LTE-Beamforming testen

Ihre Anforderung

In dem beschriebenen Szenario steuert die Basisstation-Software die Gewichtung der einzelnen Antennensignale, um die Hauptkeule des Strahls zum Endgerät auszurichten. Diese Signale sehen kompliziert aus. Das Verhältnis der Gewichtung zwischen den Kanälen ist aufgrund der Polarisation eine Multiplikation mit einem komplexen Vektor. Für Software-Tests oder System-Debugging ist es wichtig, die Signale zu untersuchen und die Gewichtung zu verifizieren. Diese kann entweder gemäß dem Standard vorgegeben sein oder sie lässt sich an die Position des Endgeräts anpassen.

Messtechnische Lösung

Für diese Anforderung sind das R&S^®RTO2044 und das R&S^®RTO1044 leistungsfähige Werkzeuge zur Untersuchung und Analyse von Betrag und Phasenverschiebung zwischen Antennenkanälen. Aufgrund der hohen Erfassungsrate und der leistungsstarken FFT lassen sich Signaländerungen schnell und ohne Abwärtsmischung entdecken. Die Bandbreite des R&S^®RTO deckt die festgelegten Frequenzbänder ab.

Strahlformung kommt bei LTE üblicherweise im Zeitduplex-Modus (TDD) zum Einsatz, wenn das Signal nicht zusammenhängend ist. Für diese Signale verfügen die R&S^®RTO Oszilloskope über die Trigger-Arten „Width“ und „Window“. Mit diesen lässt sich der Downstream-Puls erfassen und verhindern, dass Pausenzeiten aufgezeichnet werden. Dadurch wird die Spektrumanalyse wesentlich vereinfacht. Ein weiterer Vorteil ist die Mehrkanaligkeit des R&S^®RTO. Sie lässt sich ganz einfach auf mehrere Oszilloskope ausweiten, falls mehr als vier Kanäle parallel analysiert werden müssen.

Anwendung

Im Beispielmessaufbau wurden die Kanäle REF und MEAS1 eines LTE-Senders an das R&S^®RTO angeschlossen. Dies entspricht einem 1×2-MIMO-System.

Vertikale und horizontale Einstellungen

In einer ersten Messung aktiviert der LTE-Sender ein LTE-TDD-Signal, und das Oszilloskop erfasst dieses Signal mit zwei Kanälen und einer vertikalen Skalierung von mehr als 80 % des kompletten Darstellungsbereichs.

Die horizontale Skalierung wird so eingestellt, dass ein Kompromiss zwischen einer hohen Erfassungsrate, einer genügend großen Anzahl von Abtastwerten für die FFT und einer hinreichenden Auflösebandbreite (RBW) erreicht wird.

Der Width-Trigger des R&S^®RTO wird angewandt, um nur die Bursts eines LTE-TDD-Signals zu erfassen. Die Lücken zwischen den Pulsen werden ignoriert, und die FFT-Messung des Signals wird nicht durch das Rauschen der Abschnitte mit den Lücken beeinflusst.

Abb. 3 zeigt ein stabiles Kurvenbild von zwei LTE-TDD-Bursts, die mit einem Width-Trigger von 1 ms und einer langen Aufzeichnungszeit von 20 ms erfasst wurden. Der Trigger-Pegel wird mit einer roten, gestrichelten Linie dargestellt.

Signalleistung

Um die spektrale Konformität eines Signals zu prüfen, wird das Spektrum des REF-Kanals unten angezeigt. Wie erwartet handelt es sich um ein 15 MHz breites Signal bei 2,0175 GHz (LTE-Band). Die Gewichtung lässt sich in Bezug auf den Betrag mit der automatisierten VRMS-Messfunktion für die Kanäle REF und MEAS messen. Das Verhältnis der Effektivspannungen zwischen den Kanälen REF und MEAS ergibt den Betrag des Gewichtungsfaktors. Abb. 4 zeigt rechts die Messung der Effektivspannung, unterhalb befinden sich die Messkurven der Kanäle REF (blau) und MEAS (rosa). Diese Messung liefert einen exakten Wert, da sie sich nur auf das Signal bezieht. Die Trigger-Einstellung gewährleistet, dass das Rauschen während einer Lücke von der Messung ausgeschlossen ist.

