多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)通過使用多個天線傳輸兩路或四路數(shù)據(jù)流，為單個用戶數(shù)據(jù)傳輸速率的提升提供了可能性。例如，此前有介紹LTE 的文章曾指出，64 QAM 2x2下行鏈路FDD MIMO和64 QAM 4x4下行鏈路FDD MIMO可分別提供高達(dá)172.8Mbps和326.4Mbps的峰值數(shù)據(jù)速率。但是，與單輸入單輸出(SISO)單個天線相比，實現(xiàn)雙通道或四通道MIMO將會增加復(fù)雜性，從而影響可能達(dá)到的峰值數(shù)據(jù)速率，而且硬件設(shè)計和實施方面的不利影響(例如天線串?dāng)_和定時誤差)有可能降低多天線技術(shù)可能帶來的性能增益。
另外，多天線技術(shù)的實現(xiàn)過于復(fù)雜，使得對硬件性能問題進(jìn)行故障診斷和調(diào)試頗具難度；增加天線和數(shù)據(jù)流數(shù)量(從2x2 MIMO增加到4x4 MIMO)將進(jìn)一步增加調(diào)試的復(fù)雜程度。
本文主要討論天線串?dāng)_損害、相位噪聲和定時誤差對MIMO下行鏈路系統(tǒng)性能的影響，以及采用了時間相干多通道示波器和89600矢量信號分析儀(VSA)軟件的故障診斷技術(shù)，希望能夠幫助工程師深入了解誤差機(jī)制對硬件誤差矢量幅度(EVM)性能和系統(tǒng)級射頻發(fā)射機(jī)性能的影響。本文將以LTE作為研究對象，其概念也可應(yīng)用到其他信號格式中，例如 Mobile WiMAX。
LTE MIMO參考信號和EVM
LTE MIMO交叉生成一個貫穿頻域和時域的已知信號，稱為參考信號(RS)。該信號是恢復(fù)MIMO 信號的基礎(chǔ)，因為它允許每個接收天線針對各個發(fā)射機(jī)建立一個信號參考。圖1顯示了如何將參考信號的各個符號分配到兩個天線下行鏈路信號的子載波中。
如圖所示，y軸表示參考信號的子載波分配(每六個子載波)，x軸表示時間交叉。注意，從占用子載波和時間(符號)兩方面查看天線0和天線1之間參考信號的變化。
圖 1――兩個天線的下行鏈路參考符碼的正交結(jié)構(gòu)
誤差矢量幅度(EVM)是描述射頻發(fā)射機(jī)性能的重要系統(tǒng)指標(biāo)。通過對RS EVM和復(fù)合EVM 進(jìn)行比較，不僅可以幫助工程師深入了解發(fā)射機(jī)硬件設(shè)計減損，還能夠幫助診斷天線串?dāng)_、放大器增益壓縮失真、相位噪聲和其他誤差機(jī)制等特定減損。
下面的案例將闡明如何利用RS EVM和復(fù)合EVM 來深入了解可能會影響系統(tǒng)性能誤差的減損類型。該案例還將重點(diǎn)研究發(fā)射天線定時誤差對參考信號正交性的影響，并在解釋天線串?dāng)_、星座圖和EVM測量結(jié)果時，說明如何考慮這種影響。
案例研究——MIMO下行鏈路射頻發(fā)射機(jī)測量
本案例研究中使用的四通道 MIMO 測試設(shè)置如圖 2 左側(cè)所示，它是由四個帶有任意波形發(fā)生器的安捷倫信號發(fā)生器和一個安捷倫四通道Infiniium 90000A系列示波器組成。如下所示，多通道示波器非常適合雙通道和四通道 的MIMO 測量，因為它們提供時間相干多通道輸入、可測量射頻調(diào)制載波的寬帶寬，以及更深層的存儲器來分析多個數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀可通過 Agilent 89600 矢量信號分析(VSA)軟件進(jìn)行解調(diào)。
