отправка...Тестирование и отладка системы MIMO с помощью многоканальных широкополосных осциллографов
Проблемы тестирования MIMO
Системы с несколькими входами и выходами (MIMO) обладают потенциалом увеличения скорости передачи для одного абонента за счет использования двух или четырех потоков данных, передаваемых несколькими антеннами. Например, для LTE предполагались пиковые скорости до 172,8 Мбит/с для нисходящего канала FDD MIMO 64 QAM 2×2 и до 326,4 Мбит/с для нисходящего канала FDD 64 QAM 4×4 [1]. Однако на эти теоретически достижимые скорости передачи может оказывать существенное влияние повышенная сложность реализации 2- или 4-канальных систем MIMO, по сравнению с одноантенной конфигурацией с одним входом и одним выходом (SISO). Такие конструктивные недостатки, как взаимное влияние антенн и погрешность синхронизации, могут снижать прирост производительности, полученный в результате перехода на многоантенные технологии.
Кроме того, трудность реализации многоантенных технологий может усложнить диагностику и отладку оборудования. Увеличение числа антенн и потоков данных с двух до четырех в системах 4×4 MIMO дополнительно усложняет отладку.
В статье рассказывается о влиянии перекрестных помех между антеннами, фазового шума и ошибок синхронизации на характеристики нисходящего канала MIMO. Обсуждаются методы диагностики, основанные на применении коррелированных по времени многоканальных осциллографов и программного обеспечения для векторного анализа сигналов 89600 VSA, которые помогут инженерам понять природу возникновения ошибок, влияющих на амплитуду вектора ошибки (EVM) и ВЧ-характеристики передатчика. В качестве примера использована система LTE, хотя представленные концепции применимы и к другим стандартам, например Mobile WiMAX.
Опорный сигнал LTE MIMO и EVM
LTE MIMO использует чередование известного сигнала, называемого опорным (RS), как по частоте, так и по времени в пределах всего фрейма. Это основополагающий принцип в процессе восстановления сигналов MIMO, так как чередование позволяет каждой приемной антенне получить опорный сигнал от каждого передатчика. На рис. 1 показано распределение отдельных символов опорного сигнала по поднесущим в нисходящем канале с двумя антеннами [1].
Рис. 1. Ортогональная структура опорных символов в нисходящем канале с двумя антеннами
Распределение поднесущих опорного сигнала отложено по оси Y (каждые шесть поднесущих), а чередование по времени — по оси X. Обратите внимание на то, что опорный сигнал попеременно передается антеннами 0 и 1, причем чередуется как по поднесущим, так и по времени (по символам).
Амплитуда вектора ошибки (EVM) является ключевым параметром, характеризующим ВЧ-характеристики передатчика. Сравнение EVM опорного сигнала с общей EVM позволяет оценить уровень ошибок, возникающих в оборудовании. Кроме того, этот параметр может облегчить диагностику специфических помех, таких как перекрестные помехи между антеннами, сжатие коэффициента усиления усилителя, фазовый шум и другие типы ошибок.
Приведенный ниже пример иллюстрирует применение EVM опорного сигнала и общей EVM для оценки помех, способных отрицательно повлиять на суммарную погрешность системы. Кроме того, данный пример продемонстрирует влияние ошибок синхронизации передающей антенны на ортогональность опорного сигнала и покажет, как учитывать этот эффект при интерпретации перекрестных помех, сигнальных созвездий и результатов измерения EVM.
Пример исследования — измерение ВЧ-параметров передатчика нисходящего канала MIMO
Использованная в данном примере схема измерения с четырьмя каналами MIMO показана в левой части рис. 2 и состоит из четырех генераторов сигнала произвольной формы Agilent и 4-канального осциллографа серии Infiniium 90000A. Подобные многоканальные осциллографы хорошо подходят для работы с 2- и 4-канальными системами MIMO, поскольку имеют коррелированные по времени входы, широкую полосу пропускания для измерения модулированных ВЧ-несущих и большую глубину памяти для анализа нескольких фреймов данных путем демодуляции с помощью ПО векторного анализа сигналов Agilent 89600.
