emc-testing-emi-debugging-and-analysis-rohde-schwarz_200_12182_2880_660_15.jpg

使用 R&S RTO 示波器進行 LTE MIMO 訊號測試與分析

Sonya Chan
9月14日
讀畢需時 10 分鐘

LTE 標準從一開始就設計為可利用 MIMO（多輸入多輸出, Multiple Input/Multiple Output） 傳輸，MIMO 提供了多種優勢，例如提升資料速率、增強傳輸的穩健性，或為不同使用者提供不同的空間串流，本應用文章將描述如何結合 R&S®FS-K102/K103PC LTE 軟體與 R&S®RTO1044 示波器，來量測 LTE MIMO 訊號。

1. 前言

LTE (長期演進, Long Term Evolution) 支援多種輸入/輸出（MIMO）天線方案，為了透過 MIMO 傳輸來提升傳輸量或穩健性，有幾種不同的方法是可行的，LTE 標準主要利用了以下幾種 MIMO 方案：

傳輸分集 (Transmit Diversity)：一種空間分集方案，其優點是在行動使用者終端（UE）無需配備多於一根天線的情況下，使傳輸更加穩健。
空間多工 (Spatial Multiplexing)：透過將資料分割成獨立的串流並平行傳輸，來提升資料速率。
波束成形 (Beamforming)：一種用於控制天線陣列輻射方向圖的方法，它可以在特定行動 UE 的位置上最大化訊號強度。

本應用文章將提出一種僅使用一台 R&S®RTO1044 數位示波器（4 GHz, 4 通道）與 R&S®FS-K102/103PC LTE MIMO 下行/上行 PC 軟體，來量測兩根或四根天線上 MIMO 訊號的方法。這種方法具有多項優勢：

僅需一台量測儀器：這不僅減少了測試儀器的數量，還簡化了測試設置與接線；不再需要參考振盪器或觸發接線，也無需額外的同步硬體（例如 R&S®FS-Z11）。
縮短了量測時間：示波器的輸入通道之間具有極其精確的對齊（校準後設置的通道間偏移通常 < 5 ps），這使得波束成形量測能達到極高的準確度。

本應用文章的目的是透過三個重要的使用案例，展示如何使用示波器來量測 LTE MIMO，首先，我們將展示如何驗證多層空間多工；其次，如何透過空中傳輸（Over-the-Air）的方式，量測多達四層的 LTE 訊號；在第三個使用案例中，將介紹一種直接量測應用了波束成形預編碼的天線間相位差的方法。

本應用文章的第 2 節將展示如何為 MIMO 量測準備儀器，第 3 節將以一個範例設定來驗證空間多工 MIMO 預編碼，第 4 節將示範空中傳輸分析，第 5 節則重點介紹波束成形天線訊號的相位差量測。

在本應用文章中，使用以下縮寫來代表羅德史瓦茲的測試設備：

R&S®RTO1044 數位示波器（4 GHz, 4 通道）簡稱為 RTO。
R&S®FS-K102/103PC LTE MIMO 下行/上行 PC 軟體簡稱為 LTE 軟體。
R&S®FSW 訊號與頻譜分析儀簡稱為 FSW。
R&S®SMU200A 向量訊號產生器簡稱為 SMU。

2. 使用 RTO 示波器量測 LTE MIMO 訊號的準備工作

本節將提供硬體設定（包括所需的接線）與基本的軟體設定。

2.1 硬體設置

為了量測 LTE 訊號，RTO 需要配備 R&S®RTO-B4 與 R&S®RTO-K11 選項。

圖 2-1 說明了一般的硬體設置。待測物（DUT, Device Under Test）（在本範例中為一台 SMU）的所有發射天線（TX）都連接到 RTO 的射頻輸入端，可以連接兩根或選配的四根天線。LTE 軟體運行在一台 PC 上，並透過區域網路（LAN）與 RTO 連接。

當使用 RTO 進行 LTE 量測時，預期的殘餘 EVM 低於 1 %，請注意，LTE 軟體不支援在 RTO 上進行如相鄰通道洩漏功率比等非預期發射的量測。

2.2 基本 LTE 設定

在量測任何 LTE 訊號之前，必須先設定一些基本參數，這包括雙工模式（分頻雙工 FDD 或 分時雙工 TDD）、鏈路方向（上行 UL 或 下行 DL）、射頻中心頻率與 LTE 通道頻寬（LTE 軟體見圖 2-2，SMU 見圖 2-3），對於 TDD，還必須提供上行/下行鏈路配置與特殊子訊框的設定。

