WiMAX技術(shù)的射頻測(cè)試的應(yīng)用，如何基于技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

WiMAX 作為一項(xiàng)無線局域網(wǎng)技術(shù)，同當(dāng)前的3G以及WIFI相比，在帶寬、覆蓋范圍及數(shù)據(jù)率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且具有維護(hù)成本低、架設(shè)方便、建設(shè)成本低等特點(diǎn)。對(duì)于這樣一種新興且富有前途的無線通信技術(shù)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行研發(fā)的機(jī)構(gòu)和企業(yè)總體來說卻仍然較少，市場(chǎng)上可以見到的基本上都是境外產(chǎn)品，價(jià)格也較高。研制開發(fā)無線局域網(wǎng)產(chǎn)品對(duì)于促進(jìn)我國(guó)無線局域網(wǎng)的發(fā)展具有重要的意義。但作為一項(xiàng)新技術(shù)，射頻技術(shù)設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)碾y度，尤其是5.8G頻段，對(duì)于功放的線性度、低噪放的噪聲指標(biāo)以及頻率源的相位噪聲指標(biāo)都提出了很高的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)的基于WiMAX技術(shù)5.8G無線專網(wǎng)射頻系統(tǒng)，主要采用0402封裝器件貼裝，與基帶電路聯(lián)系便利。

1 射頻收、發(fā)系統(tǒng)工作原理

射頻收、發(fā)系統(tǒng)作用是為基帶I，Q信號(hào)提供一個(gè)無線的收發(fā)通道。在發(fā)射時(shí)隙，基帶I，Q信號(hào)通過兩次混頻，一中頻為固定的380 MHz，二中頻本振頻率可變，以使射頻工作在期望的信道內(nèi)，變頻后的射頻信號(hào)經(jīng)濾波、功率放大后，由天線發(fā)送至遠(yuǎn)端;在接收時(shí)隙，天線接收的遠(yuǎn)端傳來的信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大后，通過兩次混頻，在接收AGC的控制下，等幅度地送至基帶處理板。

射頻模塊直接通過125芯的插座與基帶板相連，與基帶板連接信號(hào)通過125芯的插座傳輸，射頻信號(hào)通過MCX連接器安裝于PCB板上，并直接輸出到收發(fā)天線。

2 射頻收發(fā)模塊

2.1 高集成度芯片

選用頂級(jí)公司中頻芯片與射頻芯片作為本無線射頻系統(tǒng)集成度極高的解決方案。這些芯片由IF與RF收發(fā)器組成，支持4.9～5.9 GHz空中接口頻帶。該芯片組可通過復(fù)雜的I/Q接口支持系統(tǒng)工作在TDD模式。此款高度集成的芯片可縮小空間，不僅有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，而且還能節(jié)約材料清單(BOM)成本。中頻芯片具有低噪聲、高線性的特點(diǎn)只需要一個(gè)中頻濾波器，同時(shí)還包含兩個(gè)中頻和射頻頻率合成器，一個(gè)高速的數(shù)字可變?cè)鲆娣糯笃鳎湓鲆婵刂品秶_(dá)50 dB。

中頻芯片功能：在發(fā)射時(shí)隙內(nèi)完成I/Q基帶信號(hào)上變頻為380 MHz的固定中頻信號(hào);在接收時(shí)隙內(nèi)完成接收的380 MHz的固定中頻信號(hào)下變頻為零中頻的I/Q基帶信號(hào)。

射頻芯片功能：在發(fā)射時(shí)隙內(nèi)，完成380 MHz的固定中頻信號(hào)上變頻到所需的RF信道頻率;在接收時(shí)隙內(nèi)完成接收的RF信號(hào)放大并下變頻為380 MHz的固定中頻信號(hào)。

