Решение основных проблем тестирования многоантенных передающих систем с формированием диаграммы направленности

Сейчас много говорят о технологиях 5G и «Интернете вещей» (IoT) и о том, как они загрузят существующую инфраструктуру. Однако в настоящее время стандарт 5G находится в стадии разработки, и от коммерческой реализации его отделяет не один год. Сегодня основным направлением развития становятся сотовые сети LTE 4G, а очередным этапом реализации будут стандарты следующего поколения, в частности LTE-Advanced. В сотовых сетях LTE-A и в беспроводных сетях, таких как 802.11n и 802.11ac, для повышения скорости обмена данными, емкости и качества обслуживания можно использовать многоантенные технологии. И хотя рост числа антенн дает значительные улучшения для конечного пользователя, проверка подобных систем существенно усложняется. В данной статье сделан краткий обзор многоантенных технологий, описаны важные измерения, необходимые для проверки многоантенных систем, и основные проблемы, которые при этом возникают.

Многоантенные системы, используемые в сотовой связи и беспроводных сетях

Многоантенные системы находят применение в разных областях. В сотовой связи и беспроводных сетях (WLAN) многоантенные системы предназначены для повышения пиковой скорости передачи данных и емкости системы, а также для улучшения качества обслуживания. Как этого удается достичь?

В сотовых сетях и WLAN многоантенные технологии, такие как разнесение антенн, пространственное мультиплексирование MIMO (несколько входов, несколько выходов), формирование диаграммы направленности и многопользовательская MIMO (MU-MIMO), предполагают использование нескольких антенн для передачи и/или приема данных, что теоретически поднимает пиковую скорость до 1 Гбит/с в нисходящем канале LTE-A и до 6,93 Гбит/с в системах 802.11ac. Дальнейшее совершенствование LTE-A, 802.11ac и даже 5G позволит внедрить схемы модуляции более высоких порядков, многоантенные технологии повышенной плотности и более широкие полосы передачи.

За счет объединения нескольких компонентных несущих (CC) в сотовых сетях общая полоса передачи увеличивается до 100 МГц (агрегация несущих). Когда компонентные несущие расположены в разных частотных диапазонах (что называется междиапазонной агрегацией несущих), для передачи данных в каждом диапазоне предусмотрены разные антенны. 3GPP версии 12 позволяет комбинировать компонентные несущие из трех частотных диапазонов.

Расширенные многоантенные технологии

На рис. 1 представлен краткий обзор многоантенных технологий, используемых в сотовой связи и в системах WLAN.

Рис. 1. Обзор многоантенных технологий

В технологии нескольких сигнальных трактов применяется несколько передающих или приемных антенн для повышения устойчивости сигнала к помехам и способности приемника корректно принимать передаваемые данные. Технология многоантенной передачи предусматривает наличие нескольких передатчиков с одним приемником (MISO), а технология многоантенного приема — нескольких приемных антенн и одного передатчика (SIMO). Эти технологии предназначены для повышения качества сигнала в условиях затухания и многолучевого распространения.

Пространственным мультиплексированием называется технология MIMO, улучшающая спектральную эффективность и повышающая скорость передачи данных для одного пользователя или системную емкость для нескольких пользователей. В технологии MIMO существует два или несколько каналов приема и передачи, включая несколько антенн приемника и передатчика. Разные порции пользовательских данных передаются одновременно на несколько приемников. MU-MIMO позволяет одновременно отправлять информацию нескольким пользователям за счет пространственного распределения передачи в общем частотном спектре для связи с несколькими устройствами.

Технология формирования диаграммы направленности использует несколько антенн, излучающих со смещением по фазе и амплитуде для обеспечения направленной передачи ВЧ-сигнала. Один и тот же сигнал передается с двух и более пространственно разнесенных антенн одновременно. Конструктивно реализованное синфазное суммирование сигналов приводит к когерентному росту мощности сигнала в приемнике. Формирование диаграммы направленности действует подобно технологии разнесения, в смысле повышения помехоустойчивости и улучшения отношения сигнал/шум в приемнике, одновременно минимизируя помехи от других устройств системы. Это очень привлекательно для современных систем радиосвязи, поскольку сочетает преимущества селективности луча, подавления помех и когерентного усиления сигнала.

