射频测试的趋势

2009年04月23日 18:04    贾延安
关键词: 趋势 , 射频
频谱趋势

无线通信的市场需求持续加速,同时伴随着向数据应用的转移,比如短信息、网络浏览和GPS等应用。这些应用需要更高的数据传输率来实现更佳的用户体验,这需要在有限的频谱上采用新的传输方式。一些相当有效率的调制方式和数字编码算法得到了采用,与此对应的是不断提升的信号带宽——从上世纪90年代的300kHz增长到了今天的40MHz。

通信技术的趋势

也许日前无线通信技术最显著的趋势就是从单输入单输出(SISO)架构到复杂的多输入多输出(MIMO)架构的转变。现今的无线电设备多采用单发射机和单接收机的SISO架构,信息在一个时间段采用单种数字符号在单一信道进行传输。比如在目前的Wi-Fi系统中,在一个时间点只采用一个天线发射或接收一个射频信号。采用这种方式,天线经常需要切换到最好的信号路径,但每个天线在一个时间段只能接收一个频段的一个数据流。

从SISO到MIMO的转移允许在多载波上同时传输上百种符号。MIMO采用多载波射频信号来传输更多的信息,并在同一频段上传输所有信号,在占用相同带宽的情况下大大改善了频谱效率。

这一改变是由消费者对移动电话服务不断增加的需求和数字信号处理器(DSP)价格的不断下降所驱动的,结果是带来了高带宽的无线通信系统。 MIMO技术目前可以在广泛的商用无线通信设备上得以采用,比如移动电话、PDA和笔记本电脑。直接结果是为那些消费设备带来了更高的数据传输率。

测试的趋势和挑战

MIMO采用多信号传输和接收将频谱效率带到了一个新的水平,然而,更高的频谱效率意味着更复杂的系统。比如说WiMAX系统,采用了正交频分复用(OFDM)来实现多种符号的并行传输。从SISO到MIMO的转变让测试工程师面临许多值得注意的新挑战。

复杂的MIMO和OFDM带来的第一个挑战是测试仪器可以支持的空间流(spatial streams)的数量。比如说,WLAN和LTE都支持四路空间流,而目前的WiMAX使用Matrix A和Matrix B两路空间流。

接收机测试的挑战是将混合在一起的信号分解成多路的单独信号或码流。然而,最大的挑战还是同步。传输多路信号需要在多个信道之间实现相位和采样对准(sampling alignment)的精确同步。这意味着信号分析仪和信号发生器必须进行精确的同步,来实现精确的和可重复的测量。

在MIMO的发射机中RF载波的相位也需要得到控制。这允许天线波束调整到不同的方向。通过将天线波束调整到两个不同的方向,通信效率可以得到较大的提升。今天,多数仪器平台都被设计为SISO应用,不能方便的调节RF载波的相位。即使那些具备MIMO测试能力的仪器也需要说明RF载波必须处于稳定(比如,RF载波间具有低的抖动)并具有可调整的幅度。然而,对于下一代测试仪器来说,精确的相位控制是必须的。

另一个测试仪器的挑战是带宽(BW),MIMO信号特别需要测试仪器具有宽的BW。比如说,WiMAX和LTE目前具备20MHz的BW要求,而WLAN 802.11n需要40MHz的BW。

另外,在今天的无线设备中越来越多样的移动通信标准得到采用,或者制造商可能会采用不同的标准生产各种设备。因此,测试仪器需要适用多种主流的移动通信标准(比如GSM、GPRS、EDGE、WCDMA、CDMAOne和CDMA2000等)。测试仪器必须有能力对每个标准做出精确的测量,比如需要保证较小的误差向量幅度即EVM(EVM在EDGE系统中相当重要)。而因为新的移动通信标准被制造商采用,测试仪器也面临更新的问题。理想来说,制造商希望能用最简单和成本最低的方式(比如仅改变软件)来更新测试仪器,以应对新的移动通信和调制标准。

产业对于成本敏感的需求

如今的无线设备变得越来越复杂,竞争压力日趋增大,利润率被压的很低。同时,测试越来越难,单位成本面临增大的压力。面对缩小的利润,制造商想尽一切办法来降低成本,这就包括降低测试仪器以及测试的成本。这不仅体现在生产过程中,同样体现在研发过程中,在这两种环境下,对于更多功能、更高吞吐量和更简单操作的测试设备的需求越来越强烈。

对于多空间流的WLAN、LTE和WiMAX系统的测试,首要目标就是在不牺牲性能的前提下保持每信道流测试成本的降低。然而,测试仪器的成本,特别是在WiMAX系统中,往往会成倍的增加。比如,为了得到N输入和M输出,每个输入-输出需要一个独立的发射机和一个接收机,或者说一个信号发生器和一个信号分析仪。

更加先进的测试仪器的设计考虑了以上所谈到的这些因素。比如,吉时利(Keithley)公司的下一代MIMO测试平台让增加对新信号标准和MIMO选项的测试更加简单和便宜。该平台包括吉时利公司的2920射频矢量信号发生器、2820矢量信号分析仪、2895 MIMO同步单元和SignalMeister波形生成软件。该平台支持最大8×8 MIMO系统测量,这种MIMO系统应用在目前商用的802.11n Wi-Fi、802.16e移动WiMAX Wave 2和未来的4G标准LTE(长期演进)和UMB(超移动宽带)上。

这些测试能力得益于目前产业的创新,比如,基于DSP的软件无线电(SDR)架构的快速采用改变了测试需求。基于SDR的仪器可以生成或调制几乎是任何信号(目前可以达到40MHz的调制带宽),而只需要进行软件的更新。这让测试仪器使用寿命大大增长,因为更新测试系统更加简单。DSP技术还提供了突出的性能,包括极低EVM(典型值小于0.5%)的EDGE信号的生成。这实现了精确的、可重复的信号,降低了测量误差。同样的,基于DSP的信号分析仪可以在每个通道和每个符号基础上测量低水平的EVM。

DSP技术同样提供了高的吞吐量,它允许快速调谐,可以在低于一毫秒时间内在大部分频段切换频率。同样的,不同幅度信号的建立时间也只需要几个毫秒。一个DSP平台配置了一个大量的相应波型的存储记录,这让用户可以在存储器中记录大量的波型来实现立即调用。

通过将这些技术最有成本效益的结合在一起,下一代RF测试仪器让设备制造商能够持续降低总体测试成本。他们可以执行更多更快的测试,缩短产品上市时间,同时保证产品能达到关键的性能参数要求。
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