VSA結合VSG　WiMAX偵錯更上層樓

2009-05-15

張俊傑

在WiMAX營運商陸續開台之下，也讓終端用戶享有前所未有的體驗，畢竟目前的3G資料傳輸服務仍然不及WiMAX，而內建WiMAX的筆記型電腦也已經陸續問世，隨著WiMAX的應用逐漸多元化，WiMAX用戶也逐漸增加中。

WiMAX論壇(WiMAX Forum)以IEEE 802.16標準來制定出WiMAX的相容及互通性規範，這也就是熟知的無線都會接取網路(WirelessMAN)。除了纜線網路及數位用戶迴路(DSL)網路外，WiMAX提供了寬頻網路最後一哩的無線接續骨幹，取代了現有的有線網路，提供了真正無線寬頻單點對單點及單點對多點的網路連線，而不須要與基地台以直視性(Line-of-sight)進行訊號收發。

WiMAX成長之勢依舊

WiMAX分為兩種不同應用規範：一種是依據IEEE 802.16-2004標準的無線都會網路正交分頻多工實體層(WirelessMAN-OFDM PHY)的通訊架構；另一種是依據IEEE 802.16e-2005修改標準的無線都會網路正交分頻多重存取(OFDMA)實體層(WirelessMAN-OFDMA PHY)的通訊架構。同時WiMAX也定義了無線電一致性測試(RCT)規範，包含了詳細的實體層一致性的測試需求，所有WiMAX產品也應經WiMAX論壇認可的實驗室測試通過。

就市場的角度而言，部分業者認為WiMAX的前景仍是一片光明，畢竟WiMAX的技術演進仍比LTE成熟，而景氣低迷也延緩了LTE的技術發展。

要滿足用戶期待最大的影響因素還是在於產品的成本，在市場推展的壓力下，WiMAX模組的價格也期待能壓縮至與無線區域網路(WiFi)模組的價格相近，不僅晶片廠商面對價格壓力，系統生產廠商也對於如何降低產品的生產成本與測試成本而不斷精進。

WiMAX結構適合高速應用

固定及行動式WiMAX都是使用OFDM作為實體層的調變方式，以OFDM的技術，通道占用頻寬將被切割為大量且緊密相鄰的次載波(圖1)。

圖1　OFDM符碼架構

這些次載波可單獨以BPSK，QPSK，16-QAM或64-QAM方式調變，比起傳統的單載波調變，OFDM有較長的字符(Symbol)，因此有較低的字符率(Symbol Rate)，而資料則在相似的頻譜效能下同時透過所有的OFDM次載波來傳遞。

就時域軸而言，OFDM封包資料區(Data Payload)因含循環字首(Cyclic Prefix)而展延。在行動式WiMAX的循環字首是封包資料區的八分之一，這循環字首可保護封包資料區不因多路徑反射干擾而影響，比起傳統調變而言，這是OFDM關鍵的優點。另外，OFDM可以較簡單的通道等化器(Equalizer)設計，因為多路徑通道對於很窄的次載波頻寬而言可視為近似平坦的，而等化器可以簡單的線性代數式運算即可。

在固定及行動式WiMAX的訊框(Frame)，可分為下行鏈路次訊框及上行鏈路次訊框，這些訊框使用配置在用戶站(Subscriber Station, SS)與基地台(Base Station, BS)登錄時便被指定。這些訊框使用配置是隨著不同的訊框都可能會不一樣的，而這些配置則存在於下行鏈路次訊框的前端。

行動式WiMAX則增加了OFDMA的調變方式，以OFDMA方式在一個字符的不同次載波是可以分配給不同的用戶站，這樣的分配是將實際的次通道(Physical Sub-channel)依照某種複雜的對應方法而規畫為不同的邏輯次通道(Logical Sub-channel)，以邏輯次通道分配給不同的用戶站，這些可用的對應模式包含PUSC、FUSC及AMC(圖2)。

圖2　行動WiMAX訊框

固定式WiMAX是採用256點(256-bin)FFT，其中200點是用於資料(Data)次載波以及領航(Pilot)次載波，通道頻寬會隨著次載波頻率間隔(Frequency Spacing)改變而變。相對的，行動式WiMAX的次載波頻率間隔是固定的，而通道頻寬則隨著改變FFT點數以及可用次載波數目而改變，因此稱行動式WiMAX是可延展的OFDMA。固定的次載波間隔及字符長度也簡化了用戶站的設計。

WiMAX論壇透過系統模型(System Profile)、認證模型(Certification Profile)以及論壇認可的設備認證程序，以達到WiMAX模組的資訊可互通性。系統模型規定了WiMAX模組必須具備的特點，這些在IEEE規範中描述了更多必要性及選擇性的特點。認證模型則定義了設備族群(Equipment Class)，一般包含射頻工作頻段、分時或分頻雙工模式及通道頻寬。

