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WiMax射頻測試應用

來源：C114

摘要： 技術要在具體的應用場景中體現出自身的優勢,才能得到市場的認可,這就需要通過應用測試來衡量系統的性能參數。WiMax的測試方法分為三部分：協議分析、無線射頻分析,傳輸性能分析。根據協議分析、無線射頻分析和傳輸性能分析得出測試的綜合結果。

關鍵詞： WiMAX 射頻測試

Abstract：

Key words :

技術要在具體的應用場景中體現出自身的優勢,才能得到市場的認可,這就需要通過應用測試來衡量系統的性能參數。WiMax的測試方法分為三部分：協議分析、無線射頻分析,傳輸性能分析。根據協議分析、無線射頻分析和傳輸性能分析得出測試的綜合結果。

WiMax 接收測試

在進行WiMax放大器及模塊測試時,需要輸入一個理想的測試信號;在進行BS(基站),RS(中繼站)或SS(終端)接收機性能測試時,需要輸入一個經過空間信道傳輸的測試信號。

數字矢量信號源SMU/SMJ/SMATE可以產生包含了完整的無線幀設置,MAC(媒體接入層)設置,信道編碼等符合規范或用戶自定義的WiMax信號。

無線幀設置

OFDM模式

圖1是OFDM TDD模式的幀結構。

圖1 OFDM模式幀機構

下行子幀包含三個部分：Preamble(前導),FCH(幀控制頭)和下行data burst。
Preamble位于上下行子幀的起始,用于收發信機之間的同步以及信道估計。在符號結構上分為long preamble和short preamble：long preamble用于下行子幀,由兩個符號組成,其中第一個符號每四個子載波出現一次,第二個符號每兩個子載波出現一次。Short preamble用于上行子幀,由一個符號組成,每兩個子載波出現一次,如果下行子幀傳輸多個data burst,那么每個burst之間的midamble也是 short preamble。

FCH(Frame control header)位于Long Preamble之后,由一個符號組成,包含了一些系統信息如基站ID和DL data burst的屬性,用于接收機進行解調。

DL Burst包含了MAC PDU(協議數據單元)和一些廣播信息,如DL-MAP、UL-MAP、DCD(下行信道描述)、UCD(上行信道描述)。一個完整的PDU應由48比特的MAC Header,Payload(資料段)和循環冗余校驗CRC組成。

上行子幀除了Preamble和UL PDU之外,還包含了ranging(測距)部分。Ranging的過程是由SS發送請求給BS,以進行發射功率,時延和頻偏的調整。

OFDMA模式

圖2是OFDMA模式的幀結構。

圖2 OFDMA模式幀機構

由于引入了基于logical subchannel(邏輯子信道)的Access,OFDMA的無線幀結構要復雜一些。圖2顯示了由symbolnumber和subchannel number組成的幀結構平面,Preamble,FCH,廣播信息和databurst都分布在此平面上。這個平面由Zone和segment組成,它們彼此通過symbol offset和subchannel offset區分。

對于subchannel的使用分為PUSC和FUSC,即部分使用subchannel和全部使用subchannel,而subchannel分為六組,其數量由FFT Size決定,FFT Size 2048/1024/512/128分別對應60/30/15/3個subchannel。

RS信號源SMU目前可支持Preamble, FCH, DL-map, UL-map, ranging, MAC PDU(MAC Header;Payload;CRC)的自動生成或自定義設置。對于OFDMA(WiBro)模式,可支持多達8個Zones和3個segments的配置。

WiMax信號產生應用

預設置幀結構

802.16測試規范中并沒有定義類似于3GPP的test model,只是給出了一些用于接收機靈敏度測試的test
message,在SMU中預設置了三種不同長度(288/864/1536bits)的message,并且每一種message都提供了不同的調制方式和編碼速率。這項應用可以方便快捷的生成WiMax信號。

上下行信號同步發射

在一些基站,直放站,模塊等測試環境中,常常需要WiMax信號同時包含上下行部分,模擬相互之間的干擾。內置兩個信號通路的SMU提供了該項功能。

TDD模式：通過基帶單元A觸發基帶單元B,并且在基帶部分進行疊加,再通過調整兩者之間的觸發時延,便可以用一路射頻通道輸出包含完整上下行數據的TDD信號。

FDD模式：如果上下行信號載頻間隔不超過+/-40MHz,則可以通過上述基帶疊加功能,再設置相應的頻偏即可;如果載頻間隔較大,則可以通過兩路射頻分別輸出同步觸發的上下行信號。