Рис. 2. Схема тестирования 4-канальной системы MIMO и результаты измерения начального уровня с помощью осциллографа серии Agilent Infiniium 90000A
Результаты измерения начального уровня для 4-канальной системы MIMO с помощью ПО векторного анализа сигналов (VSA) и многоканального широкополосного осциллографа показаны в правой части рис. 2, а слева можно видеть сигнальные созвездия общего физического канала нисходящего соединения (PDSCH) 16 QAM для двух из четырех уровней пространственного мультиплексирования данных (уровни 2 и 3 не показаны). В верхней правой части окна VSA показан ВЧ-спектр, а сводная таблица ошибок приведена в нижней правой части окна VSA. Обратите внимание на то, что остаточная общая EVM (нижняя правая часть окна VSA) при измерении начального уровня не превышает 0,8%, что отражает чистые состояния сигнального созвездия, показанные для уровней 0 и 1 (левая часть окна VSA).
Для тестирования 2- или 4-канальных ПЧ-ВЧ передатчиков/преобразователей частоты в системах MIMO обычно применяются многоканальный осциллограф и ПО VSA. Поскольку у нас не было реального тестируемого устройства (DUT), мы использовали имитатор Agilent SystemVue для моделирования 4-канального ВЧ-передатчика с имитируемыми ошибками. Каждый передатчик включал полосовые ПЧ/ВЧ-фильтры, смеситель с гетеродином и усилитель мощности (УМ). Фазовый шум гетеродина определялся при отстройке частоты 10 кГц, а в усилителях мощности определялась точка сжатия усиления на 1 дБ. Моделирование перекрестных помех между антеннами на выходе передатчиков осуществлялось на основе специальной модели подсети. Затем для загрузки смоделированных IQ сигналов (с имитацией ошибок) использовали каналы четырех ESG, как показано на рис. 3.
Рис. 3. Модель ВЧ-передатчика с фазовым шумом, сжатием усиления УМ и перекрестными помехами между антеннами
После загрузки смоделированных сигналов в ESG измерение результирующего испытательного сигнала проводилось на основе схемы, представленной на рис. 1. Выводимые из ESG результирующие испытательные сигналы сгруппированы вокруг частоты 1,9 ГГц. Эти сигналы регистрируются широкополосным многоканальным осциллографом и демодулируются программой VSA, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Результаты измерения ВЧ-передатчика нисходящего канала MIMO
Обратите внимание на то, что теперь уровни 0 и 1 сигнального созвездия демонстрируют значительную дисперсию (уровни 2 и 3 демонстрируют аналогичную дисперсию, но здесь не показаны). На первый взгляд это напоминает дисперсию, связанную со сжатием коэффициента усиления или с фазовым шумом гетеродина.
Тем не менее пиковое значение EVM получилось достаточно большим (43%), поэтому для исследования результирующей общей EVM использовались спектр вектора ошибки (зависимость EVM от поднесущей) и время вектора ошибки (зависимость EVM от символа). Эти измерения выявили межсимвольные отклонения по сравнению с опорным сигналом, поэтому профиль нисходящего канала в VSA был изменен так, чтобы показывать только опорный сигнал (рис. 5).
Рис. 5. Время EVM опорного сигнала
Время EVM опорного сигнала показывает, что одна пара антенн демонстрирует худшие характеристики. (Опорный сигнал передается в последовательных временных слотах между антеннами 0/1, а затем между антеннами 2/3. Значения EVM опорного сигнала рассчитывались для всех поднесущих, а последовательные средние значения соединялись линиями.)
Для более тщательного исследования давайте рассмотрим таблицу информации MIMO, показанную на рис. 6.
Рис. 6. Таблица информации MIMO в VSA
Таблица информации MIMO весьма полезна, поскольку показывает эффекты взаимного влияния антенн:
- Строка 1: Tx1/Rx0, Tx2Rx0 и T3/Rx0, или влияние передающих антенн 1–3 на приемную антенну 0.
- Строка 2: влияние передающих антенн 0, 2 и 3 на приемную антенну 1.
- Строка 3: влияние передающих антенн 0, 1 и 3 на приемную антенну 2.
- Строка 4: влияние передающих антенн 0–2 на приемную антенну 3.
Видно, что отдельные значения EVM опорного сигнала относительно малы, даже несмотря на наличие перекрестных помех между каналами. Как обсуждалось выше и показано на рис. 1, опорные сигналы MIMO должны быть ортогональными как по времени, так и по частоте, поэтому перекрестные помехи антенн обычно не оказывают влияния на EVM опорных сигналов, в отличие от общей EVM, которая подвержена их влиянию. Тем не менее исследование временных характеристик опорных сигналов, приведенных в информационной таблице MIMO, показывает наличие ошибок синхронизации между антенными каналами в пределах примерно от 2,3 до 3 мкс (Tx1/Rx1, Tx2/Rx2, Tx3/Rx3). Это создает определенные проблемы, поскольку ошибки синхронизации, близкие или превышающие длительность циклического префикса LTE (4,69 мкс), могут привести к потере ортогональности опорных сигналов. Потеря ортогональности опорных сигналов может отрицательно сказаться на точности измерений, например на точности значений перекрестных помех, приведенных в информационной таблице MIMO, на значениях сигнального созвездия PDSCH и на результатах измерения EVM.
