增强符号识别的通信测试设备

从事无线系统开发的设计工程师面临到一个不断变化的问题：在 3G/4G 蜂窝、WiMax、Wi-Fi 和超宽带（ultrawideband ，UWB）应用中，有着一种朝新的、更复杂标准发展的恒定过程。开发工作要与标准发展过程同步进行，特别是在芯片级。测试设备公司仍在寻找一些方法，提供可以让开发持续下去的产品。越来越多的测试工具在 PHY（物理）层和较高层网络栈中就包含了特定标准的（standards-specific）能力。看看一些样品工具及使用情景可能有助于您的下一个设计项目，无论您的工作是采用某种无线标准，还是一个工业/科学/医疗频段（industrial/scientific/medical，ISM）中的定制计划，或是采用有线连接的。

从测试设备厂商的角度来看，挑战集中在对市场的预期上。Agilent 公司 WiMax 项目经理 Jennifer Stark 指出了三个不变的趋势。她说：“技术正朝向更高频率、更高带宽和更复杂的调制方法发展。”

显然地，更复杂调制方法带来更加棘手的测试，因为最有效的测试设备包括了实时处理调制方法的能力。基带（baseband） IC 方面现在可提供的数字处理能力越来越多，使得调制方法的进步成为可能。但在基带IC 中实现的东西并无法为测试设备公司带来任何慰藉。随着标准朝目标的发展，测试供货商要用 DSP、FPGA 与软件的一种组合，来对某一通信链接的传输和接收端进行基础性的模型建立。事实上，多数测试公司认为他们的每种仪器差不多都必须过度设计（overdesign），这样才能为新兴标准留下一点空间。

Rohde & Schwarz 产品营销经理 Justin Panzer 表示：“在一个设计环境中，工程师尝试用测试设备来模拟一个真实世界的环境。”但问题又来了，如何模拟一个处于不断变化中的技术？Panzer 指出，一个标准一般都是建立在其它标准之上。他以新兴的长期演进仿真（long-term-emulation，LTE）标准作为一个例子。第三代合作伙伴项目（Third Generation Partnership Project，3GPP）正在开发 LTE，使之成为全球行动通讯系统（global-system-for-mobile，GSM）系列蜂窝通信标准中的 3.5G 或 4G 之后继技术。Panzer 表示：“你会看到（LTE）与 WiMax 有大量的相似之处”。显然地，LTE 采用了 WiMax 所使用的正交分频多任务（orthogonal-frequency-division-multiplexing，OFDM）和OFDM-接入（OFDM-access）调制的方法，但频段与通道不同。大多数观察家认为， LTE 部署至少还要两年，但芯片设计已经上路（参考文献 1）。

军用的方法

Agilent 公司的 Stark 说：“在商用世界中尝试的大多数事情都已在军事领域试过。”她表示，军用的区域多点分散服务（local-multipoint-distribution-service，LMDS）和多通道多点分散服务（multichannel-multipoint-distribution-service ，MMDS）系统就是固定 WiMax的前身。但 Stark 补充表示：“Mobile WiMax是一种以固定 WiMax为基础的庞然巨物。”Mobile WiMax 要求各基地台可以交换客户行动时的呼叫（call）。但一个Mobile WiMax 系统不能采用固网客户开发时的那些通道假设。

所有测试公司都会在某种程度上参与标准团体，这样就可享有决策方向形成的某种透明度，甚至对其发挥影响力。Azimuth Systems的高级营销总监 Graham Celine 说：“有时你可能会看到一些标准化团体要经过两年、三年甚至四年才能推出来。”他还指出分裂性的（disruptive）标准也会出现。例如针对 700 MHz 频谱的标准，联邦通信委员会（FCC）于 2 月在美国举办拍卖。电视广播商即将腾出此一频段。最高投标者可能会在未来几年内影响美国宽带发展史的进程。Celine 表示：“赢家没确定前，没有人知道。”WiMax 的情况可以作为测试公司影响标准的一个例子。Tektronix 通信业务部高级营销经理 Antonio Policek 表示，Tektronix 影响了基地台设计中的一个测量埠（metering port）的内容。该公司在基带级（baseband stage）的输出上实现了测量埠，让一台协议分析仪来从事数据的收集，而不需要在仪器中加装RF 接收机。测试公司似乎主要是在寻求确保标准是可测试的。Celine 表示：“Azimuth 希望确保测试模型是有意义的，并可以在仪器中以合理的价格实现。”

