持续改进的可对 MIMO 和波束控制表征的校准技术

[{"insert":"序言 \n网络运营商一直在宣传他们可以提供最快的数据速率和最佳的覆盖范围。但是当高清视频流等用例在您的日常生活中已变得司空见惯时，他们如何证实自己兑现了承诺？ \n不断演进的 4G 技术正在推动着网络功能不断发展。为了应对最终用户对更多数据密集型和带宽密集型任务的需求，通信行业已经开始着手研发 5G 技术。 \n网络要满足用户对庞大数据量的需求，其天线设计的演进是一个关键因素。多天线阵列技术正在快速演进，使用 MIMO 和高阶 MIMO 成为满足这些新用户要求的不可或缺的功能。为了迎合需求，网络设备制造商（NEM）正在开发使用波束赋形的 8x8 MIMO 解决方案，甚至是 16x16 MIMO 配置的解决方案，但这些解决方案尚未列入 3GPP 标准。 \nMIMO 和相控阵技术可以为网络提供增强功能，通过路径分集、空间多路复用和波控/波束赋形等技术实现更高的数据吞吐量和高数据完整性。 \n路径分集通过消除信道中的本地衰落，保证了数据的稳健性。空间复用可以为单个用户提供更高的吞吐量，或为多个用户提供更高容量。波束控制或波束赋形技术能够为特定用户提供一个高度定向的传输波束，显著提高信号强度和 SINR。 \n本白皮书重点讲解了多信道测试接收机所需要的校准方法，以确保其能够高效表征和显示下一代通信发射机设计的 MIMO 和波束赋形性能。\n \n测试系统在进行多天线表征时的考虑因素 \n波束赋形并不是一项新技术，它已问世数十年之久，目前广泛应用于雷达、地震学和声学等领域。在无线通信领域，通过在阵列中的不同元件之间应用相位和幅度偏置，可以产生空间选择性，从而实现定向传输。通过加入有益的信号（即相位、相干）信号，并消除有害（即超出相位）的信号，可以提供良好的空间选择性和方向性。 \n波束控制技术的实施方法是，调整每个天线单元的相对相位，并对发射波形施加有益和有害干扰以形成预期的波束方向图。同样地，MIMO 和波束赋形为多信道发射机实施设定了严格的要求。每个天线元件上的信号需要是： \n– 相位相干 \n– 已知幅度 \n– 已知相位 \n– 时序一致 \n在这些开始条件下，MIMO 信号可以预计将会向预定接收机方向发送。 \n在测试设备的测量信道之间，幅度和相位发生任何改变，均可能显著影响测试系统的多信道测量性能。如果不进行校准，测量结果将会有极大的不确定度，这让工程师很难确定并解决潜在问题。即使是电缆长度或任何测试系统中的连接完整性存在细小差异，也会造成额外的时延或相移，这会改变信道间的激励信号的相位关系，并影响测量结果。 \n因此，在表征天线设计之前，您必须先表征测试系统。 \n最后，对于测试系统的所有测量信道，其目标都是与被测器件（DUT）的幅度、相位和时间保持一致，以便只测量感兴趣的被测器件信号，而不是测量测试设备中各信道之间的变化，或是这些测试配置中通常使用的各种夹具。 \n只是购买测量设备并不足以保证精确而可重复的测量性能。系统开发人员将会意识到，要想表征设计，首先需要表征测量系统。对于具有大量信道、复杂连通性和苛刻测量容限的多信道应用，这很快就会成为一个复杂的专家任务。测试系统的设计和验证可能需要花费数月时间，这会减慢表征发射机的射频和波形赋形性能这一实际任务的速度。\n \n图 1 是一个仿真 8x8 相控阵天线波束赋形输出的示例，在这个示例中，执行测量和生成波束图所使用的测试设备和夹具未进行过任何用户校准。当您应用发射信号时，可以看到未经校正的发射信号已经使各个主瓣彼此之间发生变形，SINR 和空间效率显著降低。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/77efdc2a5756a04f.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 1. 使用未经校准的测量系统获得的 8X8 相控阵天线 3D 波束图。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"问题：您如何知道这些畸形波束展示的是真实天线性能，还是与未校准的测量系统进行交互之后的结果？\n \n在图 2 中，测试设备经过表征，并且应用了测量接收机路径信道间优化，发射的波束方向图现在符合预期，全部 64 个信道的相位保持一致，像设计的那样为每个波瓣都提供了更加统一和符合期望的波束方向图。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/479656bf2f0c4a49.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 2. 使用经过校准的测量系统的 8X8 相控阵天线 3D 波束图。