為了成功將 LTE 軟體連接到 RTO，請在分析儀設定表中設定正確的網路位址，並根據圖 2-4 設定硬體屬性（例如，通道數）。

要設定 RTO 的活動輸入通道數量，必須設定 DUT MIMO 設定（2 根 TX 天線或 4 根 TX 天線）與 TX 天線選擇，DUT MIMO 設定描述了哪些天線可用，而 TX 天線選擇則定義了要擷取多少 IQ 資料串流，以及如何將天線分配給這些串流，要同時量測多於一根天線，TX 天線選擇必須設定為 All、Auto (2 Antennas) 或 Auto (4 Antennas)。「All」表示所有可用的 TX 天線都將被量測，且天線會按升序分配給串流，在「Auto」模式下，天線分配會被自動偵測，其中「Auto (2 Antennas)」會擷取兩個串流，「Auto (4 Antennas)」則會擷取四個串流。

每個 RTO 輸入通道的訊號位準會被自動量測，並自動調整參考位準與衰減設定，如果偏好手動設定或為了優化速度，可以在「通用設定」對話框的「通用」標籤頁中停用自動位準調整。

3. 驗證空間多工 MIMO 預編碼

在本節中，我們將使用一台 SMU 作為訊號產生器來建立一個示範設置，展示如何輕鬆驗證多於一個層（layer）的空間多工，如果 MIMO 解碼器後的星座圖符合預期的調變類型，且 EVM 低於 20 % 的門檻值，則表示發射端的 MIMO 碼本已成功驗證。此外，也可以將解碼後的位元與發射的位元進行比較。

為了成功解碼空間多工 MIMO，發射與接收天線的最小數量必須大於或等於空間層的數量，在下面的範例中，我們使用一台 SMU 來產生一個具有兩層的 2 TX MIMO 訊號。

在 SMU 的訊框設定視窗中，將「可設定子訊框數」設為 1，這樣，只需設定一個子訊框，SMU 就會將第一個子訊框的設定複製到其他子訊框，透過將「已用分配數」設為 3，來設定一個活動的資料通道（PDSCH），我們使用 25 個資源區塊與兩個碼字，其中第一個碼字是 QPSK 調變，第二個碼字是 16-QAM 調變，在「增強設定」視窗中，選擇空間多工碼本索引 1，以確保碼字資料能散佈到所有天線訊號上。

SMU 的 PDSCH 設定如圖 3-1 所示，LTE 軟體的設定如圖 3-2 所示。

在分析結果中，「MIMO 解碼器前」計算的星座圖顯示了一個由 QPSK 與 16QAM 調變碼字疊加而成的星座，如圖 3-3 所示，兩根天線皆是如此。

如果將兩根天線的訊號在 MIMO 解碼器中結合，原始的碼字調變就會被還原，如圖 3-4 所示，此視圖可在星座圖選擇視窗中，將「位置」設為「MIMO/CDMA 解碼器後」來啟動。

透過顯示出預期的 QPSK 與 16-QAM 調變星座點，我們便驗證了發射端的 MIMO 預編碼。

另一種驗證方法是評估 EVM 結果。從圖 3-5 中可以看出，在此範例中，「EVM vs. 載波」的量測結果顯示出很低的 EVM 值。

第三種驗證方法是將傳輸的位元與解碼後的位元進行比較，這些解碼後的位元可以在「位元流」量測中找到，透過在「下行鏈路解調設定」對話框中更改「編碼位元的加擾」狀態，可以得到加擾或未加擾的位元。

4. 透過空中傳輸量測 LTE 基地台訊號

RTO 可用於方便地透過空中傳輸（Over-the-Air）量測 LTE 基地台訊號，包括成功解碼具有多於一個空間層的空間多工 MIMO 預編碼，首先，按照第 2.2 節的說明進行基本設定，要將 LTE 軟體設定為空中傳輸模式，請根據圖 4-1 調整下行鏈路解調設定。

以 PDCCH 協定為基礎的 PDSCH 子訊框設定偵測功能，會從控制通道（PDCCH）協定中，為每個偵測到的 PDSCH 提取所有的 MIMO 預編碼設定，透過啟用所有通道的解碼，PDSCH 也會被解碼。對於空中傳輸量測，需要啟動通道串擾的補償。

以下圖片顯示了使用兩根 RX 天線、透過空中傳輸擷取到的真實 LTE 基地台的量測結果，圖 4-2 分別顯示了每根天線上所有 OFDM 資源元素接收到的訊號功率分佈，紅色區域表示高功率，黃色區域是未使用的資源元素。