使用VSA軟件和多通道寬帶示波器進(jìn)行基線四通道MIMO測量的結(jié)果如圖2右側(cè)所示。圖2左側(cè)顯示了兩層(共四層)空間多路復(fù)用數(shù)據(jù)的16 QAM 物理下行鏈路共享通道(PDSCH)星座圖(此處沒有顯示第2和第3層)。VSA顯視屏的右上方顯示了射頻頻譜圖，VSA顯視屏的右下方顯示了誤差匯總表。注意，基線測試案例的剩余復(fù)合EVM(VSA 顯示屏右下方)小于 0.8%，說明0層和1層的星座圖狀態(tài)很清晰(VSA 顯示屏的左側(cè))。
圖 2――使用 Agilent Infiniium 90000A 系列示波器進(jìn)行四通道 MIMO 測試設(shè)置和基線測量的結(jié)果
多通道示波器和 VSA 軟件通常被用于兩通道或四通道中頻－射頻發(fā)射機(jī)/上變頻器硬件被測裝置(DUT)，以進(jìn)行MIMO測試。由于DUT不適于測試，因此需要使用 Agilent SystemVue仿真器建模具有仿真設(shè)計減損的四通道射頻發(fā)射機(jī)。每個發(fā)射機(jī)均由中頻/射頻帶通濾波器、LO 混頻器和功率放大器(PA)組成。功率放大器指定了10kHz頻率偏置時的LO相位噪聲以及1dB增益壓縮點(diǎn)。發(fā)射機(jī)的輸出端使用了定制模型子網(wǎng)，對天線串?dāng)_進(jìn)行建模，然后使用ESG接收機(jī)將仿真的IQ波形(包含仿真的設(shè)計減損)下載到四個ESG中，如圖3所示。
圖 3――包括相位噪聲、PA 增益壓縮和天線串?dāng)_減損的仿真射頻發(fā)射機(jī)設(shè)計
將仿真波形下載至ESG之后，按照圖1所示的測試設(shè)置測量生成的測試信號。ESG輸出的生成測試信號以1.9GHz為中心。如圖4所示，這些信號由寬帶多通道示波器捕獲并通過VSA軟件進(jìn)行解調(diào)。
圖 4――下行鏈路射頻發(fā)射機(jī) MIMO 結(jié)果
注意，0層和1層星座圖現(xiàn)在顯示出嚴(yán)重的色散(第2層和第3層也顯示出相似的色散，但圖中沒有顯示)。乍一看，這與放大器增益壓縮失真或LO相位噪聲導(dǎo)致的色散十分相似。
然而，EVM峰值較高(43%)，所以需要對誤差矢量頻譜(EVM vs. 子載波)和誤差矢量時間(EVM vs. 符號)進(jìn)行評測，以得出復(fù)合EVM結(jié)果。這揭示了參考信號的符號間變化，因此將 VSA 上的下行鏈路文件修改為只顯示參考信號，如圖5所示。
圖 5――參考信號 EVM 時間
RS EVM時間圖顯示，一對天線表現(xiàn)不佳(參考信號在天線0/1之間的連續(xù)時隙上進(jìn)行傳輸，然后是在天線2/3之間。計算多個子載波的RS EVM值，再計算跳變路徑的平均值。)
圖 6――VSA MIMO 信息表
為了更深入地探討，可以查看圖6所示的MIMO信息表。該MIMO信息表在顯示天線串?dāng)_效應(yīng)方面非常有用：
o 第 1 行：Tx1/Rx0、Tx2Rx0 和T3/Rx0 或接收天線0上發(fā)射天線1-3的串?dāng)_
o 第 2 行：接收天線1上發(fā)射天線0、2和3的串?dāng)_
o 第 3 行：接收天線2上發(fā)射天線0、1和3的串?dāng)_
o 第 4 行：接收天線3上發(fā)射天線0-2的串?dāng)_