Phasenverschiebung

Für die Phasenverschiebung zwischen den Kanälen REF und MEAS wird ein MATH-Kanal eingerichtet, um den Phasenversatz zu berechnen. Das Ergebnis ist in Abb. 5 zu sehen.

Zwei Dinge stechen hervor:

• Erstens die vereinzelten Nadelimpulse auf der Messkurve. Diese Nadelimpulse entstehen aufgrund von nicht symbolsynchronem Abtasten. Sie können reduziert werden, indem man das Oszilloskop an den Sendertakt koppelt, die FFT-Auflösebandbreite (RBW) an die LTE-Unterträgerbandbreite von 15 kHz angleicht und die Trigger-Position auf den optimalen Zeitpunkt einstellt, in diesem Beispiel 40 μs. Der verbesserte Phasenversatz wird in Abb. 6 dargestellt und erscheint wesentlich glatter. Das Spektrum des REF-Kanals hat sich im Vergleich zu Abb. 4 ebenfalls verbessert.

• Zweitens wird die Messkurve aufgrund der Laufzeit im Messaufbau von einer linearen Funktion überlagert. Die Auswirkung der Laufzeit oder jeder beliebigen anderen Phasenabweichung lässt sich einfach beseitigen, indem man den Aufbau ohne Strahlformung (Gewichtung) kalibriert, eine REF-Messkurve aus dem Phasenversatzgraph bildet und die REF-Messkurve vom Phasenversatz abzieht. Abb. 7 zeigt die Definition im MATH-Menü mit der Funktion „fftphi“, die die Phase zwischen den gewählten Kanälen berechnet.

Als Folge der Kalibrierung wird die Phasenmessung in Abb. 8 als flache Linie dargestellt. Zur Beurteilung der Messgenauigkeit werden ein Messkurven-Histogramm und automatisierte Messfunktionen auf Basis dieses Histogramms angewandt, um den Mittelwert und den Sigma-Wert der Phasenmessung zu bestimmen. Das Ergebnis wird in einer rot umrandeten Signalikone rechts angezeigt. Es stellt sich heraus, dass der Versatz (HMean) geringer als 0,1° und Sigma (Hσ) geringer als 0,25° ist. Dies genügt, um die Phase in einem typischen Testszenario mit einer Genauigkeit von 1° zu messen.

Die Messung lässt sich einfach auf mehrere Kanäle erweitern (siehe Abb. 9). Beispielsweise würde man für 1×4 MIMO ein R&S^®RTO digitales Oszilloskop mit vier Kanälen benötigen. Bei Verwendung von drei Oszilloskopen und eines Leistungsteilers für das REF-Signal könnte man ein 1×8-MIMO-System analysieren, indem man den Teilerausgang mit jedem Oszilloskop verbindet und die übrigen sieben Signale auf die freien Oszilloskopkanäle verteilt.

Für eine tiefergehende Analyse von LTE-Signalen lässt sich das R&S^®RTO mit der R&S^®VSE kombinieren, um zusätzliche Parameter wie Fehlervektorbetrag (EVM), I/Q-Gleichlauf und das Konstellationsdiagramm zu messen.

Fazit

Die LTE-Strahlformung lässt sich mit einem oder mehreren R&S^®RTO Digitalen Oszilloskopen für ein 1×2-, 1×4- oder sogar ein 1×8-MIMO-System exakt testen. Betrag und Phase werden in einem typischen Testszenario mit hinreichender Genauigkeit untersucht. Die Messung erfordert keine dedizierte Software und lässt sich mit der Standard-Firmware des R&S^®RTO durchführen.

Bibliografie

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