无线系统的模型建立

让人惊讶的是，在一座开发实验室中，用现代测试设备建立一个无线通信系统模型竟是如此的简单。例如，National Instruments 提供一系列采用用于仪器之周边部件互联扩充PXI（peripheral-component-interconnect-extensions-for-instrumentation，PXI）和PCI Express 仪器扩充（PCI Express-extensions-for-instrumentation ，PXIe）外形尺寸的 RF 信号产生器和分析仪产品，它们基本上是 PCI 和 PCIe（PCI Express）的加强版（ruggedized version）。你几乎可以在任何一台装有这些硬件模块的 PC 上，用该公司运行在 LabView 绘图开发环境上的 Modulation Toolkit 软件，就可以对一个蜂窝系统进行完整的模型建立。图 1 表示了一个 16-QAM（quadrature-amplitude-modulation，正交振幅调幅法）系统的符号星座图（symbol constellation）和 3D 眼图。

很多案例可以用来说明 National Instruments 工具的使用。例如，参考文献 2 中描述了一个德州大学与 Drexel 大学的联合发展计划，主要是为多输入/多输出（multiple-input/multiple-output，MIMO）系统建立模型。德州大学亦在 2003 年用 LabView 为早期 的iMax 系统建立模型。

National Instruments 模块化的产品也使这些工具适用于现场工作。现场记录 RF 能量是设计工程师在实验室进行产品测试时的常见工作。因此很难综合地（synthetically）建立一种符合现场实际情况的不同环境。National Instruments 的产品经理 David Hall 指出，你可以在某个有硬盘的系统中，使用该公司的一种向量信号分析仪（vector-signal analyzer，VSA），记录下五个小时的实际环境，以便在后来在实验室内进行回放。

垫高频率

为支持对最先进无线系统的测试与模型建立，测试公司必须推进自己的硬件设计，加进以软件为基础的调制工具。Agilent 的 Stark 回顾了无线技术发展的三个维度（dimension），并指出单一标准倾向于推动一个或两个维度，但不会同时推动三个。她以 WiMax 和 UWB 为例。Stark 表示，WiMedia 最流行的变种 UWB 采用了一种相对简单的调制方法，但却占用相对较宽的 500 MHz 通道。与之相反，WiMax 则采用相对较窄的 10MHz 通道，但却用复杂的调制方法。在两种情况下，标准均规定在 5 GHz 至 6 GHz 范围内工作。

仅一个新标准的中心频率就可以产生对新硬件的需求。Rohde & Schwarz 的 Panzer 指出，该公司的 CMU200 行动射频测试仪（mobile-radio tester）几乎可以用于所有的蜂窝标准。但它只能工作到 3 GHz， 而为了支持 WiMax，该公司不得不开发 6 GHz 的 CMW500 测试仪。而硬件的推动力并没有就此止步。为了测试 MIMO 系统，可能需要两台 6 GHz的设备。

Azimuth 的 Celine 宣称 MIMO 是测试工具要支持的一种不同技术。Azimuth 把焦点集中在研究 Wi-Fi 和 WiMax，并早在 MIMO 专业技能上投下赌注，以实现公司的差异化。Celine 指出，一台 MIMO 测试仪器中的信道仿真器（channel emulator）与传统仪器并不相同。Celine 表示：“在单输入/单输出（single input/single output，SISO）时，仿真器是作为一个干扰源。而在 MIMO 中，让技术得以运作的是多路径。”

