测试 LTE 波束成形

LTE 正成为主要的无线技术。在此标准的几个新功能中,多输入多输出 (MIMO) 技术具有多种优势。

它可改善吞吐量,扩展覆盖范围,减少干扰,并且通过波束成形提高信干噪比 (SINR)。LTE 支持多种模式以优化传输设置。

LTE MIMO 基站由一个基带单元、一个远程射频单元 (RRH) 和一个最多包括 8 个天线的天线阵列组成。RRH 将基带单元的数字信号上变频为每个天线的模拟信号。

您的任务

在所描述的场景中,基站软件控制各个天线信号的加权,以将主波束波瓣平移到 UE。这些信号看起来错综复杂。信道之间的加权关系由于极化而与复矢量相乘。对于软件测试或系统调试,需要检查信号并验证加权,这可能根据标准而预先定义,或者为了适应 UE 的位置。

测量装置
测量装置
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测试与测量解决方案

对于此任务,R&S®RTO2044 和 R&S®RTO1044 是用于分析天线通道之间的幅度和相移的强大分析工具。由于高采集率和高性能 FFT,可以快速检测信号变化,并且不需要下变频。R&S®RTO 的带宽涵盖了定义的频段。

天线图中的波束成形
天线图中的波束成形
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当信号不连续时,波束成形通常用于 LTE 时分双工模式 (TDD)。对于这些信号,R&S®RTO 示波器具有宽度和窗口的触发类型,这支持捕获下游脉冲以防止记录暂停时间段波形。这显著简化了频谱分析。另一个好处是 R&S®RTO 的多信道功能。如果需要对四个以上的信道进行并行分析,则可以扩展多个示波器进行测试。

应用

在示例测量设置中,将 LTE 发射机的 REF 和 MEAS1 信道连接到了对应于 1×2 MIMO 系统的 R&S®RTO。

垂直和水平设置

在第一次测量中,LTE 发射机发出 LTE TDD 信号,并且示波器使用垂直刻度高于满量程 80% 的两个信道采集该信号。

LTE TDD 信号的稳定触发。
图 3:LTE TDD 信号的稳定触发。
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设置水平刻度,在高采集率、充足 FFT 采样点数以及分辨率带宽 (RBW) 之间实现折衷。

R&S®RTO 的宽度触发用于仅捕获 LTE TDD 信号的突发脉冲。脉冲之间的间隙被忽略,信号 FFT 测量不会因为间隙部分的噪声而受影响。

图 3 显示 1 ms 宽度触发且采集时间为 20 ms 的两个 LTE TDD 突发脉冲图。触发电平显示为红色虚线。

 LTE TDD 信号的频谱和 RMS 测量。
图 4:LTE TDD 信号的频谱和 RMS 测量。
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信号功率

为了检查信号的频谱一致性,下面显示了 REF 信道的频谱,如预期一致,它是 2.0175 GHz(LTE 频段)上 15 MHz 的带宽信号。可以针对 REF 和 MEAS 信道进行自动 VRMS 测量,进而实现幅度加权测量。REF 和 MEAS 信道之间的 RMS 电压比率确定加权因子大小。图 4 显示右边的 RMS 电压测量,下面是 REF(蓝色)和 MEAS(粉红色)信道的轨迹。测量仅关注当前显示信号,因此可提供准确值。触发设置确保测量不受间隙中噪声的影响。

REF 和 MEAS 信道之间的相位差。
图 5:REF 和 MEAS 信道之间的相位差。
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相移

对于 REF 和 MEAS 信道之间的相移,可以设置 MATH 信道来计算相位差。结果显示在图 5 中。

利用优化的采集参数获得相位差。
图 6:利用优化的采集参数获得相位差。
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需要注意两点:

  • 首先是波形上偶尔出现的尖峰。这些尖峰是由非符号同步采样引起的。可以通过以下方式减少这些尖峰:将示波器锁定到发射机时钟,将 FFT 分辨率带宽 (RBW) 设置为等于 15 kHz 的 LTE 子载波带宽,并将触发位置调整到 40 μs 的最佳点。改进的相位差显示在图 6 中,看起来更平滑。与图 4 相比,REF 信道的频谱也有所改善
使用公式编辑器计算没有偏差的相位差。
图 7:使用公式编辑器计算没有偏差的相位差。
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  • 其次,由于测量设置的延迟,波形与线性函数重叠。可以通过以下方式轻松消除延迟或任何其他相位偏离的影响:在没有波束成形(加权)的情况下校准设置,从相位差图形建立 REF 波形并从相位差中减去 REF 波形。图 7 显示了在 MATH 菜单中使用 fftphi 功能计算所选信道的相位
REF 和 MEAS 信道之间的校准相位差。
图 8:REF 和 MEAS 信道之间的校准相位差。
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校准后,图 8 中相位测量显示为扁平线。为了评估测量的准确性,使用波形直方图功能,并对该直方图进行自动测量,以得到相位测量的均值和西格玛值。结果显示在右侧红框圈出的信号图标中。偏移 (HMean) 小于 0.1°,西格马 (Hσ) 小于 0.25°,这足以在典型的测试场景中以 1° 的准确度测量相位。

用于更多信道的测量设置
图 9:用于更多信道的测量设置
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测量可以很轻松地扩展到更多信道(见图 9)。例如,1×4 MIMO 需要使用四信道 R&S®RTO 数字示波器。针对 REF 信号使用功分器,再加上 3 台示波器,可以分析 1×8 MIMO 系统。REF 信号经功分器输出连接到每个示波器,并将剩余的七个信号分配给空闲的示波器信道。

要更详细地分析 LTE 信号,可以将 R&S®RTO 与 R&S®VSE 软件结合使用,以测量误差矢量幅度 (EVM)、I/Q 不平衡和星座图等其他参数。

摘要

使用一个或多个 R&S®RTO 数字示波器,可以对 1×2、1×4 或 1×8 MIMO 系统精确测试 LTE 波束成形。在典型的测试场景中,能够以足够精度检测幅度和相位。测量不需要任何专用软件,并且可以使用标配 R&S®RTO 固件完成。

参考文献

  • M. Kottkamp, A. Rössler, J. Schlienz, J. Schütz. LTE Release 9 Technology Introduction. Munich: Rohde & Schwarz GmbH, 2011
  • Bernhard Schulz. LTE Transmission Modes and Beamforming. Munich: Rohde & Schwarz GmbH, 2015

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