我們看到即使通道之間存在串?dāng)_，個別RS EVM值仍相對較低。如上所述并參看圖1，MIMO參考信號如果是時間正交和頻率正交，這樣RS EVM通常不會受到天線串?dāng)_的影響，這與復(fù)合 EVM不同，后者會受到天線串?dāng)_的影響。然而，通過檢測MIMO信息表中的RS定時值，顯示天線通道范圍間的定時誤差約為2.3?s至3?s(Tx1/Rx1、Tx2/Rx2、Tx3/Rx3)。這是一個問題，因為定時誤差接近或超過LTE循環(huán)前綴的持續(xù)時間(4.69?s)時，可導(dǎo)致RS正交損耗。RS正交損耗會影響測量精度，例如 MIMO的信息表中顯示的串?dāng)_值、PDSCH星座圖和EVM結(jié)果。
考慮一下定時誤差對天線串?dāng)_測量結(jié)果的影響。只要通道之間的時延遠(yuǎn)小于循環(huán)前綴的持續(xù)時間，不同發(fā)射天線的參考信號便會保持正交。但是，如果不能滿足這個條件，就會破壞正交，從而產(chǎn)生通道間的串?dāng)_。再看圖1所示的天線端口0，R1子載波位置上的信號功率表明存在串?dāng)_。通道間的定時誤差或時延會導(dǎo)致R1子載波位置包含前一個符號的功率，VSA 將這種現(xiàn)象解釋為通道間的串?dāng)_，其結(jié)果是報告的串?dāng)_值出現(xiàn)錯誤。
如欲檢查MIMO信息表報告的定時誤差，需要使用示波器來測量天線通道間的定時誤差，如圖7所示。經(jīng)測量，生成天線0信號的ESG與生成天線1信號的ESG之間的定時誤差約為2.35 ?s，該值與MIMO信息表報告的RS定時誤差有關(guān)。
圖 7――使用寬帶多通道示波器測量天線通道 0 和 1 之間的定時誤差
天線 1、天線2和天線3 ESG都是從天線0 ESG開始觸發(fā)。示波器測出定時誤差后，可通過調(diào)整天線1-3 ESG的碼型觸發(fā)時延來解決定時誤差問題。
生成的MIMO信息表(圖8所示)顯示定時誤差目前在134nS之內(nèi)(僅為循環(huán)前綴的2.8%)，可確保RS信號之間保持正交。現(xiàn)在正確顯示的天線串?dāng)_值反映了圖3中已建模的天線串?dāng)_。
圖 8――包括校正定時誤差和 RS 正交的 MIMO 信息表
如圖9所示，滿足RS正交條件后，復(fù)合EVM結(jié)果現(xiàn)為4.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于之前報告的12.5% 。
圖 9――包括校正定時誤差和 RS 正交的復(fù)合 EVM 結(jié)果
系統(tǒng)工程師可將RS EVM結(jié)果和復(fù)合EVM結(jié)果進(jìn)行比較，從而確定不同誤差機(jī)制對射頻發(fā)射機(jī) EVM誤差的影響。例如，天線串?dāng)_可能不會影響RS EVM值，但會對復(fù)合EVM產(chǎn)生影響。另一方面，其他射頻發(fā)射機(jī)減損，例如相位噪聲和PA增益壓縮都可對RS EVM和復(fù)合EVM產(chǎn)生負(fù)面影響。
總結(jié)
四通道MIMO測量存在許多測試難題，使得故障診斷和調(diào)試變得更具挑戰(zhàn)性。本文介紹了發(fā)射天線定時誤差，此誤差有可能影響LTE MIMO參考信號正交，從而影響天線串?dāng)_、星座圖和EVM 等測量結(jié)果。多通道寬帶示波器非常適合進(jìn)行雙通道或四通道MIMO測量，并有助于診斷發(fā)射天線通道之間可能存在的定時誤差。通過結(jié)合使用寬帶多通道示波器和VSA軟件，工程師能夠從多個不同方面對MIMO信號進(jìn)行測量和分析：時域、頻域和調(diào)制域，根據(jù)測量結(jié)果對硬件性能問題進(jìn)行故障診斷和隔離。通過對比RS EVM和復(fù)合 EVM，工程師能夠了解不同誤差機(jī)制(例如相位噪聲、天線串?dāng)_、PA增益壓縮)對射頻發(fā)射機(jī)EVM誤差的影響。
