公司仍在寻找一些方法,提供能让开发过程进行下去的产品。越来越多测试工具在PHY(物理)层和较高层网络栈中包含了标准定制能力。看看一些实际工具及使用情景可能有助于您的下一个设计项目,无论您的工作是采用某种无线标准,还是一个ISM(工业/科学/医疗)频段中的定制项目,或是采用有线连接。

  从测试设备厂商的角度,挑战集中在对市场的预期上。Agilent公司WiMax 项目经理Jennifer Stark指出了三个不变的趋势。她说:“技术正在转向更高的频率、更宽的频段和更复杂的调制方法。”

图1运行在NationalInstruments公司LabView上的ModulationToolkit使设计者能够快速对无线系统建模提供各种诊断工具如星座图和眼图


  显然,更复杂调制方法使调试更加棘手,因为最高效的测试设备包括了实时处理调制方法的能力。基带 IC 方面现在有越来越多可用的数字处理能力,使调制方法的进步成为可能。但在基带 IC 中实现的东西并不能让测试设备公司舒心。随着标准向目标的发展,测试供应商要用 DSPFPGA 与软件的一种组合,对某一通信链接的传输和接收端作基础建模。事实上,多数测试公司认为他们的每种仪器差不多都必须过度设计,这样才能给新兴标准留出余量。

  Rohde & Schwarz 产品营销经理 Justin Panzer 表示:“在一个设计环境中,工程师尝试用测试设备仿真一个真实世界的环境。”但问题又来了,如何仿真一个处于不断变化中的技术?Panzer 指出,一个标准一般都是建立在其它标准之上。他用新兴的 LTE(长期演进仿真)标准作为一个例子。3GPP(第三代合作伙伴项目)正在开发LTE,使之成为GSM(全球移动通信)系列蜂窝通信系统的3.5G或4G后继技术。Panzer称:“LTE与 WiMax有大量的相似之处”。显然,LTE 将采用 WiMax 所使用的OFDM(正交频分多址)和 OFDMA(OFDM接入)调制方法,但频段与信道不同。大多数观察家认为 LTE 部署至少还要两年,但芯片设计已经上路(参考文献1)。

  军用方法

  Agilent公司的Stark说:“商用世界中尝试的多数事情都已被军用领域试过。”她称军用LMDS(局域多点分布式服务)和MMDS(多信道多点分布式服务)系统就是固定WiMax的前身。但Stark补充说:“移动WiMax在固定WiMax上有巨大发展。”移动WiMax需要在各基站间交换客户移动时的呼叫。但一个移动WiMax系统不能采用固网客户开发时的那些信道假设。

图2Rohde


  所有测试公司都会在某种水平上参与标准机构,这样就可一定程度上获知决策方向,甚至对其施加影响。Azimuth Systems 高级营销总监 Graham Celine 说:“有时你可能会看到一些标准机构要经过两年、三年甚至四年才能弄出个标准。”(参考文献1)他还指出有可能出现破坏性的标准。例如针对 700 MHz 频谱的标准,FCC(美国联邦通信委员会)于今年2月在美国举办拍卖。电视广播商即将腾出这个频段。最高投标者可能会在几年内影响美国宽带发展史的进程。Celine称:“赢家没确定前,没有人知道。”

  WiMax 的情况可以作为测试公司影响标准的一个例子。Tektronix 通信业务部高级营销经理 Antonio Policek 称,Tektronix 影响了基站测量端口的内容。该公司在基带级的输出实现了测量端口,因此在仪器中无需 RF 接收机,用一台协议分析仪就能收集数据。似乎测试公司主要是寻求确保标准为可测试的。Celine 称:“Azimuth 希望确保测试模型行得通,并能在仪器中以合理价格实现。”

  无线系统建模

  让人惊讶的是,用现代测试设备在一间开发实验室中建立一个无线通信系统模型是如此简单。例如,National Instruments 提供一系列采用 PXI(外设部件互联仪器扩展)和 PXIe(PCI Express 仪器扩展)外形尺寸的 RF 信号发生器和分析仪产品,它们基本上是 PCI 和 PCIe(PCI Express)的加强版。几乎可以在任何一台装有这些硬件模块的 PC 机上,用该公司运行在 LabView 图形开发环境上的 Modulation Toolkit 软件,就可以对一个蜂窝系统作全套建模。图 1表示了一个 16 QAM(正交幅度调制)系统的符号星座图和 3D 眼图