2.2 線性功率放大器

在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，功放的非線性失真對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量影響極大，在高階QAM調(diào)制系統(tǒng)中，臨界情況下功放的三階交調(diào)系數(shù)變壞1 dB，誤碼率將惡化80%。在本系統(tǒng)中，采用功率倒退法改善系統(tǒng)的三階交調(diào)系數(shù)，功放工作在末級(jí)功放的P1dB輸出功率以下10 dB(考慮收發(fā)開關(guān)及射頻濾波器1.6 dB的插損)，當(dāng)系統(tǒng)最大發(fā)射功率要求為16 dBm時(shí)，末級(jí)功放的P1dB至少應(yīng)為28 dBm。我們選用高效的線性功放，輸出功率為21.5 dBm時(shí)，EVM為3%，此指標(biāo)對(duì)于發(fā)射機(jī)的發(fā)射星座誤差指標(biāo)起決定性作用，整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的EVM指標(biāo)要求見表1。

2.3 接收靈敏度及接收AGC控制

接收機(jī)靈敏度是接收系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)802.16d系統(tǒng)而言，其接收機(jī)靈敏度可通過以下公式來計(jì)算：

Rss=-102+SNRrx+10Log((Fs*200)/256)

對(duì)3.5 MHz帶寬而言，這里的Fs=3.5*8/7

SNRrx為系統(tǒng)解調(diào)歸一化信噪比要求，對(duì)64QAM-3/4而言，其歸一化信噪比要求為24.4 dB。

通過計(jì)算Rss=-72.6 dBm。

接收機(jī)靈敏度與噪聲系數(shù)之間滿足關(guān)系式：

Rss=-174 dBm+101g BW+NF

因此要滿足上述的接收靈敏度要求，在帶寬確定的條件下必須使接收機(jī)的NF足夠小。我們選用的LNA噪聲系數(shù)優(yōu)于1.7dB，完全滿足指標(biāo)要求。

SS的接收靈敏度要求如表2所示(BER≤10-6)。

在通信系統(tǒng)中，接收機(jī)都要用到自動(dòng)增益控制(AGC)電路來提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)控制范圍，使強(qiáng)輸入信號(hào)不至于使接收機(jī)飽和而產(chǎn)生很大失真，小信號(hào)不至于使接收機(jī)解調(diào)器檢測(cè)不到而完全丟失，即為系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)脑鲆婧途€性度而滿足接收靈敏度的要求。

在本系統(tǒng)中，最大正常接收電平不小于-30 dBm，同時(shí)應(yīng)保證接收系統(tǒng)在0 dBm的輸入信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)不至于損壞;最小接收電平(即調(diào)制方式為BPSK時(shí)的接收機(jī)靈敏度)-91 dBm，AGC控制范圍91 dB。接收增益控制采用三級(jí)增益控制方案：第一級(jí)在LNA處，兩級(jí)LNA均具有旁路開關(guān)功能，可以將電流設(shè)置到0，并實(shí)現(xiàn)最小的插入損耗。當(dāng)接收到大信號(hào)時(shí)，旁路模式可調(diào)整動(dòng)態(tài)的接收增益范圍達(dá)26 dB以上;第二級(jí)在5.8 GHz的射頻信號(hào)處，射頻芯片中含有15dB的增益控制范圍;第三級(jí)在380 MHz中頻信號(hào)處，中頻芯片中帶有高速的數(shù)字VGA控制，其范圍達(dá)50 dB。

2.4 頻率源

由于射頻本振不是完美的連續(xù)波單頻率源，而是存在相位噪聲的，在射頻轉(zhuǎn)換級(jí)的輸出端他會(huì)使輸入信號(hào)發(fā)生變化。由于數(shù)字信號(hào)的相位里攜帶信息，所以引入的相位變化使誤碼率增加，調(diào)制的高階程度影響誤碼率的增加程度。對(duì)64QAM調(diào)制方式來講，要求在RF輸出頻率，偏置1 kHz，相位噪聲要求-88 dBc/Hz。同時(shí)射頻本振頻率漂移(即頻率穩(wěn)定度)使解調(diào)過程中產(chǎn)生相位誤差，致使有效信號(hào)幅度下降，誤碼率增加;頻率穩(wěn)定度的技術(shù)指標(biāo)取決系統(tǒng)采用的調(diào)制方式及用戶對(duì)通信質(zhì)量的要求。本系統(tǒng)采用64QAM調(diào)制方式，要求頻率穩(wěn)定度±1.5×10-6。頻率源的頻率穩(wěn)定度及相位噪聲是系統(tǒng)的又一關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，我們擬采用環(huán)路鎖相技術(shù)進(jìn)行頻率合成，基準(zhǔn)源采用高穩(wěn)定晶體產(chǎn)生。