此外，WiMAX也支援各種不同的智慧型天線技術，Release 1系統模型需要用戶站支援下行鏈路兩個資料串流及空間多工，以及兩個用戶上行鏈路協同空間多工(Uplink Collaborative Spatial Multiplexing)。意味著至少有一根發射天線及兩根接收天線，而兩用戶上行鏈路協同空間多工是2×2的系統且需要兩個用戶站分別發射一個資料串流。

元件設計及測試難度提升

由於WiMAX的先進技術及特點，也使得元件開發設計及製造生產遇到更多的挑戰，特別是在射頻電路的設計方面。最主要原因之ㄧ是OFDM的次載波緊密相鄰，導致對於本地振盪器引起的載波頻率偏移以及相位雜訊特別敏感，相位雜訊會造成載波間干擾(ICI)而降低了系統效能。在行動WiMAX的系統設計上，由於行動用戶站與基地台的相對運動造成的都普勒(Doppler)效應使得載波頻率偏移相對受到更多重視。

WiMAX設計的挑戰還有需要較大的發射功率且較嚴格的頻譜遮罩，發射訊號的誤差向量幅度(EVM)標準也更高。WiMAX在輸出功率的控制範圍至少要求30dB。

為達低成本且高效率的數位調變功能，一般常使用零中頻(Zero IF)或低中頻(Low IF)I-Q調變架構。此架構對印刷電路板(PCB)的類比電路走線布局及零件特性誤差較敏感，I-Q訊號路徑的不平衡將直接影響調變精確度，當然也就影響到發射訊號的品質。

為求整體系統效能最佳化，需要基頻晶片對I-Q的不平衡來補償，WiMAX系統一般會有複雜的I-Q不平衡校正及補償的能力，其他的缺陷包含載波頻率錯誤，相位雜訊，本地震盪洩漏，突波干擾以及功率放大器的非線性影響也都會影響到WiMAX系統效能。

EVM直接由字符星圖誤碼來計算也是整體發射訊號的品質指標，透過分析字符星座圖，設計者可以由圖形的扭曲與IQ不平衡而判斷出是怎樣的IQ不平衡影響，或是相位雜訊與功率放大器的非線性影響。

透過發射功率頻譜密度、互補累積功率函數(CCDF)、EVM與載波相位雜訊等，研發工程師可分辨這些造成WiMAX發射特性變差的缺陷來源。例如相位的不平衡(圖3)，一個8×8的星座圖代表著64-QAM調變狀態有輕微的同心圓旋轉散開。相對地，振幅不平衡(圖4)則造成以圖形中心點向外擴散。

圖3　相位不平衡的星座圖

圖4　振幅不平衡的星座圖

量測儀器有效解決射頻難題

以已問世之量測儀器為例，結合了向量訊號分析儀(VSA)及向量訊號產生器(VSG)的設備，可分析這些重要參數，並輔助研發人員做發射或接收的設計偵錯應用。

VSA設備可做時域量測、頻域量測以及調變分析，如此一來，研發人員可輕易判斷各種訊號缺陷，包含IQ振幅及相位、IQ通道的群延遲(Group Delay)不平衡、相位雜訊、異常突波、瞬間轉態的變化及發射訊號飽和等發射機特性。

WiMAX訊號具有比一般典型手機訊號還大的頻寬，也對群延遲較敏感。離中心頻率越遠的兩側次載波其群延遲的效應便越大，這些次載波的EVM影響也相對越大(圖5)。

圖5　EVM vs subcarrier

對研發工程師而言，相位雜訊也是個重要的考量因素，一般是當基頻訊號為了頻率轉換與本地振盪訊號混頻以轉為射頻訊號時所引起的。本地振盪器的相位雜訊是來自參考晶體振盪器的頻率穩定度，鎖相迴路的壓控振盪器以及頻率合成器的迴路頻寬與雜訊所造成。相位雜訊的影響可依字符星座圖上有旋轉散開的現象來判斷。由於相位雜訊是自然亂數，所以一般是很難進行補償預估。

在可移動無線產品設計上，還須考量直流電源功率損耗，對射頻功率放大器，往往將工作區段設計在接近飽和點以達最高效能。WiMAX的功率峰值對平均值的比大約是10dB，而峰值訊號可能會受放大器非線性的影響，所造成的訊號失真會影響到EVM的特性，放大器的飽和點也決定了這產品的最大輸出功率，所以如何在考慮直流電源損耗且提供足夠的輸出功率並確保訊號品質取得平衡是很重要的。

射頻功率放大器的訊號飽和度可由CCDF曲線得知(圖6、7)，若因飽和造成EVM的特性變差，一般須優先處理。