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"测量接收机校准的第一步是执行单信道校准，表征主信道在指定工作频段上预期带宽内的幅度和载波相位平坦度。 \n测量接收机校准的下一步是跨越正在使用的其他信道，执行跨信道校准。这是表征每个信道相对于选定主信道的幅度、相位和时延。 \n一旦您构建了自己的测量系统，那么如何执行这些要求的校准，又如何处理这些结果呢？\n \n单信道接收机校准 \n为了校准多信道接收机的参考信道或主信道，我们必须使用一个参考信号源为测量接收机提供激励信号。 \n不过，要想校准频率高达 6 GHz、带宽仅有 160 MHz 的多信道接收机的主信道（这是开发 LTE 和 LTE-Advanced 技术天线的典型设置），通常不需要这个步骤。 \n对于高品质测量接收机的整个带宽而言，160 MHz 带宽是一个较窄的线性区域，它有望提供适当平坦的幅度和相位平坦度响应。如果您不知道测量接收机在这个相对较窄的带宽上的质量，您可以使用多信道校准工具来控制窄带信号源和接收机执行这个校准步骤。 \n为了在接收机 6 GHz 至 40 GHz 的频率范围和高达 1 GHz 的测量带宽内对主信道执行校准，我们需要使用 Keysight U9391F 梳状发生器作为我们的参考信号源。梳状发生器能够以射频输入信号的整数倍生成频率谐波，并能在很宽带宽上为梳状信号提供优异的幅度和相位平坦度，使您可以将在射频、微波和毫米波频率所生成的宽带信号的幅度和相位变得平坦。 \n这个多信道校准工具可以跨越预期的测试频段扫描信号源和接收机硬件，并使用Keysight 89600 VSA 软件来测量接收机每个信道的中频响应。 \n这个多信道校准工具随后计算所需要的优化系数，以便补偿接收机主信道的非平坦中频响应，并使出现的多余相位和幅度变化变平坦。 \n一旦计算出这些优化系数，校准工具便能创建一个优化文件，并利用 Keysight 89600 VSA 软件功能来为这个信道应用用户自定义的均衡滤波器。当使用 89600 VSA 软件在这个信道中测量表征您的相控阵天线设计时，假设在被测器件处执行了参考面校准，接收机响应已经获得补偿，并不再作为测量结果的一部分。\n \n跨信道接收机校准 \n一旦您的接收机参考/主信道经过校准，由于接收机信道的测量路径中有必要的夹具和连通性，或是所有测量接收机目前都存在着信道间变化（例如本振相位噪声或电气路径变化），您需要表征主信道与其他每个接收机信道之间的变化。 \n这个跨信道校准需要一个能够提供宽带宽的激励源。是德科技接收机校准工具控制着一个精密型任意波形发生器（AWG）和 E8267D 高性能信号发生器（PSG）组合作为激励源。 \n在跨信道校准过程中，必要的信号源硬件和接收机与 89600 VSA 软件保持同步，多信道校准工具会控制该信号源和接收机自动测量这个信道在整个频段上相对于主信道的时延、相位和幅度变化。 \n通过功率分配器，源信号可以同时传输至主信道和另一个接收机信道。89600 VSA 软件随后会测量并比较这两个信道。一旦连接了一个信道并将其与主参考信道一起进行测量，多信道校准工具可以提示用户将下一个信道连接至功率分配器，以便执行接下来的跨信道测量。直至所有信道均经过测量，这一步方可结束。在这个过程中，主信道始终连接至功率分配器的同一信道。 \n您也可以手动完成连接步骤。取决于您需要连接的信道数量，这可能需要花费大量的时间，尤其是每个连接都必须紧固至指定的扭矩，并进行测量，然后断开等。多信道相控阵天线设计性能非常依赖于相位和幅度的稳定度和精度，因此在这个阶段必须对接收机路径中的所有连接倍加小心。 \n一旦对测量系统中存在的各种变化进行了表征，这个多信道校准工具便可以计算出恰当的信道优化值，并将其作为 89600 VSA 软件中用户自定义的固定均衡滤波器。 \n通过充分利用开关矩阵和某些射频组合硬件，再加上 Keysight 89600 VSA 软件的功能，您可以将高达 64 个不同的射频信道多路复用到一个 8 信道测量接收机中。注意，接收机优化的整体质量高低，由测量系统硬件配置中使用的功率分配器和开关矩阵的质量决定。在进行这些测量时，所有的外部夹具和信号调理器件应安装到位，以便您能在被测器件的输入端和输出端快速、高效的创建这个校准面。 \n我们推荐在该应用中使用Keysight 11636x 系列功率分配器，因为其具有出色的相位跟踪性能（±2°）和非常宽的频率覆盖范围。\n \n接收机校准工具 \n如图 3 所示，这个多信道校准工具使用了一个基于引导式用户界面的向导程序，它会实现自动化和引导您完成测量接收机单信道和跨信道校准所需要的校准过程。 \n这个工具引导您建立信道间连接；然后控制并设置测量系统进行所需的测量，再计算测量接收机每个信道所需要的优化。