Тестирование формирования луча в LTE

LTE превращается в основную беспроводную технологию. Одна из новых особенностей этого стандарта, технология многоканального входа и выхода (MIMO), обеспечивает различные преимущества.

Она повышает пропускную способность, увеличивает радиус действия, уменьшает помехи и увеличивает отношение сигнала к сумме шума и помех (SINR) с использованием формирования луча. LTE поддерживает различные режимы для оптимизации настроек передачи.

Базовая станция LTE MIMO включает блок модулирующих сигналов, выносной радиомодуль (RRH) и систему, содержащую до восьми антенн. RRH преобразует с повышением частоты цифровые сигналы блока модулирующих сигналов в аналоговые сигналы для каждой антенны.

Задача

В описанном сценарии ПО базовой станции управляет взвешиванием сигналов отдельных антенн, чтобы направлять главный лепесток луча на абонентское оборудование. В результате получаются сложные сигналы. Взвешивание каналов осуществляется посредством умножения на комплексный вектор, что обусловлено поляризацией. Для тестирования ПО или отладки системы важно анализировать сигналы и проверять взвешивание, которое может быть предварительно определенным согласно стандарту или адаптивным в зависимости от положения абонентского оборудования.

Контрольно-измерительное решение

Эффективное решение этой задачи обеспечивают инструменты исследования R&S®RTO2044 и R&S®RTO1044 для анализа амплитуды и фазового сдвига между каналами антенн. Благодаря высокой скорости сбора данных и высокоэффективному БПФ можно быстро обнаруживать изменения сигналов без преобразования с понижением частоты. Полоса пропускания осциллографов R&S®RTO охватывает заданные диапазоны частот.

Формирование луча обычно используется режиме LTE TDD (дуплексная связь с временным разделением), когда сигнал не является непрерывным. Для таких сигналов в осциллографах R&S®RTO предусмотрен запуск по длительности и по окну, чтобы фиксировать импульс в нисходящем канале и не регистрировать паузы. В результате значительно упрощается анализ спектра. Дополнительное преимущество приборов R&S®RTO — это поддержка нескольких каналов. Доступно удобное расширение на несколько осциллографов, если требуется параллельно анализировать больше четырех каналов.

Применение

В представленном примере измерительной установки каналы REF и MEAS1 передатчика LTE подключаются к прибору R&S®RTO, что соответствует системе 1×2 MIMO.

Вертикальные и горизонтальные настройки

В процессе первого измерения передатчик LTE формирует сигнал LTE TDD, а осциллограф собирает данные этого сигнала с использованием двух каналов с масштабом по вертикали, превышающем 80 % от полной шкалы.

Масштаб по горизонтали настраивается для достижения компромисса между высокой скоростью сбора данных для получения достаточного количества отсчетов для БПФ и достаточной полосой разрешения (RBW).

Запуск по длительности прибора R&S®RTO используется, чтобы фиксировать только пакеты сигнала LTE TDD. Паузы между импульсами игнорируются и результаты БПФ не искажаются шумом в паузах.

На рис. 3 представлена стабильная осциллограмма двух пакетов LTE TDD, зафиксированных с использованием запуска по длительности 1 мс и большого времени сбора данных 20 мс. Уровень запуска показан красной пунктирной линией.

Мощность сигнала

Для проверки спектрального соответствия сигнала используется показанный ниже спектр канала REF. Как и предполагалось, это сигнал с шириной полосы 15 МГц на частоте 2,0175 ГГц (диапазон LTE). Взвешивание по амплитуде можно измерить с использованием функции автоматизированного измерения VRMS для каналов REF и MEAS. Отношение среднеквадратичных напряжений каналов REF и MEAS дает амплитуду весового коэффициента. На рис. 4 справа под осциллограммами каналов REF (синяя) и MEAS (розовая) показаны результаты измерения среднеквадратичного напряжения. Измерения обеспечивают точное значение, поскольку они выполняются только для сигнала. Благодаря настройке запуска шум в паузах не измеряется.

Фазовый сдвиг

Для расчета разности фаз между каналами REF и MEAS настраивается канал MATH. Результат показан на рис. 5.

Два момента заслуживают внимания:

  • Во-первых, случайные пики на графике. Эти пики возникают вследствие не синхронизированной с символами дискретизацией. Их можно уменьшить посредством синхронизации осциллографа тактовым сигналом передатчика, настройки полосы разрешения (RBW) БПФ равной полосе поднесущей LTE 15 кГц и настройки позиции запуска на оптимальную точку 40 мкс для данного примера. На рис. 6 представлен улучшенный сглаженный график разности фаз. Спектр канала REF также улучшен по сравнению с рис. 4
  • Во-вторых, график накладывается на линейную функцию вследствие задержки измерительной установки. Влияние задержки или любой другой девиации фазы можно легко устранить посредством калибровки установки без формирования луча (взвешивания). При этом создается график REF на основе графика разности фаз, а затем вычитается график REF из разности фаз. На рис. 7 показана настройка в меню MATH с использованием функции fftphi, рассчитывающей фазу для выбранного канала.

На рис. 8 показан результат измерения фаз после калибровки в виде ровной линии. Чтобы оценить точность измерения, применяется гистограмма для графика и функции автоматизированных измерений на основе этого графика используются для определения среднего значения и среднеквадратичного отклонения для измеренных фаз. Результат отображается справа в значке сигнала, выделенный по периметру красной линией. Смещение (HMean) меньше 0,1°, среднеквадратичное отклонение (Hσ) меньше 0,25°, что вполне достаточно для измерения фаз с точностью 1° в типовом сценарии тестирования.

Измерение легко расширить на большее количество каналов (см. рис. 9). Например, для системы 1×4 MIMO требуется четырехканальный цифровой осциллограф R&S®RTO. С использованием делителя мощности для сигнала REF и трех осциллографов можно анализировать систему 1×8 MIMO посредством подключения выхода делителя к каждому осциллографу и распределения оставшихся семи сигналов между свободными каналами осциллографов.

Для более подробного анализа сигналов LTE прибор R&S®RTO можно объединять с ПО R&S®VSE, чтобы измерять дополнительные параметры, такие как модуль вектора ошибок (EVM), I/Q-дисбаланс и диаграмму сигнального созвездия.

Заключение

Формирование луча в LTE можно точно протестировать с использованием одного или нескольких цифровых осциллографов R&S®RTO в системах 1×2, 1×4 или даже в системе 1×8 MIMO. Амплитуда и фаза анализируются с достаточной точностью в типовом сценарии тестирования. Для измерений не требуется специализированное ПО, достаточно стандартного встроенного ПО прибора R&S®RTO.

Список литературы

  • 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