圖 4-3 在「分配 ID vs. 符號 X 載波」量測中，顯示了每個資源元素偵測到的實體訊號與通道類型，綠色標記的是 PDSCH，同步訊號與廣播通道則以藍色突顯，可以看出，LTE 軟體已正確偵測到訊號，因為圖 4-3 中的綠色區塊與圖 4-2 中的紅色區塊相符。

LTE 軟體能夠解碼 PDSCH 的內容，也就是說，可以看到經過通道解碼與循環冗餘校驗（CRC）後的二進位內容。在「通道解碼器結果」量測的 PDSCH 部分，顯示了透過不同空間層傳輸的兩個碼字的位元（見圖 4-4）。

在此圖中，標記了第二個碼字的位元流開頭（CW = "2/2"），以顯示確實使用了真實的多層傳輸。這樣的解碼只有在同時擷取多個天線訊號時才可能實現。

5. 波束成形相位差量測

在波束成形 MIMO 模式中，要求發射端不同天線之間的相位差很小，因為相位誤差會導致輻射方向圖的旋轉，LTE 軟體支援對每根 TX 天線的細胞特定參考訊號與波束成形參考訊號（UE 特定參考訊號）進行相位量測，RTO 非常適合這類量測，因為其不同輸入通道之間具有極佳的相位一致性，為了消除由 RTO 輸入通道與接線的恆定相位偏移所引起的量測誤差，必須在量測前進行校準。

作為一個範例，我們量測由一台 SMU 在天線埠 5 上產生的波束成形訊號的相位差，為了進行此量測，SMU 必須配備 R&S®SMU-B90 相位一致性選項，並且必須執行相位校準。

將 SMU 的射頻輸出連接到一個雙向射頻電阻式功率合路器，並將合路器的輸出連接到一台頻譜分析儀（例如 FSW），如圖 5-1 所示，重要的是，用於 SMU 校準的相同纜線（此處稱為「SMU 校準纜線」）也必須用於後續的相位量測。

SMU 校準程序：

預設兩台儀器。
在 SMU 的基頻 B 中打開 EUTRA/LTE。
打開觸發/標記對話框，將觸發輸入模式設為「Armed Auto」，來源設為「Internal (Baseband A)」，以確保兩個基頻路徑同步（見圖 5-2）。
然後啟動基頻 B。
在基頻 A 中打開 EUTRA/LTE，並也啟動它。
按下射頻 A 區塊的設定按鈕，並選擇 LO 耦合。
根據圖 5-3 調整本地振盪器設定，並為兩個路徑啟動射頻。
在頻譜分析儀中，將中心頻率設為 1 GHz，頻寬設為 40 MHz。
更改基頻 A 的相位偏移（見圖 5-4），直到量測到的射頻位準最小。

校準後，在基頻 A 中打開 EUTRA/LTE，並按下「設為預設值」按鈕。現在必須將基頻 B 的相位偏移設為 180°，以便在合路器輸入端得到零相位（見圖 5-5）。

開始時，使用與第 2.2 和第 3 節中相同的 SMU 與 LTE 軟體設定，在 SMU 的訊框設定視窗中，將碼字數（CW 欄）更改為 1/1，並在「增強設定」中將預編碼方案改為「波束成形（UE-spec. RS）」，碼本索引必須設為 0，以便在所有天線上使用相同的相位（見圖 5-6）。

在 LTE 軟體的「解調設定」視窗中，修改「增強設定」以支援波束成形，如圖 5-7 所示。

為了進行 RTO 的相位校準，可以使用 SMU 在射頻 A 上的訊號（第一根 MIMO 天線），將 SMU 的射頻 A 輸出用一個雙向射頻電阻式功率分路器連接，並將分路器的輸出連接到 RTO 的前兩個輸入，如圖 5-8 所示。

必須為 RTO 校準使用一組不同的纜線，而不是用於校準 SMU 的那組，因為兩種校準方法都將纜線包含在校準中。

現在，在 LTE 軟體中按下 SETUP 按鈕，並點擊 GENERATE CALIBRATION DATA 按鈕來啟動校準。校準資料可以選擇性地儲存到檔案中以供後續使用。在 LTE 軟體的標題欄中，一個黃色標籤會指示相位差量測已經校準。校準後，使用相同的纜線，根據圖 5-9 將 RTO 輸入連接到 SMU 的射頻纜線組，其中我們將 SMU 和 RTO 校準的射頻纜線串聯起來。用於連接兩組纜線的兩個轉接頭必須是相同類型，以最小化由連接引起的額外相位誤差。