  很多案例可以演示 National Instruments 工具的使用。例如,参考文献 2 中描述了德州大学与 Drexel 大学的一个联合项目,主要是为 MIMO(多输入/多输出)系统建模。德州大学亦在 2003 年用 LabView 为早期 WiMax 系统建模。

  National Instruments 模块化的产品使这些工具也适于现场工作。现场记录 RF 能量是设计者做实验室产品测试时的常见工作。因此很难综合建立一种符合现场实际情况的困难环境。National Instruments 的产品经理 David Hall 指出,可以在某个有硬盘的系统中,使用该公司的一种 VSA(矢量信号分析仪),记录下五个小时的实际环境,供以后在实验室中进行回放。

  推高频率

  为支持对最先进无线系统的测试与建模,测试公司必须推进自己的硬件设计,增加基于软件的调制工具。Agilent 的 Stark 回顾了无线技术发展的三个维度,指出单个标准倾向于推动一个或两个维度,但不会同时推动三个。她引用 WiMax 和 UWB 为例。Stark 称,WiMedia 最流行的变种 UWB 采用了一种相对简单的调制方法,但却占用相对较宽的 500 MHz 信道。与之相反,WiMax 则采用相对较窄的 10MHz 信道,但却用复杂的调制方法。两种情况下,标准均规定在 5GHz ~ 6GHz 范围内工作。

图3Agilent公司的89601ALTE信号分析包可对一个LTE下行链路信号完成一次EVM测量并显示为一个星座图


  仅一个新标准的中心频率就可以产生对新硬件的需求。Rohde & Schwarz 公司的 Panzer 指出,该公司的 CMU200 移动射频测试仪几乎可以用于所有蜂窝标准。但它只能工作到 3 GHz, 为了支持 WiMax,该公司不得不开发 6GHz的CMW500 测试仪(图2)。而硬件的推动力并没有就此止步。为了测试 MIMO 系统,可能需要两台6GHz 设备。

  Azimuth公司的 Celine 称 MIMO 是测试工具要支持的一种困难技术。Azimuth 集中研究了 Wi-Fi 和 WiMax,并提前在 MIMO专业技能上投下赌注,以实现公司的差异化。Celine指出,一台 MIMO 测试仪器中的信道仿真器不同于传统仪器。Celine 称:“在 SISO(单输入/单输出)时,仿真器是作为一个干扰源。而在 MIMO 中,技术的工作原理是多路径。”

  放大器优化经验

  一些使用情景能帮助分析仪器的其它特性和设计挑战,并详细说明如何在实验室中使用这种仪器。Agilent 公司的 Stark 将功率放大器看作是OFDMA 射频设计标准(如移动 WiMax)的关键部分。她称一个糟糕的功率放大器设计会导致不良的电池寿命、使用范围和数据速率,它们是一个产品对消费者非常重要的终极属性。

图4Tektronix的系列实时频谱分析仪通过连续的FFT可以捕捉到短至24ms的瞬变因此仪器可以显示OFDM系统中的重叠信道噪声


  据 Stark 说,功率放大器在移动 WiMax 情况下会成为一个问题,因为调制方法会将设计的放大器推入一个非线性区。另外,输出信号必须无规律地变化,有一个高的峰均比。WiMax 设计的客户端亦有空间和发热限制。

  在这一代的仿真与计算工具中,不需要建立硬件就可以开始功率放大器的开发。可以用Agilent公司的 EEsof RF 建模 EDA工具设计和仿真放大器。EEsof 工具可以馈入一台信号发生器,并用PC机上的89600 VSA 软件描述设计的特性。VSA软件包运行在PC上,可以与各种Agilent示波器信号分析仪器接口。

  Stark 提供了几个规格实例,可以用于这种情况下的特性描述与微调。例如,WiMax 与蜂窝标准中有个一般称为 EVM(误差矢量幅度)或 RCE(相对星座误差)的规格,用于测量星座图的精度(图3)。功率放大器是增加 EVM/RCE 误差的一个部件。比如,一个采用 BPSK(二进制相位键控)或 4-QAM(四相 QAM)的简单系统在调制符号间有宽的间隔,这种系统可以容忍高的 EVM/RCE 值。但一个 64-QAM(64 相 QAM)系统的误差预算就很紧张,据 Stark 称,放大器的设计一般对误差预算的贡献最多为 1%。