衰落模擬應用

收發信機之間的傳輸常常在空間信道下進行,其間不僅存在視距傳播,還包含了由于環境影響產生的反射和折射,以及在移動狀態下產生的多普勒頻移等。SMU提供了多達40個路徑的衰落仿真器,可以模擬多種衰落屬性以及動態衰落環境。

WiMax規范暫未給出標準的衰落模型,目前一般使用3GPP規范提供的模型或SUI1－6(Stanford University
Interim)進行測試,而WiMax Forum的技術工作組也在討論是否在這些模型的基礎上衍生出WiMax的測試標準。

WiMax 發射測試

功率測量

功率計測試：NRP提供了三種測量WiMax信號功率的方法

Duty cycle：已知Frame周期和Burst長度,即占空比,可用該模式測試Burst平均功率。
Scope Mode：通過測量Power Vs Time,進行門限掃描,可以得出Burst平均功率。
Burst Mode：通過功率探頭的觸發功能進行Burst捕獲,得出Burst平均功率。
其中后兩種方法不需要知道WiMax信號具體的幀結構信息。

頻譜儀測試

時域測量

圖3顯示的是時域上對WiMax信號的Preamble功率進行測量,為了準確的得出測量結果,需要使得測量帶寬覆蓋WiMax信號帶寬。

圖3 對Wimax信號的Preamble功率進行測量(時域)

WiMax 射頻測試
由于儀器當中使用的濾波器SF(shape factor)不一樣,如果使用模擬中頻濾波器,其帶寬要等于5倍的信號帶寬;如果使用信道濾波器,其帶寬要大于信號帶寬。

頻域測量

首先要使Wimax信號的SF盡量接近濾波器的SF，由該組數據可看出應選擇10KHz RBW

·WiMAX

B3dB=1.798MHz, B60dB=2.248MHz→SF60/3=1.25

·RBW filter 10kHz

B3dB=9.91kHz, B60dB=53.45kHz→SF60/3=5.39

·RBW filter 200kHz

=196.5kHz, B60dB=1.898MHz→SF60/3=9.66

其次要選擇合適的掃描時間，TSweep=NSweep points·TSignal Cyde，假設頻譜儀的掃描點數為625，被測信號周期10ms，則最小掃描時間是6.25s，如果掃描時間過短，每個掃描點不能覆蓋一個完整的信號周期，則不能反映其真實的頻域信息。

信號幅度統計測量

Crest factor指的是信號峰值功率與rms功率的比值。對于TDD信號而言，有兩種定義：Burst CF(僅評估Burst)和Total CF(評估整個信號周期)，兩者之間的關系是RTotal= RBurst+101-D，其中D為信號占空比。例如，一個WiMax信號周期10ms，burst長度2ms，Burst CF為8，則Total CF為：

RTotal=8dB+101-0.2+8dB+6.3dB=14.3dB

有兩種方法可以測試crest factor，

(1)分別使用rms和peak detector掃描信號軌跡，計算差值。

圖4 rms和peak detector掃描信號軌跡

如圖4所示，將頻譜儀設置為Power Vs Time模式，掃描周期為一個Burst長度，兩條軌跡分別為max
hold和average，兩者之間的差值即為crest factor 。

(2)使用頻譜儀內置測量功能。

RS信號分析儀FSQ的WiMax選件中包含了Crest factor測量功能，當然我們需要進行正確的設置以保證對大量的level采樣值進行評估。

Rms Level測量

該項測試中，必須保證評估時間是WiMax信號周期的整數倍，如圖5左端顯示。而評估時間過長或過短，則會得出圖5右端錯誤的rmslevel測量結果。

圖5 Rms Level測量

Peak level測量

圖6 Peak
Level測量

儀器會以一定的采樣頻率對信號進行采樣，圖6以正弦波為例，在采樣過程中，很可能會遺漏peak點，進而造成峰值功率計算誤差。為了避免這種情況的發生，一般會增加采樣頻率，降低采樣周期，以減少遺漏peak點的可能；或者采取多次掃描測量，進行peak level的統計。在頻譜儀WiMax測量選件中，可選擇多個burst進行統計已達到準確的測量結果，如圖7。