因應多通道無線測試配置　模組化儀器搞定多天線量測

2016-11-28

Sheri DeTomasi

今天，有越來越多人倚賴無線裝置來管理電子郵件、社交媒體、銀行帳務，並且下載或串流影片和電影。在許多市場中，LTE和LTE-Advanced已經成為主流技術，而下一代5G標準也已經進入前期研究和定義階段。

在蜂巢式通訊應用中，LTE-Advanced是下一個最主要的技術成長領域，以因應消費者需求，直到5G技術能開始推出商用服務為止。許多行動通訊業者致力於部署LTE-Advanced多天線技術，以改善其行動通訊系統的連接性和峰值資料速率。多天線技術可增加發射器、接收器或兩者的天線數量，是提高系統容量的關鍵技術，目前已被應用於無線區域網路(WLAN)標準，如802.11n和802.11ac。

藉由部署多天線技術，業者可實現更出色的頻譜效率和更高的峰值資料速率。以下為目前常用的技術：

路徑分集(Path Diversity)

此技術在發射器或接收器端使用多個天線，藉以改善訊號穩定性，或是讓接收器能夠正確地接收所發送的資料。路徑分集也可部署為傳輸分集(Transmit Diversity)，以便透過發射器端的多個天線，將資料發送到單一接收器。路徑分集還可部署為接收分集，透過單一發射器將資料發送到接收器端的多個天線。如果通道的訊噪比不佳，這兩種多天線配置有助於改善訊號穩定性。

空間多工(Spatial Multiplexing)

這項用於多重輸入/多重輸出(MIMO)的技術，在發射器和接收器端使用兩個或多個天線來提高空間效率。利用MIMO，在發射器或接收器端的每一個天線，可傳送獨立和單獨編碼的資料訊號(資料流)。在通訊電路的每一端，個別天線所傳送的資料將結合在一起，以便盡可能減少錯誤，並且全面提昇資料傳輸速度。 MIMO被廣泛用於許多提供高資料速率的無線技術，例如LTE、LTE-A、WiMAX和WLAN 802.11n/ac。空間多工技術改進了空間效率和單一使用者的資料傳輸速率。多使用者MIMO(Multi-user MIMO)是一種空間多工形式，可在同一頻譜上同時將資料傳送給多個使用者。

波束操控或波束成形

使用多個天線來進行定向發射，以便操控特定接收器的訊號傳輸方向。相同的訊號經由兩個或多個空間分離發射器同時進行傳輸。此技術使用振幅和相位調整技術，以便用破壞性或建設性方式來結合多個傳輸訊號。建設性(或相位同調)訊號可用建設性方式結合起來，進而產生一個波束碼型(Beam Pattern)。利用建設性組合，相結合的訊號可在接收器天線上提供更多的能量，進而產生更穩定的訊號，並且改善接收器端的訊噪比。波束操控/波束成形的好處包括更出色的選擇性、干擾管理、更高的增益，並提供更好的訊噪比。

這些多天線技術被廣泛用於當今的無線通訊系統。多天線技術和多使用者波束成形，預料將成為5G關鍵技術，可利用基地台安裝的數百隻天線，在同一時間與多個行動裝置進行通訊。這項技術又稱為Massive MIMO。

設計和開發使用多天線技術的通訊系統時，隨著天線數量不斷增加，工程師須透過比以往更為複雜的配置來執行必要的系統驗證測試。驗證多天線配置帶來了許多新的挑戰，包括須同時分析多個發射或接收鏈路；以及對MIMO配置進行多通道同步測試。此外，在波束成形應用中，通道之間必須維持精準的時序和同步；而相位同調性可確保適當的通道間相位和振幅量測。多通道同步測試系統具有可擴充性，並可使用共享資源來進行觸發和同步，有助於克服這些測試挑戰。

圖1 使用一個主要CLK來同步資料的擷取或播放。

相位同調性

想要讓不同訊號或通道維持同步是個困難的任務，這需要在多儀器環境中進行。一般而言，主要參考訊號可用來校準所有的CLK訊號。在(圖1)所示的情況下，主要參考訊號使用一條PXI觸發線，將初始化觸發傳送到所有從屬的模組。等到所有通道都準備好之後，則主要單元將送出一個觸發事件的訊號，接著所有模組將在下一個10MHz CLK訊號緣上開始運作。此方法可確保所有動作的開始時間均經過校準，因此所有通道可同時進行資料擷取或播放。

通用的時脈參考提供時序校準，但不提供相位同調性。在波束成形應用中，這會帶來問題，因為須透過振幅和相位偏移來建立波束碼型。模擬真實世界的傳輸或量測時，通常需藉助通道之間的相位同調性。如果兩個訊號在時間上具有恆定的相對相位，代表它們具有相位同調性。如果每一次的訊號產生或每個量測通道，都有其獨立產生的訊號，則每個通道的相位特性將各不相同，因而很難在多個通道之間實現恆定的相對相位。

藉由使用提供通道間相位同調性的模組化儀器，可以讓所產生的訊號或量測通道之間。具有相位穩定關係。要獲致真正的相位同調性，方法之一是讓每個通道共用一個本地振盪器(LO)，確保所有通道具有相同的相位特性。利用這種方法，分析儀中的每個降頻器，或是訊號源中的每個調變器，都共享相同的相位特性，包括相位誤差。在恆定的相位和通道間時序偏差(每個儀器路徑中的延遲)下，工程師可全面分析射頻路徑的特性，如(圖2)所示。量測系統必須能夠容納通道之間的振幅和相位差異。如未經過校驗，量測結果的準確度將會下滑。使用校驗技術來修正偏移後，工程師可確定所有量測差異均來自於待測物，而非測試設備。進行修正時，首先需量測通道間的差異，然後再進行調整。其方法是針對每個分析儀通道，每次在每個訊號源通道上產生一個已知的參考訊號，然後對結果進行量測。(圖3)顯示校驗對於波束碼型準確度的影響。