Проблемы тестирования многоантенных систем

Проверить многоантенную систему весьма непросто. Разработчики должны учитывать действие нескольких трактов приема и передачи, а также взаимное влияние каналов измерительных систем. Формирование диаграммы направленности дополнительно усложняет эти тесты, обычно добавляя требование когерентности измерительных систем для повышения точности соотношения амплитуд и фаз сигналов, генерируемых и измеряемых в разных каналах. Основные проблемы измерения включают:

• усложнение схемы измерения для MIMO высоких порядков, в том числе системы с формированием диаграммы направленности;
• необходимость измерений на антенне для проверки и визуализации ВЧ-характерис-тик многоантенной системы;
• стоимость многоантенной измерительной системы и занимаемое ею место.

Построение когерентных многоканальных измерительных систем

Одним из ключевых элементов многоканальной измерительной системы являются когерентные каналы. Два сигнала называются когерентными, если сдвиг фазы между ними не меняется во времени:

где ρ — когерентность; E — оператор математического ожидания; µ — среднее значение; s — стандартное отклонение; s_XY — смешанный момент второго порядка сигнала X и сигнала Y; X — сигнал X; Y — сигнал Y.

ρ = 1 соответствует полной когерентности;

0 < ρ < 1 соответствует частичной когерентности;

ρ = 0 соответствует отсутствию когерентности.

Существует несколько уровней синхронизации, которые нужно соблюсти для получения полностью когерентной системы:

• синхронизация тактовых частот;
• межканальная синхронизация времени и фазы.

Эта задача может показаться простой, но на самом деле она весьма сложна. Для построения синхронных многоканальных систем идеально подходят модульные платформы PXI благодаря их масштабируемости, размеру и точной синхронизации. Сигналы можно синхронизировать по времени с помощью опорного сигнала синхронизации. Как показано на рис. 2, для синхронизации и одновременного запуска всех операций используется тактовая частота объединительной платы PXI 10 МГц. Синхронная тактовая частота гарантирует, что воспроизведение или захват сигналов будет начинаться одновременно. Общая опорная тактовая частота обеспечивает некоторый уровень синхронизации, но не синхронизирует фазу.

Рис. 2. Тактовая частота 10 МГц, обеспечивающая синхронизацию через объединительную плату PXI

Для того чтобы быть синхронными по фазе, сигналы должны иметь постоянный сдвиг фазы во все моменты времени, в этом случае их статистическая взаимосвязь описывается когерентностью. Для выполнения когерентных измерений можно использовать один общий гетеродин для всех каналов источника или анализатора, так чтобы все каналы имели одни и те же фазовые характеристики. На рис. 3 стабильная фаза обеспечивается одним ведущим синтезатором.

Рис. 3. Многоканальные когерентные источники с общим синтезатором

В этом примере синтезатор, установленный в векторном генераторе сигналов Keysight M9381A PXI, содержит четыре гетеродина, которые можно использовать с четырьмя разными модуляторами векторного генератора сигналов для достижения фазовой синхронизации. Если число каналов превышает 4, то предпочтительна распределительная сеть сигнала гетеродина для усиления и передачи общего сигнала гетеродина на несколько шасси.

Калибровка когерентной системы

Смещение сигнала каналов по фазе и амплитуде может сильно повлиять на характеристики многоканальной системы. Без калибровки сигналы формирования диаграммы направленности искажаются, и результаты измерения становятся недостоверными. Даже если использован общий гетеродин, между каналами прибора может быть некий постоянный сдвиг фазы. Кроме того, существует регулярная погрешность фазы и амплитуды, порожденная кабелями, разъемами и системами обработки сигнала. Компенсация этих регулярных погрешностей гарантирует, что любые измеренные отличия вызваны исследуемым устройством, а не контрольно-измерительным оборудованием.

Распространенная методика калибровки традиционных многоканальных источников предусматривает использование многоканального осциллографа для измерения межканальных характеристик генерирующей системы (рис. 4). Обычно калибровка выполняется вручную в несколько этапов, что позволяет рассчитать межканальную задержку на разных частотах, однако требует много времени и больших затрат.

