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系列標準為基礎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)標準，一個是滿足固定寬帶無線接入的WiMAX802.16d標準，另一個是滿足固定和移動的寬帶無線接入技術(shù)WiMAX802.16e標準。 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，即空間復用和空時編碼，這兩種形式在WiMAX協(xié)議中都得到了應用。協(xié)議還給出了同時使用空間復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、準確的解決方案。測試設置如圖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置，而且可同時生成測試報告。

　　圖4 在FSQ上進行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，每個路徑均可進行相應參數(shù)的設置，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)可以用來進行相關(guān)的WiMAX衰落測試。在 SMU200A的衰落模擬器中，預定義了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置和準確的精度。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射頻一致性認證測試簡介

　　WiMAX論壇的目標是把IEEE802.16標準轉(zhuǎn)化為實際的應用。它是由制造商和網(wǎng)絡運營商組成的業(yè)界協(xié)會，處理除了純技術(shù)的IEEE標準以外的WiMAX其他所有相關(guān)方面。對WiMAX基站和終端的產(chǎn)品認證是論壇的一個重要工作。它的目標是保證WiMAX服務在全球的可用性和可靠性。一個相關(guān)的認證工作組CWG負責如下相關(guān)的工作：定義認證和測試過程;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)絡中進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)鍵指標和性能進行評估和驗證，一般按照基站側(cè)和終端側(cè)進行區(qū)分，并且在每一側(cè)都分別對發(fā)射機和接收機進行測試。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)測試不僅應該參考WiMAX認證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，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的測試。

　　對接收機進行測試的測試指標包括接收機靈敏度和動態(tài)范圍;對發(fā)射機進行測試的測試指標包括開環(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標準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論壇正在進行的測試標準化工作，RS也正在TS8970系統(tǒng)上實行所有必須的測試用例。

　　圖6 RS WiMAX射頻一致性認證測試系統(tǒng)

　　RS TS8970系統(tǒng)是基于RS公司高端儀表的基礎上，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準的結(jié)構(gòu)，整個軟件可以在TS8970中迅速實現(xiàn)。系統(tǒng)特定的一些應用，如全自動的射頻路徑校準補償、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、服務和質(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，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。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)絡中一樣進行操作，修改一些必要的發(fā)射參數(shù)，模擬各種復雜的測試場景進行測試。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，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)量保證和服務等方面的應用，用戶也可以通過外部的顯示器、鼠標和鍵盤來進行手工操作，完成儀器所有的設置和測量。

　　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接口來進行遠程控制。

　　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標準的各種要求。

　　更進一步，CMW270采用了模塊化的平臺結(jié)構(gòu)，從而可以輕松地適應未來IEEE802.16e標準的升級。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，適應標準的變化。

　　CMW270還提供了應用測試的功能，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)絡部署之后，就要對WiMAX的網(wǎng)絡覆蓋進行測量并且對網(wǎng)絡規(guī)劃中存在的干擾進行測試，結(jié)合WiMAX終端還可以在現(xiàn)網(wǎng)中測試網(wǎng)絡的QoS。RS針對802.16e使用TSMW網(wǎng)絡掃頻儀對網(wǎng)絡進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)進行測量，因此可以通過該功能實現(xiàn)網(wǎng)絡之后的頻率優(yōu)化。

　　TSMW本身為獨立雙端口接收機設置，單一通道有20MHz的帶寬，因此在設備的研發(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。并且提供的IQ數(shù)據(jù)直接獲取也給研發(fā)階段一些非標準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、準確地驗證其射頻模塊和部件;在產(chǎn)品認證階段，RS利用其在移動通信一致性認證測試中的領(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)、認證到生產(chǎn)的全系列測試解決方案。