该工具还能够载入功率分配器适用的损耗文件并在跨信道校准中使用，不过在实际器件测量中，它随后会被移除。 \n多信道校准工具使您能够为多个频段测量和创建优化文件，当您设置测量系统在不同的测量频段进行测试时，您可以使用本工具加载此前创建的补偿文件。 \n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/90532db19df08e40.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 3. 是德科技多信道宽带接收机校准工具"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"多信道测试解决方案配置示例\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/8f405869f82da9da.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/2dbc634eee4adf6a.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/d09b32a2fb688cf7.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 4. 是德科技多信道测量系统示例"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 4 是一个 8 信道 MIMO 测量解决方案实例――S5020A，支持4G频段，同时也能够支持最高频率达到 40GHz 的 5G 频段。(提示：只有 5G 频段会达到 40GHz)。该解决方案包括窄带和宽带应用软件，以及用于校准测量系统的单信道和跨信道校准信号源器件，如夹具和附件。 \n该解决方案包括宽带校准工具和 89600 VSA 软件。以上示例中的这个 8 信道系统可以通过加入开关矩阵、额外的系统夹具和线缆以及 89600 VSA 软件，改造成一个支持 64信道的 FD-MIMO 测量解决方案。 \n不过，您必须意识到这些额外的系统部件可能会增加额外的系统损耗，使得测量系统超出其大部分线性工作区域。在这些情况下，接收机输入端可能需要加入某些前置放大器（例如 Keysight U7228F USB 前置放大器，2 至 50 GHz），用以改善本底噪声和动态范围。\n \n多信道 MIMO 波束赋形测试 \n89600 VSA 应用软件仅使用一个 8 信道接收机便能支持高达 64 信道的 LTE-Advanced FD-MIMO 波束赋形应用。 \n您可以按照 89600 VSA 软件所使用的 3GPP 附属 LCS（3GPP Adherent LCS）坐标系统，全面表征完全的 3D 辐射波束方向图。89600 VSA 软件包括标准解调测量（例如 EVM），以及用于 ACLR 和 SEM 测量的游标和极限线等功能。在方位面和垂直面的 2D 测量分析可确保您的相控阵天线方向图波束图与模型一样。 \n图 5 所示的 3D 波束方向图只是以 LTE/LTE-Advanced 信号为基础。8x8 相控阵天线的波束方向图同时包括主广播波束和用户设备（UE）波束。89600 VSA 软件能够测量并显示基于 PRB 的波束偏斜，并按照每 UE/PRB/TTI 显示，同时包括水平和垂直波束方向图。 \n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/92147df5da5df7e6.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 5. 89600 VSA 软件显示全维度的 LTE 波束图"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" \n89600 LTE-Advanced VSA 软件使您能够验证相控阵天线和波控算法正常运行。\n \n总结 \n空间多路复用和波束赋形应用要求测试设备的各个信道经过严格校准，以实现精确测试。是德科技提供了测量级的宽带多信道信号源和分析仪解决方案，以便对天线设计进行全方位测试。为这个系统增加是德科技多信道校准工具和 89600 VSA 软件功能，可以优化所需的校准方法，加速执行精确而可重复的测试系统表征，从而让系统发挥独特的价值。 \n您可以专注于测量多信道阵列的真实性能，快速完成验证，并对达到或超过基站设计目标充满信心。\n \n——转自是德科技"},{"attributes":{"align":"right"},"insert":"\n"},{"insert":"\n"}]