Рис. 4. Технология калибровки многоканальной когерентной системы

Новый, альтернативный метод заключается в выполнении межканальной калибровки с помощью патентованной автоматической процедуры, разработанной компанией Keysight. Для извлечения данных сигнала и расчета временных и фазовых сдвигов между каналами предназначен один анализатор сигналов. В этом случае в каждом источнике воспроизводится известный опорный сигнал, который поступает на 4‑канальный пассивный сумматор. Суммарный сигнал подается на один анализатор сигналов. Автоматическая процедура рассчитывает и сохраняет поправки, после чего их можно использовать в процессе многоканальной генерации сигналов. Для этого метода достаточно одного анализатора, а автоматическая процедура упрощает и ускоряет измерения и сокращает затраты.

Подобная автоматическая процедура эффективна для коррекции многоканальной системы анализа сигналов, как показано на рис. 4.

Проверка конструкции ВЧ-антенн

После построения истинно когерентной системы можно сосредоточиться на наиболее важных измерениях, требующихся для проверки конструкции ВЧ-антенн.

Восстановление MIMO в процессе тестирования многоантенной системы передачи включает выделение нескольких составляющих сигнала в присутствии шума и помех. Далее приведены ключевые измерения, необходимые для проверки конструкции ВЧ-антенн. Полезно начать с анализа ВЧ-сигналов всех антенных элементов и определения мощности основных гармоник и временных искажений. Затем нужно рассмотреть результаты демодуляции, включая сигнальные созвездия IQ, значения EVM, обнаруженные выделенные ресурсы, весовые коэффициенты и искажения сигнала RS для абонентского оборудования и базовых станций, а также диаграммы направленности антенн абонентского оборудования и широковещательных станций. Много-канальная система векторного анализа сигналов с прецизионной синхронизацией времени и фазы позволяет анализировать многоэлементные антенные системы, в том числе измерять межканальные характеристики и суммарную EVM.

Основной целью тестирования приемника является измерение его характеристик в целом. На характеристики приемника влияют многие факторы, и эта проблема может быть особенно острой, если в тестах MIMO участвует несколько приемников. Часто бывает необходимо смоделировать передающую систему MIMO. Многоканальная система векторной генерации сигналов способна имитировать сложные сигналы MIMO и сигналы формирования диаграммы направленности с несколькими несущими в конфигурации до 88 MIMO. Если 88 MIMO сочетается с междиапазонной агрегацией несущих, то может понадобиться до 16 синхронизированных генераторов сигналов. После создания среды для имитации многоканальных синхронных сигналов выполняют стандартные измерения параметров каждого приемника отдельно и в составе MIMO.

Проверка конструкции ВЧ-антенны:

• измерение ВЧ-характеристик до восьми антенных элементов, включая занимаемую полосу частот, маску излучаемого спектра, мощность, паразитные составляющие, относительный уровень мощности в соседнем канале;
• измерение перекрестных помех/развязки, погрешности синхронизации (TAE);
• измерение параметров демодуляции для проверки сигнальных созвездий IQ и качества модуляции с помощью EVM;
• проверка правильности алгоритма расчета весовых коэффициентов для формирования диаграммы направленности в диапазоне модулирующего сигнала;
• диаграмма направленности при заданной RS-мощности базовой станции, EVM, синхронизации, фазе, символьной частоте, погрешности частоты;
• коэффициент усиления при диаграммо-образовании (рис. 5).

Рис. 5. Пример модульной системы 4×4 с когерентной генерацией и анализом сигналов для проверки многоантенных систем

Заключение

С развитием стандартов радиосвязи широкое распространение получают многоантенные системы, использующие MIMO и формирование диаграммы направленности, что строго регламентирует проверку конструкции данных систем. Новые стандарты 5G будут включать еще более жесткие условия, в том числе частоты миллиметрового диапазона до 80 ГГц, более широкие полосы передачи до 3 ГГц, схемы модуляции более высокого порядка и большее число антенн для реализации таких технологий, как MIMO с высоким числом каналов. Это предъявит еще более жесткие требования к контрольно-измерительным системам и предопределит использование широкополосных, многоканальных, когерентных методов тестирования. И хотя настройка многоканальных когерентных измерительных систем всегда была очень сложной задачей, современные модульные приборы с функцией когерентности обеспечивают нужный уровень синхронизации, плотности каналов и масштабируемости для решения будущих задач и предоставляют инженерам инструменты для более глубокого и быстрого анализа разрабатываемых устройств.