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[导读]许多移动通信业者致力于部署LTE-Advanced多天线技术,以改善其移动通信系统的连接性和峰值数据速率。多天线技术可增加发射器、接收器或两者的天线数量,是提高系统容量的关键技术,目前已被应用于无线局域网络(WLAN)标准,如802.11n和802.11ac。

今天,有越来越多人倚赖无线设备来管理电子邮件、社交媒体、银行帐务,并且下载或串流影片和电影。在许多市场中,LTE和LTE-Advanced已经成为主流技术,而下一代5G标准也已经进入前期研究和定义阶段。在蜂窝通信应用中,LTE-Advanced是下一个最主要的技术增长领域,以因应消费者需求,直到5G技术能开始推出商用服务为止。

许多移动通信业者致力于部署LTE-Advanced多天线技术,以改善其移动通信系统的连接性和峰值数据速率。多天线技术可增加发射器、接收器或两者的天线数量,是提高系统容量的关键技术,目前已被应用于无线局域网络(WLAN)标准,如802.11n和802.11ac。

藉由部署多天线技术,业者可实现更出色的频谱效率和更高的峰值数据速率。以下为目前常用的技术:

路径分集(Path Diversity)

此技术在发射器或接收器端使用多个天线,藉以改善信号稳定性,或是让接收器能够正确地接收所发送的数据。路径分集也可部署为传输分集(Transmit Diversity),以便透过发射器端的多个天线,将数据发送到单一接收器。路径分集还可部署为接收分集,透过单一发射器将数据发送到接收器端的多个天线。如果通道的讯噪比不佳,这两种多天线配置有助于改善信号稳定性。

空间多任务(Spatial Multiplexing)

这项用于多重输入/多重输出(MIMO)的技术,在发射器和接收器端使用两个或多个天线来提高空间效率。利用MIMO,在发射器或接收器端的每一个天线,可传送独立和单独编码的数据信号(数据流)。在通信电路的每一端,个别天线所传送的数据将结合在一起,以便尽可能减少错误,并且全面提升数据传输速度。MIMO被广泛用于许多提供高数据速率的无线技术,例如LTE、LTE-A、WiMAX和WLAN 802.11n/ac。空间多任务技术改进了空间效率和单一用户的数据传输速率。多使用者MIMO(Multi-user MIMO)是一种空间多任务形式,可在同一频谱上同时将数据传送给多个用户。

波束操控或波束成形

使用多个天线来进行定向发射,以便操控特定接收器的信号传输方向。相同的信号经由两个或多个空间分离发射器同时进行传输。此技术使用振幅和相位调整技术,以便用破坏性或建设性方式来结合多个传输信号。建设性(或相位同调)信号可用建设性方式结合起来,进而产生一个波束码型(Beam Pattern)。利用建设性组合,相结合的信号可在接收器天线上提供更多的能量,进而产生更稳定的信号,并且改善接收器端的讯噪比。波束操控/波束成形的好处包括更出色的选择性、干扰管理、更高的增益,并提供更好的讯噪比。

这些多天线技术被广泛用于当今的无线通信系统。多天线技术和多用户波束成形,预料将成为5G关键技术,可利用基站安装的数百只天线,在同一时间与多个移动设备进行通信。这项技术又称为Massive MIMO。

设计和开发使用多天线技术的通信系统时,随着天线数量不断增加,工程师须透过比以往更为复杂的配置来执行必要的系统验证测试。验证多天线配置带来了许多新的挑战,包括须同时分析多个发射或接收链路;以及对MIMO配置进行多信道同步测试。此外,在波束成形应用中,通道之间必须维持精准的时序和同步;而相位同调性可确保适当的通道间相位和振幅测量。多信道同步测试系统具有可扩充性,并可使用共享资源来进行触发和同步,有助于克服这些测试挑战。

图1、使用一个主要CLK来同步数据的撷取或播放。

相位同调性

想要让不同信号或信道维持同步是个困难的任务,这需要在多仪器环境中进行。一般而言,主要参考信号可用来校准所有的CLK信号。在(图1)所示的情况下,主要参考信号使用一条PXI触发线,将初始化触发传送到所有从属的模块。等到所有通道都准备好之后,则主要单元将送出一个触发事件的信号,接着所有模块将在下一个10MHz CLK信号源上开始运作。此方法可确保所有动作的开始时间均经过校准,因此所有信道可同时进行数据撷取或播放。

通用的频率参考提供时序校准,但不提供相位同调性。在波束成形应用中,这会带来问题,因为须透过振幅和相位偏移来建立波束码型。模拟真实世界的传输或测量时,通常需藉助通道之间的相位同调性。如果两个信号在时间上具有恒定的相对相位,代表它们具有相位同调性。如果每一次的信号产生或每个测量通道,都有其独立产生的信号,则每个信道的相位特性将各不相同,因而很难在多个通道之间实现恒定的相对相位。

藉由使用提供通道间相位同调性的模块化仪器,可以让所产生的信号或测量信道之间。具有相位稳定关系。要获致真正的相位同调性,方法之一是让每个通道共享一个本地振荡器(LO),确保所有通道具有相同的相位特性。利用这种方法,分析仪中的每个降频器,或是信号源中的每个调变器,都共享相同的相位特性,包括相位误差。在恒定的相位和通道间时序偏差(每个仪器路径中的延迟)下,工程师可全面分析射频路径的特性,如(图2)所示。测量系统必须能够容纳信道之间的振幅和相位差异。如未经过校验,测量结果的准确度将会下滑。使用校验技术来修正偏移后,工程师可确定所有测量差异均来自于待测物,而非测试设备。进行修正时,首先需测量通道间的差异,然后再进行调整。其方法是针对每个分析仪通道,每次在每个信号源信道上产生一个已知的参考信号,然后对结果进行测量。(图3)显示校验对于波束码型准确度的影响。

图2、透过共享的LO来实现多通道分析仪的相位同调

综上所述,有越来越多无线通信系统相继采用多天线技术。然而,这将为工程师带来新的挑战,因为他们必须针对这些复杂的多信道系统来开发并验证测试系统和方法。模块化仪器平台提供可扩充的信道数、信道间同步,以及相位同调和其他特性,可有效解决这些问题。

图3、左右两图分别显示使用和未使用时间和相位修正技术所测得的波束码型。

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