  可以只按一个可用比率做 EVM/RCE 测试。但在 Stark 的例子中,仿真部分可以在将设计转为硬件以前进行测试和优化。

  放大器产生的问题

  Darren McCarthy 是 Tektronix 仪器业务部的全球 RF 技术营销经理,他同意功率放大器的设计是无线客户端电池寿命与性能的关键。McCarthy 指出在 OFDM 或 OFDMA 系统中要尽量减少一个信道向其它信道的功率泄漏。对这种情况的测试就是 ACPR(邻道功率比),它是系统线性度的一个量度。


  不过如前所述,像移动 WiMax 和 LTE 这种系统都会使功率放大器进入非线性区,这对 ACPR 有负面影响。设计者越来越多地转向 DPD(数字预失真)等技术以尽量减小 ACPR。但 DPD 会带来新问题:记忆效应,这来自于电气特性,如源阻抗和负载阻抗以及电热耦合。

  过去,设计者采用频谱分析仪和软件工具测量ACPR。但McCarthy称这种ACPR测量测的是平均功率,而且传统频谱分析仪使用的扫频方法丢失了瞬态信号,如由记忆效应产生的信号。Tektronix提供一个系列的实时频谱分析仪,它可以连续完成频域变换,捕捉记忆效应的瞬变。图4是一个Tektronix数字荧光频谱显示器。黄色曲线表示邻道的最大噪声。McCarthy称该仪器能捕捉到持续 24ms以上的任何瞬变。

  McCarthy 认为还有一个能力也同等重要,那就是将问题瞬变的出现与其根源联系起来。仪器支持频率遮罩触发(frequency-masked triggering),因此可以将该触发器连接到其它各类仪器上。McCarthy 称可以用这种触发器确定造成放大器增益变化(因此产生瞬变)的软件指令位置。

  UWB 和其它标准

  宽带无线技术并不是唯一处在变化中的技术。设计者当然需要好的测试仪器来应对像 UWB 这类标准。Tektronix 的 McCarthy 称,UWB 和 IEEE 802.11n 等标准提出了特殊的挑战,因为它们能提供“环境的认知”。这种可认知射频在免许可频段的标准中尤其重要,因为射频必须避免干扰其它发射器。

  UWB 社团已开发出了 DAA(探测并避免)技术,以确保宽带发射之间不会相互干扰。欧洲、日本和一些其它地区都将遵守 DAA。McCarthy 指出,虽然 UWB 发射功率远低于蜂窝系统等发射机的发射功率,但 UWB 发射机仍会对蜂窝接收机产生干扰。因此,DAA 基本上都规定了要聆听某台发射机,避开该发射机工作的频率。

  DAA 实现现有一些工作模式。UWB 采用三个 500 MHz 信道,供 UWB 射频的跳频。最简单形式下,DAA 在其它发射机存在时并不使用三个信道中的某一个。不过在很多情况下,一个系统可以采用更粗放的方法来避免干扰。通过使用一种音调零化(tone-nulling)技术,发射机就可以简单地避开某个 500 MHz 频段内的一个窄范围副载波。据 McCarthy 说,Tektronix 带有可选 UWB 软件的 AWG7000 信号发生器可以让设计团队测试所有的 DAA 模式。

  冲击 LTE

  向前望去,所有测试供应商都在热切地致力于实验室中的 LTE 产品,并交付一些产品。Rohde & Schwarz 公司的 Panzer 称该公司早先已与一家领先芯片供应商合作,提供可以完成 PHY 和 RF 测试的设备。实际上,CMW500 既可以支持 WiMax,也提供 LTE 支持。

  Azimuth 公司的 Celine 坚持说所有人都会面临有效 MIMO 支持的挑战。他相信,公司从 WiMax 获得的 MIMO 经验将有助于为未来 LTE 产品提供良好服务。他说:“LTE 是一个非常不同的频段。我们正在重新设计 RF 前端,但这比处理一种新的调制方法要简单。”

  无论正在做哪种类型的系统,可能都会想到所有测试供应商已提过的一种普遍认识:用于无线通信等技术的标准并不能提供设计建议。Agilent 公司的 Stark 说:“标准文本定义了系统性能。它并未告诉工程师如何设计。” 这意味着,最好对设计作彻底测试,并且无线信道的不可知性可能会远远高于以往经历过的任何其它环境。

参考文献
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

关键字:蜂窝  WiMax  Wi-Fi  UWB  标准  频段  调制

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2008/0401/article_175.html
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