满足4G LTE的测试挑战

引言

随着射频设计者快速投入到支持长期演进(LTE)手机无线标准的新产品的开发过程中，理解LTE的测试需求变得更加重要，因为该技术已经越来越普遍。对于无线通信产业，这些改变几乎与模拟到数字的转变一样重要，这需要新的测量测试仪器。本文介绍了LTE的概念以及测试工程师面临的挑战。

LTE是什么？

LTE是3GPP手机网络定义的下一代无线网络技术，允许运营商越过其他已有的无线接入技术提供同样的应用和服务，能实现非常高的数据率，为终端用户提供显著提升的用户体验。基于LTE的网络和基于正交频分复用(OFDM)并采用多输入多输出(MIMO)的传输方式，有时也称之为4G。

测试挑战

LTE测试有两个主要的挑战：从单载波到多载波的OFDM调制信号以及从SISO(单输入单输出)到MIMO的信号传输流。

OFDM信号有多个子载波，互相之间精确排列并占用较宽的带宽(达到20MHz)，较大多数射频工程师熟悉的传统单载波信号更加复杂。从各个方面测量这些信号对于确认无线电通信的正确工作并在出问题时快速诊断出问题所在区域非常重要。例如，测量在整个频道内每个子载波的调制质量，即EVM(误差向量幅度) 测量，可探测出放大器、滤波器、频率响应波形，或窄带干扰问题。简单地说，在覆盖整个传输帧的整个时间段内测量EVM分量，可探测出由放大器热效应、失效以及开关或频率引起的问题。

OFDM信号较单载波信号具有更高的峰值-均值比(PAR)，这增加了发送级功率放大器增益压缩引起误码的可能性。与WiMAX不同，LTE在移动设备中使用不同的调制方法(SC-FDMA)来进行补偿。但这增加了放大器的功率消耗，使基带处理变得更加复杂并最终造成更多功耗。

MIMO

从SISO到MIMO的转变需要新的测量和测试仪器，来满足对多信号流的测量。MIMO是商用无线电技术自从模拟过渡到数字传输以来最为重要的转变之一。下一代无线标准，如WiMAX、HSPA+和LTE都是基于MIMO的系统，也对商用通信设备的设计者提出了新的挑战。因为用户需要更多的服务和更可靠的连接，今天的MIMO系统能提供更高的吞吐量或更广范围的覆盖，然而这就需要新的技术，如波束成型，来增加发送机、接收机和单个设备上的天线的数量。

MIMO测量由复合多信号流数据通道和单信号流构成。通过一系列新的测量帮助确定信号的质量和MIMO系统的信道质量，包括信道响应、N×M MIMO发送机的单路空间流功率、矩阵情况、发射机分离多路信号流传输的能力和星座图。

典型的MIMO系统如图1所示。

 
图1 在LTE系统中的典型MIMO系统

MIMO系统的性能依赖于信道的表现。因此发送机和接收机须采用多通道模型进行测试，依靠预定义的标准和用户定义的模型保证设计在各种外部环境下的一致性能。信道在很多情况下都会使信号失真，如周围物体的反射会造成信号的多径效应，使一些信号在不同的时间到达接收机。多径效应引起幅度变弱及时间、相位延迟。越多的通道失真叠加到信号中，接收机算法就越有可能解析出原始的传输信号。如果发送机或接收机进一步加入幅度、时间和相位误差，信道将不能精确建模，符号就不能被有效分辨出来。[page]

测试仪器

除了要确保高测量集成度，应用于LTE的测试仪器还必须快速和灵活。SISO测量将持续在MIMO基础架构和用户仪器上实现，可执行SISO测量并可升级支持八通道精确同步MIMO信号的信号发生器和分析仪组成的MIMO测试仪器将节省时间和成本。因为LTE将与其他无线标准，如GSM、W-CDMA和 WLAN在设备上一同工作，测试仪器就必须适应多种标准，包括信号带宽达到40MHz的非移动电话标准，同时还需要具备时间和成本的优势。

针对LTE的下一代测试仪器将采用高速DSP技术来进行信号处理，而不是沿用传统的微处理器，这样才可以快速的对高度复杂的多种无线标准进行测试。图2所示为吉时利公司的4×4 MIMO射频测试系统。

 
图2 吉时利的4×4 MIMO射频测试系统

对于波束成型，测试仪器需要有能力控制每个信号源的幅度和相位，这样才能在恰当理解信道的基础上建立需要的射频辐射方向图。

实际应用中，精密的MIMO测量测试仪器，如信号源和分析仪，需要对本地振荡器进行相位校准，并对参考频率、D/A、A/D采样率进行时间校准，来最小化它们对信道的影响。理想情况下，相位误差小于1度，时间误差小于1ns可带来精确的结果。

结语

LTE的逐渐普及对射频设计者提出了前所未有的测试挑战。信号更加复杂，需要新的和更广阔范围的测试。因此，测试仪器制造商必须设计出具备更高测量集成度和更大灵活性的仪器，来适应这些新的测试需求，并帮助设计者节省时间、降低测试成本。