使用射频和高速DSP SDR技术设计射频测试仪器

随着新用户和服务的数量不断扩大，对无线通信的需求也在不断增加。此外，无线通信流量正在从主要是语音迁移到主要是数据，需要更快的数据速率。

由于频谱有限，数字无线技术在过去的二十年中发展迅速，以满足这些市场需求。随着信号带宽从 1990 年代初期的 300 kHz 增加到今天的 40 MHz，正在使用更高效的调制类型和数字编码方案。正在部署新的传输方法，例如 MIMO，以进一步提高数据速率。下一代射频测试设备增加了更多的复杂性，从而给测试工程师带来了困难。

MIMO 测试设备的复杂性

MIMO 是一种不断发展的射频技术，它使用多个无线电来传输和接收数据。在无线通信设备中，它可以在不需要额外带宽的情况下提高数据吞吐率或提高传输质量。

在典型的 MIMO 方法中，四个独立的正交频分复用 （OFDM） 载波相互叠放，如图 1 所示。这种 MIMO 技术允许在与单个载波相同的带宽内传输高达 3.5 倍的信息。

图1

测试 MIMO 提出了几个关键挑战，包括可以支持的空间流的数量。例如，无线局域网 （WLAN） 和长期演进 （LTE） 都支持四流配置，而当前具有矩阵 A 和 B 配置的 WiMAX 技术支持两个流。另一个问题是在不牺牲性能的情况下降低每个流的成本。测试设备的成本，尤其是 MIMO 系统，会迅速增加。例如，要获得 N 个输入和 M 个输出，每个 I/O 需要一个单独的发射器和接收器或源和分析器。

带宽带来了另一个问题。MIMO 信号尤其需要具有宽带宽的测试仪器。例如，WiMAX 和 LTE 当前的带宽要求为 20 MHz，而 802.11n WLAN 的带宽要求为 40 MHz。仪器必须能够执行这些测量，同时保持出色的误差矢量幅度 （EVM） 性能。

高灵敏度是另一个关键参数。本底噪声影响调制精度，测量为 EVM。较高的噪声会增加 EVM，降低通信质量。对于宽信号带宽，信号发生器和信号分析仪的低噪声非常重要。低成本仪器的噪声性能比其更昂贵的同类仪器差，这直接影响测量精度。这反过来又会削弱产品质量和产量，从而影响产品成本和竞争力。

MIMO 依赖于信道失真。没有它，MIMO 作为一种传输技术就变得多余了。了解设备在不同通道条件下的性能并通过通道响应或矩阵条件等测量来计算这些条件是重要的功能。以无线局域网为例。标头以已知的符号模式传输。接收器使用这个已知信号来揭示信道失真的样子，然后确定实际接收到的数据符号。

测量宽带宽 OFDM 信号，即信道响应，即整个信道的幅度和相位变化，是另一个挑战。为了准确表征被测收发器单元，测试设备不仅必须具有宽带宽，而且还必须具有平坦的响应以及低幅度和相位变化。

下一代射频测试仪器创新

随着下一代 MIMO 的出现，波束成形应用将变得更加普遍。第二代 MIMO 测试系统将要求精确控制射频载波相位和幅度。这使发射器能够产生不同的天线方向图，从而允许将天线波束引导到不同的位置。将天线波束指向每个用户可以提高通信效率。今天的大多数仪器平台都是为单输入/单输出 （SISO） 应用而设计的，无法轻松控制射频载波相位。

一些 MIMO 测试系统架构仅支持平衡 MIMO 配置，例如 2x2、3x3 或 4x4。未来的仪器还必须支持非平衡 MIMO 配置，尤其是协作式 MIMO，例如 1x2、2x3 和 3x4 配置。随着更高级的波束成形应用上线，可能需要 8x8 和 16x16 配置。

发射器和接收器之间的时间对齐也很关键。由于 MIMO 依赖于通道中的时间差异才能正常工作（多路径），因此信号分析仪或信号源内的时序失准会导致测试仪器的失真增加，从而降低测量精度。

下一代能力将依赖于几个独特的行业创新。例如，基于 DSP 的 SDR 架构适应动态无线市场快速变化的测试要求，通过轻松升级仪器延长了仪器的使用寿命。基于 SDR 的仪器几乎可以生成或解调调制带宽高达 40 MHz 的任何信号，这对于当今的许多设备和未来的新信号标准（例如 4G LTE）来说非常重要。

例如，Keithley 的 4x4 MIMO 射频测试系统等新型射频测试仪器使用基于 DSP 的 SDR 架构。这些仪器具有精确稳定的本地振荡器锁定系统，峰峰值载波相位抖动小于 1 度，使其成为波束成形应用的理想选择。

然而，相位对齐并不是唯一的重要特征。对于非波束成形 MIMO 应用，时间对齐是必不可少的。对于大多数仪器架构来说，在两个以上的信号发生器或信号分析仪上保持高度同步（时间对齐）是很困难的，因为它们不是为 MIMO 应用而设计的。一些仪器仅限于两个输入和/或输出。相比之下，Keithley 仪器可扩展至多达 8 个输入和输出，其精密采样时钟将仪器锁定在彼此的纳秒范围内。

超前思考一代

测试工程师将在他们的第一代 MIMO 测试系统上花费大量资金。为了减轻测试工程预算的负担，测试和测量供应商需要提前考虑并设计适合新兴和未来无线技术的射频测试仪器。测试系统供应商正在通过使用最先进的射频和高速 DSP SDR 技术的下一代仪器平台来满足这一需求，以降低测试成本并缩短上市时间。

审核编辑：郭婷