Давайте рассмотрим влияние ошибок синхронизации на результаты измерения перекрестных помех между антеннами. Опорные сигналы от разных передающих антенн остаются ортогональными до тех пор, пока задержка между каналами значительно меньше длительности циклического префикса. Но если это условие не соблюдается, ортогональность может нарушиться, что может восприниматься как взаимное влияние каналов. Возвращаясь к антенному порту 0 на рис. 1 можно увидеть, что присутствие сигнала на поднесущей R1 свидетельствует о наличии перекрестных помех. Ошибки синхронизации, или задержки между каналами, могут привести к появлению сигнала от предыдущего символа на поднесущей R1, что может интерпретироваться ПО VSA как взаимное влияние каналов и приводить к ложной оценке величины перекрестных помех.
Для исследования ошибок синхронизации, приведенных в информационной таблице MIMO, выполнялось измерение ошибок синхронизации между антенными каналами с помощью осциллографа, как показано на рис. 7. Ошибка синхронизации между ESG, используемым для генерации сигнала антенны 0, и ESG, используемым для генерации сигнала антенны 1, составляет примерно 2,35 мкс, что коррелируется с ошибками синхронизации опорных сигналов, приведенными в информационной таблице MIMO.
Рис. 7. Ошибка синхронизации между антенными каналами 0 и 1, полученная с помощью широкополосного многоканального осциллографа
Генераторы сигнала антенн 1, 2 и 3 запускаются от генератора сигнала антенны 0. После измерения ошибок синхронизации осциллографом задержки запуска для сигналов антенн 1–3 были подстроены так, чтобы устранить эту ошибку.
Теперь результирующая информационная таблица MIMO на рис. 8 демонстрирует ошибки синхронизации, лежащие в пределах 134 нс (всего 2,8% от длительности циклического префикса), что гарантирует ортогональность опорных сигналов. Значения перекрестных помех между антеннами отображаются корректно и отражают смоделированное взаимное влияние антенн (рис. 3).
Рис. 8. Таблица информации MIMO с исправленными ошибками синхронизации и восстановленной ортогональностью опорных сигналов
На рис. 9 показано, что результат измерения общей EVM равен теперь 4,1%. Это значительно меньше прежнего значения 12,5%, полученного в условиях нарушения ортогональности опорных сигналов.
Рис. 9. Результат измерения общей EVM с исправленными ошибками синхронизации и восстановленной ортогональностью опорных сигналов
В [1, табл. 6.6-3] приведена схема для диагностики искажений сигналов нескольких передатчиков, а в разделе 6.6.2.8 обсуждаются ошибки синхронизации сигнала антенны.
Инженер-системотехник может сравнить результаты измерения EVM опорных сигналов с общей EVM и определить вклад разных типов ошибок в общее значение EVM передатчика. Например, перекрестные помехи антенн могут не влиять на значение EVM опорных сигналов, но могут влиять на общую EVM [2]. Однако другие искажения сигнала ВЧ-передатчиков, такие как фазовый шум или сжатие усиления УМ, могут отрицательно сказываться как на EVM опорных сигналов, так и на общей EVM.
Заключение
Измерение характеристик 4-канальной системы MIMO порождает множество проблем и существенно затрудняет диагностику и отладку. В статье исследуются ошибки синхронизации сигнала передающей антенны, которые оказывают влияние на ортогональность опорного сигнала (RS) LTE MIMO и тем самым влияют на результаты измерения таких параметров, как перекрестные помехи антенн, сигнальное созвездие и EVM. Многоканальные широкополосные осциллографы очень удобны для измерения 2- и 4-канальных систем MIMO, а также помогают диагностировать потенциальные ошибки синхронизации между каналами передающих антенн. Применение ПО VSA с широкополосным многоканальным осциллографом позволяет измерять и анализировать сигналы MIMO с различных позиций: во временной, частотной и модуляционной областях. Это позволяет диагностировать и выявлять проблемы, связанные с оборудованием. Сравнение EVM опорных сигналов с общей EVM помогает оценить вклад разных типов ошибок (например, фазового шума, взаимовлияния антенн, сжатия усиления УМ) в общее значение EVM ВЧ-передатчика.