3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試按照基于802.16的固定寬帶無線接入點(diǎn)對(duì)點(diǎn)射頻技術(shù)要求測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)，采用AGILENT儀表E4438C作為信號(hào)源，E4440C作為矢量信號(hào)分析儀進(jìn)行測(cè)試。該系統(tǒng)最大輸出功率為18 dBm，最小功率低于-50 dBm。信道帶寬選用3.5 MHz，發(fā)射EVM優(yōu)于-31 dB。具體指標(biāo)見圖3。接收信號(hào)電平-30～-91 dBm，最小接收信號(hào)電平低于-91 dBm(BPSK調(diào)制方式)。

WiMax技術(shù)要在具體的應(yīng)用場(chǎng)景中體現(xiàn)出自身的優(yōu)勢(shì)，才能得到市場(chǎng)的認(rèn)可，這就需要通過應(yīng)用測(cè)試來衡量系統(tǒng)的性能參數(shù)。WiMax的測(cè)試方法分為三部分：協(xié)議分析、無線射頻分析，傳輸性能分析。根據(jù)協(xié)議分析、無線射頻分析和傳輸性能分析得出測(cè)試的綜合結(jié)果。

WiMax 接收測(cè)試

在進(jìn)行WiMax放大器及模塊測(cè)試時(shí)，需要輸入一個(gè)理想的測(cè)試信號(hào);在進(jìn)行BS(基站)，RS(中繼站)或SS(終端)接收機(jī)性能測(cè)試時(shí)，需要輸入一個(gè)經(jīng)過空間信道傳輸?shù)臏y(cè)試信號(hào)。

數(shù)字矢量信號(hào)源SMU/SMJ/SMATE可以產(chǎn)生包含了完整的無線幀設(shè)置，MAC(媒體接入層)設(shè)置，信道編碼等符合規(guī)范或用戶自定義的WiMax信號(hào)。

無線幀設(shè)置

OFDM模式

圖1是OFDM TDD模式的幀結(jié)構(gòu)。

圖1 OFDM模式幀機(jī)構(gòu)

下行子幀包含三個(gè)部分：Preamble(前導(dǎo))，F(xiàn)CH(幀控制頭)和下行data burst。

Preamble位于上下行子幀的起始，用于收發(fā)信機(jī)之間的同步以及信道估計(jì)。在符號(hào)結(jié)構(gòu)上分為long preamble和 short preamble：long preamble用于下行子幀，由兩個(gè)符號(hào)組成，其中第一個(gè)符號(hào)每四個(gè)子載波出現(xiàn)一次，第二個(gè)符號(hào)每?jī)蓚€(gè)子載波出現(xiàn)一次。Short preamble用于上行子幀，由一個(gè)符號(hào)組成，每?jī)蓚€(gè)子載波出現(xiàn)一次，如果下行子幀傳輸多個(gè)data burst，那么每個(gè) burst之間的midamble也是 short preamble。

FCH(Frame control header)位于Long Preamble之后，由一個(gè)符號(hào)組成，包含了一些系統(tǒng)信息如基站ID和DL data burst的屬性，用于接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)。

DL Burst包含了MAC PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)和一些廣播信息，如DL-MAP、UL-MAP、DCD(下行信道描述)、UCD(上行信道描述)。一個(gè)完整的PDU應(yīng)由48比特的MAC Header，Payload(資料段)和循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC組成。

上行子幀除了Preamble和UL PDU之外，還包含了ranging(測(cè)距)部分。Ranging的過程是由SS發(fā)送請(qǐng)求給BS，以進(jìn)行發(fā)射功率，時(shí)延和頻偏的調(diào)整。

OFDMA模式

圖2是OFDMA模式的幀結(jié)構(gòu)。

圖2 OFDMA模式幀機(jī)構(gòu)

