使用多通道宽带示波器进行MIMO射频测试和调试

作者： GregJue　安捷伦科技公司

多输入多输出(MIMO)技术通过使用多个天线传输两路或四路数据流，为单个用户数据传输速率的提升提供了可能性。例如，此前有介绍LTE 的文章曾指出，64 QAM 2x2下行链路FDD MIMO和64 QAM 4x4下行链路FDD MIMO可分别提供高达172.8Mbps和326.4Mbps的峰值数据速率。但是，与单输入单输出(SISO)单个天线相比，实现双通道或四通道MIMO将会增加复杂性，从而影响可能达到的峰值数据速率，而且硬件设计和实施方面的不利影响(例如天线串扰和定时误差)有可能降低多天线技术可能带来的性能增益。

另外，多天线技术的实现过于复杂，使得对硬件性能问题进行故障诊断和调试颇具难度；增加天线和数据流数量(从2x2 MIMO增加到4x4 MIMO)将进一步增加调试的复杂程度。

本文主要讨论天线串扰损害、相位噪声和定时误差对MIMO下行链路系统性能的影响，以及采用了时间相干多通道示波器和89600矢量信号分析仪(VSA)软件的故障诊断技术，希望能够帮助工程师深入了解误差机制对硬件误差矢量幅度(EVM)性能和系统级射频发射机性能的影响。本文将以LTE作为研究对象，其概念也可应用到其他信号格式中，例如 Mobile WiMAX。

LTE MIMO参考信号和EVM

LTE MIMO交叉生成一个贯穿频域和时域的已知信号，称为参考信号(RS)。该信号是恢复MIMO 信号的基础，因为它允许每个接收天线针对各个发射机建立一个信号参考。图1显示了如何将参考信号的各个符号分配到两个天线下行链路信号的子载波中。

如图所示，y轴表示参考信号的子载波分配(每六个子载波)，x轴表示时间交叉。注意，从占用子载波和时间(符号)两方面查看天线0和天线1之间参考信号的变化。

图 1――两个天线的下行链路参考符码的正交结构

误差矢量幅度(EVM)是描述射频发射机性能的重要系统指标。通过对RS EVM和复合EVM 进行比较，不仅可以帮助工程师深入了解发射机硬件设计减损，还能够帮助诊断天线串扰、放大器增益压缩失真、相位噪声和其他误差机制等特定减损。

下面的案例将阐明如何利用RS EVM和复合EVM 来深入了解可能会影响系统性能误差的减损类型。该案例还将重点研究发射天线定时误差对参考信号正交性的影响，并在解释天线串扰、星座图和EVM测量结果时，说明如何考虑这种影响。

案例研究——MIMO下行链路射频发射机测量

本案例研究中使用的四通道 MIMO 测试设置如图 2 左侧所示，它是由四个带有任意波形发生器的安捷伦信号发生器和一个安捷伦四通道Infiniium 90000A系列示波器组成。如下所示，多通道示波器非常适合双通道和四通道 的MIMO 测量，因为它们提供时间相干多通道输入、可测量射频调制载波的宽带宽，以及更深层的存储器来分析多个数据帧，数据帧可通过 Agilent 89600 矢量信号分析(VSA)软件进行解调。

使用VSA软件和多通道宽带示波器进行基线四通道MIMO测量的结果如图2右侧所示。图2左侧显示了两层(共四层)空间多路复用数据的16 QAM 物理下行链路共享通道(PDSCH)星座图(此处没有显示第2和第3层)。VSA显视屏的右上方显示了射频频谱图，VSA显视屏的右下方显示了误差汇总表。注意，基线测试案例的剩余复合EVM(VSA 显示屏右下方)小于 0.8%，说明0层和1层的星座图状态很清晰(VSA 显示屏的左侧)。

图 2――使用 Agilent Infiniium 90000A 系列示波器进行四通道 MIMO 测试设置和基线测量的结果

多通道示波器和 VSA 软件通常被用于两通道或四通道中频－射频发射机/上变频器硬件被测装置(DUT)，以进行MIMO测试。由于DUT不适于测试，因此需要使用 Agilent SystemVue仿真器建模具有仿真设计减损的四通道射频发射机。每个发射机均由中频/射频带通滤波器、LO 混频器和功率放大器(PA)组成。功率放大器指定了10kHz频率偏置时的LO相位噪声以及1dB增益压缩点。发射机的输出端使用了定制模型子网，对天线串扰进行建模，然后使用ESG接收机将仿真的IQ波形(包含仿真的设计减损)下载到四个ESG中，如图3所示。

图 3――包括相位噪声、PA 增益压缩和天线串扰减损的仿真射频发射机设计

将仿真波形下载至ESG之后，按照图1所示的测试设置测量生成的测试信号。ESG输出的生成测试信号以1.9GHz为中心。如图4所示，这些信号由宽带多通道示波器捕获并通过VSA软件进行解调。

图 4――下行链路射频发射机 MIMO 结果

注意，0层和1层星座图现在显示出严重的色散(第2层和第3层也显示出相似的色散，但图中没有显示)。乍一看，这与放大器增益压缩失真或LO相位噪声导致的色散十分相似。

然而，EVM峰值较高(43%)，所以需要对误差矢量频谱(EVM vs. 子载波)和误差矢量时间(EVM vs. 符号)进行评测，以得出复合EVM结果。这揭示了参考信号的符号间变化，因此将 VSA 上的下行链路文件修改为只显示参考信号，如图5所示。