放大器优化经验

一些使用情景能帮助说明仪器的其它特性和设计挑战，并详细说明如何在实验室中使用这种仪器。Agilent 公司的 Stark 将功率放大器看作是在一种标准（如Mobile WiMax）OFDMA 射频设计的关键部分。她表示，一个糟糕的功率放大器设计会对电池寿命、距离和数据速率带来不利的影响，而这些是一个产品对消费者非常重要的终极属性。

根据 Stark 的说法，功率放大器在Mobile WiMax 情况下会成为一个问题，因为调制方法会将设计的放大器推入一个非线性区。另外，输出信号必须要没有规律地改变，并且有一个高的峰值对平均之比值（peak-to-average ratio）。WiMax 设计的客户端亦有空间和发热的限制。

在这一代的模拟与计算工具中，不需要建立硬件就可以开始功率放大器的开发。可以用 Agilent 公司的 EEsof RF 模型建立 EDA 工具来进行放大器的设计和模拟。EEsof 工具可以馈入一台信号产生器（signal generator），并用 PC 上的 89600 VSA 软件来描述设计的特性。VSA 软件包在 PC 上运行，并且可以与Agilent 的各款示波器与信号分析仪器介接。

Stark 提供了几个规格的实例，可以用在这种情境下的特性描述与调谐（tune）。例如，WiMax 与蜂窝标准中有个一般称为误差向量幅度（error-vector-magnitude，EVM）或相对星座误差（relative-constellation-error，RCE）的规格，这是用来测量星座图的精度。功率放大器是添加到 EVM/RCE 误差的一个部件。比如，一个采用二进制相移键控（binary phase-shift keying，BPSK）或四相 QAM（four-phase QAM，4-QAM）的简单系统在调制符号间有较宽的间隔，这种系统可以容忍比较高的 EVM/RCE 值。但一个 64 相 QAM（64-phase QAM，64-QAM）系统的误差预估值（error budget）就比较小，而据 Stark 表示，放大器的设计一般对误差预估值的贡献最多为 1%。

你可以只依照一个可用的无线来进行 EVM/RCE 测试。但在 Stark 的例子中，仿真组件可以在将设计转为硬件以前进行测试和优化。

放大器产生的问题

Tektronix 仪器业务部的全球 RF 技术营销经理Darren McCarthy 也同意功率放大器的设计是无线客户端电池寿命与性能的关键。McCarthy 指出在 OFDM 或 OFDMA 系统中要尽量减少一个信道向其它信道的功率泄漏。对这种情况的测试就是邻近通道功率比（adjacent-channel-power ratio ，ACPR），它是系统线性度的一种量测。

不过如前所述，像Mobile WiMax 和 LTE 这种系统都会使功率放大器进入非线性区，而这会对 ACPR 带来负面的影响。设计工程师转而采用数字预失真（digital predistortion，DPD）等技术以尽量降低 ACPR的情况是越来越多。但 DPD 会带来新的问题：内存效应（memory effect），这是来自于电的特性，诸如源阻抗和负载阻抗以及电热耦合等。

传统上，设计工程师采用频谱分析仪和软件工具来测量 ACPR。但 McCarthy 宣称这种 ACPR 测量测的是平均功率，传统频谱分析仪使用的扫频（swept-spectrum）方法会漏掉瞬态信号（transient signal），如由记忆效应产生的信号。Tektronix 提供一个系列的实时频谱分析仪，它可以连续完成频域转变（frequency-domain transformation），以捕捉记忆效应的瞬变。图 2 是一款 Tektronix 的数字荧光频谱（digital-phosphor-spectrum）显示器。黄色曲线是表示邻近信道的最大噪声。McCarthy 宣称该仪器能捕捉到持续 24µsec 以上的任何瞬变。

McCarthy 认为还有一种能力也一样重要，那就是将问题瞬变的出现与其根源联系起来。仪器支持频率屏蔽触发（frequency-masked triggering），因此可以将该触发器连接到其它各类仪器上。McCarthy 表示可以用这种触发器来确定造成放大器增益变化（因此产生瞬变）的软件指令位置。