由于引入了基于logical subchannel(邏輯子信道)的Access，OFDMA的無線幀結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些。圖2顯示了由symbol number和subchannel number組成的幀結(jié)構(gòu)平面，Preamble，F(xiàn)CH，廣播信息和data burst都分布在此平面上。這個(gè)平面由Zone和segment組成，它們彼此通過symbol offset和 subchannel offset區(qū)分。

對(duì)于subchannel的使用分為PUSC和FUSC，即部分使用subchannel和全部使用subchannel，而subchannel分為六組，其數(shù)量由FFT Size決定，F(xiàn)FT Size 2048/1024/512/128分別對(duì)應(yīng)60/30/15/3個(gè)subchannel。

RS信號(hào)源SMU目前可支持Preamble, FCH, DL-map, UL-map, ranging, MAC PDU(MAC Header

ayload;CRC)的自動(dòng)生成或自定義設(shè)置。對(duì)于OFDMA(WiBro)模式，可支持多達(dá)8個(gè)Zones和3個(gè)segments的配置。

WiMax信號(hào)產(chǎn)生應(yīng)用

預(yù)設(shè)置幀結(jié)構(gòu)

802.16測(cè)試規(guī)范中并沒有定義類似于3GPP的test model，只是給出了一些用于接收機(jī)靈敏度測(cè)試的test message，在SMU中預(yù)設(shè)置了三種不同長(zhǎng)度(288/864/1536bits)的message，并且每一種message都提供了不同的調(diào)制方式和編碼速率。這項(xiàng)應(yīng)用可以方便快捷的生成WiMax信號(hào)。

上下行信號(hào)同步發(fā)射

在一些基站，直放站，模塊等測(cè)試環(huán)境中，常常需要WiMax信號(hào)同時(shí)包含上下行部分，模擬相互之間的干擾。內(nèi)置兩個(gè)信號(hào)通路的SMU提供了該項(xiàng)功能。

TDD模式：通過基帶單元A觸發(fā)基帶單元B，并且在基帶部分進(jìn)行疊加，再通過調(diào)整兩者之間的觸發(fā)時(shí)延，便可以用一路射頻通道輸出包含完整上下行數(shù)據(jù)的TDD信號(hào)。

FDD模式：如果上下行信號(hào)載頻間隔不超過+/-40MHz，則可以通過上述基帶疊加功能，再設(shè)置相應(yīng)的頻偏即可;如果載頻間隔較大，則可以通過兩路射頻分別輸出同步觸發(fā)的上下行信號(hào)。

衰落模擬應(yīng)用

收發(fā)信機(jī)之間的傳輸常常在空間信道下進(jìn)行，其間不僅存在視距傳播，還包含了由于環(huán)境影響產(chǎn)生的反射和折射，以及在移動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的多普勒頻移等。SMU提供了多達(dá)40個(gè)路徑的衰落仿真器，可以模擬多種衰落屬性以及動(dòng)態(tài)衰落環(huán)境。

WiMax規(guī)范暫未給出標(biāo)準(zhǔn)的衰落模型，目前一般使用3GPP規(guī)范提供的模型或SUI1-6(Stanford University Interim)進(jìn)行測(cè)試，而WiMax Forum的技術(shù)工作組也在討論是否在這些模型的基礎(chǔ)上衍生出WiMax的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

WiMax 發(fā)射測(cè)試

功率測(cè)量

功率計(jì)測(cè)試：NRP提供了三種測(cè)量WiMax信號(hào)功率的方法

Duty cycle：已知Frame周期和Burst長(zhǎng)度，即占空比，可用該模式測(cè)試Burst平均功率。

Scope Mode：通過測(cè)量Power Vs Time，進(jìn)行門限掃描，可以得出Burst平均功率。

Burst Mode：通過功率探頭的觸發(fā)功能進(jìn)行Burst捕獲，得出Burst平均功率。

其中后兩種方法不需要知道WiMax信號(hào)具體的幀結(jié)構(gòu)信息。

頻譜儀測(cè)試

時(shí)域測(cè)量

圖3顯示的是時(shí)域上對(duì)WiMax信號(hào)的Preamble功率進(jìn)行測(cè)量，為了準(zhǔn)確的得出測(cè)量結(jié)果，需要使得測(cè)量帶寬覆蓋WiMax信號(hào)帶寬。