UWB 和其它标准

宽区域的（wide-area）无线技术并不是唯一处于变化中的技术。设计工程师当然需要好的测试仪器来因应像 UWB 这类的标准。Tektronix 的 McCarthy 表示，UWB 和 IEEE 802.11n 等标准带来了特殊的挑战，因为它们能提供“环境的认知（cognition of the environment）”。这种可认知射频在免授权频段的标准中尤其重要，因为射频必须避免干扰到其它的发射器。

UWB 社团已开发出了探测并避免（detect-and-avoid，DAA）技术，以确保宽带发射之间不会相互干扰。欧洲、日本和一些其它地区都将遵守 DAA的要求。McCarthy 指出，虽然 UWB 发射功率远低于蜂窝系统等的发射器，但 UWB 发射器仍会与蜂窝接收机产生干扰。因此，DAA 基本上都规定了要聆听（listening）某台发射器，以避开该发射器工作的频率。

DAA 实现了现有的一些工作模式。UWB 采用三个 500 MHz 通道，供 UWB 射频的跳频。最简单的形式下，DAA 在其它发射器存在时并不会使用三个通道中的某一个。不过在很多情况下，一个系统可以采用更颗粒状（granular）的方法来避免干扰。透过使用一种音调指零（tone-nulling）技术，发射器就可以简单地避开某个 500 MHz 频段内的一个窄范围之副载波（subcarrier）。据 McCarthy 说，Tektronix 带有可选 UWB 软件的 AWG7000 信号产生器，可以让设计团队测试所有的 DAA 模式。

冲击 LTE

展望未来，所有测试供货商都热切地在发展实验室中的 LTE 产品，同时也有一些产品在出货了。Rohde & Schwarz 公司的 Panzer 表示，该公司早先已与一家领先芯片供货商合作，提供可以完成 PHY 和 RF 测试的设备。事实上，CMW500 既可以支持 WiMax，也提供 LTE 支持。

Azimuth 公司的 Celine 则坚持说，所有人都会面临有效 MIMO 支持的挑战。他相信，公司从 WiMax 获得的 MIMO 经验将有助于为未来 LTE 产品提供良好服务。他说：“LTE 是一个非常不同的频段。我们正在重新设计 RF 前端，但这比处理一种新的调制方法要简单。”

无论正在做哪种类型的系统，您可能都会想到所有测试供货商已提过的一种普遍认识：用于无线通信等技术的标准并不能提供设计建议。Agilent 公司的 Stark 说：“一份标准的文件定义了系统性能。但它并未告诉工程师如何设计。” 您可能对此一事实很清楚。不过这意味着，你最好要对设计进行彻底的测试，并且无线通道的不可知性可能会远远高于以往经历过的任何其它环境。

参考文献

1. Wright, Maury, “WiMax gains in mobile-broadband game, but 4G lurks,” EDN, March 29, 2007, pg 56, www.edn.com/article/CA642878

2. Heath, Robert W, Jr; Kapil R Dandekar; and Scott M Nettles, “UT and Drexel use NI PXI and LabView for wireless research,” http://sine.ni.com/csol/cds/item/vw/p/id/587/nid/124100

图片说明

图 1 运行在 National Instruments 公司 LabView 上的 Modulation Toolkit 可以让设计工程师快速地对无线系统建立模型，提供各种诊断工具，如星座图和眼图。

图 2 Tektronix 的实时频谱分析仪系列透过连续执行 FFT，可以捕捉到短至 24 ms 的瞬变，因此仪器可以显示 OFDM 系统中的重迭信道（overlapping-channel）之噪声。

频率范围从 3.3GHz到可选的 6 GHz之Rohde & Schwarz 公司 CMW500 行动射频测试仪，可支持各种新兴标准，例如：Mobile WiMax。

Agilent 公司的 89601A LTE 信号分析包可对一个 LTE 下行链路信号完成一次误差向量幅度（error-vector-magnitude，EVM）测量，并显示出一幅星座图。