高频宽的传输应用如串流视讯愈来愈多，也因此对无线通讯系统的传输率或覆盖率需求不断升高。 Release 8版的3GPP规格订定了LTE（Long Term Evolution）标准，朝向4G的系统发展，当中包含了新的运作要求，也就是基地台和手机会透过两个或更多个发射／接收链进行通讯，并充分利用无线传输路径之间的差异性。其做法是先针对发射器到接收器之间的路径产生一个数学模型，借以解出最后所需的方程式。

LTE会要求基地台和手机的设计与测试需做一些根本的改变，原因包括：

• ●需要应付六种不同的通道频宽（范围从1.4到20 MHz），以及分频（FDD）和分时（TDD）双工两种模式。





• ● 需要支援多重天线技术。

LTE定义了五种技术，以提高链路的效能，包括：

• ●行动电话端的接收分集（diversity）；





• ●基地台（eNB - evolved Node B）端的发射分集：运用SFBC空频区块码技术；





• ●eNB端的MIMO空间多工，给一或两位使用者使用；





• ●eNB端的CDD循环延迟分集，搭配空间多工技术使用；





• ●beam steering波束定向,依使用者不同而异。

接收器的设计与测试

测试接收器基本子区块

接收器测试的最大目的是要验证整个接收器的效能，不过，必须先测试接收器的基本子区块，并了解当中的不确定度。若使用了多组接收器，则在验证多支天线的效能之前，必须先分别测试每一个接收链。这样的原则同时适用于FDD和TDD存取模式。

《图一 典型LTE手机的射频部分简化区块图》

新式UE接收器的整合度非常高，单一个元件就能执行多种功能，代表可以插入或观察信号以利测试的地方可能会变少。

开／闭回路测试

开回路​​测试，也就是待测的接收器不将资讯回馈送回给发射端，足以测试出接收器中个别元件的基本特性，这项测试也是验证基频单元之解调演算法的第一步。然而，若要在真实的环境条件中，完整地验证接收器整体的效能，就需要透过信号会衰减的通道，进行闭回路（closed loop）测试。在闭回路测试中，会依据即时的封包确认情形，​​运用增量冗余法（incremental redundancy）重送遗失的封包。

同样地，传送时使用的调变和编码方式也是依据即时回馈的资讯。不论是哪一种情况，透过回馈所得到的资讯可用在整个通道频宽内，针对子频带进行最佳化调整，以便进行与频率选择相关的排程。

分析ADC输出

在今日的设计中，通常会透过ADC，将降频转换过的IF讯号转换成数位讯号，再馈入基频单元中，进行解调和解码。分析ADC的输出不是件容易的事，因为该输出现在已经变成数位的形式。解决方法之一是利用逻辑分析仪，直接撷取数位的资料。尽管大部分逻辑分析仪的应用软体主要都不是用来产生RF量测所需的参数，但量测厂商可以在一些频谱分析仪、逻辑分析仪和示波器上执行的向量讯号分析软体，却能提供独特的方式来分析ADC的效能。其作法是直接对数位资料进行传统的RF量测,让设计人员可以量化出ADC的效能对系统整体效能的影响。

MIMO量测分析

基地台的接收器也面临许多相同的MIMO挑战，但除此之外，还得同时接收多位使用者的资料。从多用户MIMO（MU-MIMO）的观点来看，每一个信号都来自于不同的UE，因此，通道是完全独立的，功率位准有些不同，且时间点也会不一样。

图二显示的是从一个LTE信号的单一个讯框解调出来的讯号，该通道的衰减特性是平坦的（无频率选择性的衰减）。从图的上方所示的两层MIMO信号可以明显看出，左边的星状图较紧密，BER会比较低。在一个闭回路的系统中，如果通道的特性是已知的，亦即UE会将通道状态的资讯送回给eNB，则可以处理两层之间的效能不相称的问题。方法是让效能较佳的那一层改用较高阶的调变格式，或是运用预编码（precoding）的方式，让两层的效能变均等。

《图二　LTE的MIMO讯号分析示意图》

发射器的设计与测试

宽窄频功率量测

如同其它系统一样，LTE也需要对宽频和窄频的功率进行基本的量测。因下链和上链传输讯号具有之特性的关系，LTE的输出功率量测通常需要一路量测到资源单位（resource element；RE）的层级，也就是在一个次载波上，持续时间为66.7μs的一个OFDMA或SC-FDMA符号码（symbol）。就这样的量测而言，必须要使用向量讯号分析仪（VSA），而且与讯号特定部分有关的功率量测，也需要用到VSA的数位解调能力。

发射器在频带边缘的特性量测

控制发射器在频带边缘的特性需要经过审慎的设计，可以牺牲某些频带外的衰减特性，但不能影响到通道内的效能，这样的取舍必须在成本（元件的成本、功率效益、实体的空间等）与通道内和频带外的效能最佳化之间，求取最有利的平衡。相邻通道泄漏功率比（ACLR）和频谱杂讯波罩（SEM）量测可用来因应通道外发射量的规格要求，如同UMTS一样，一般会透过内建的常式，使用频谱或讯号分析仪来执行这些量测。

改良eNB功率放大器

OFDMA讯号的峰均值功率比（PAPR）可能很高，因此，eNB的功率放大器必须具有很高的线性度，才不会产生超出通道范围的失真乘积。然而，具有高线性度的eNB功率放大器不仅昂贵，且功率效益（power efficiency）也不是很高。有两种较受好评的方法可用来克服这项挑战：一是降低波峰因数比（crest factor reduction，CFR），其目的是要限制讯号的峰值，另一种则是预失真补偿（predistortion），用意在于调整讯号以匹配放大器的非线性特性。

CFR会在信号的峰值到达放大器之前，加以抑制。未降低波峰因数比的OFDM讯号的RF功率特性与累加性白色高斯杂讯（AWGN）类似，峰值功率的变动量（excursion）会高于平均功率10 dB以上。谨慎使用降低波峰因数比的方法可以大幅降低峰值功率的要求，同时仍能维持可接受的讯号品质。

预失真补偿

预失真补偿可以让使用的放大器技术更加节能省电，且成本更低，不过，预失真补偿也会增加设计和运作上的复杂度。预失真补偿可以让放大器在非线性区运作的时候，仍能维持通道内的效能。这样一来，可以将讯号压缩的情形减到最少，让通道外的效能在较高的运作位准下，也不会受到影响而降低。目前，有一些类比和数位的预失真方法可以采用，包括从类比式的预失真到前馈式（feed-forward）的方法，以及更节能省电的最新一代基地台所使用的全适应式（full adaptive）数位预失真补偿法，它需要可由数位讯号输入且由RF信号输出的测试功能。

验证发射器品质的系统化方法

分析MIMO讯号的基本步骤

分析MIMO讯号必须经过多个步骤，才能确实找出发射器所有问题的根本原因。当需要验证和优化复杂的数位调变讯号时，工程师往往会想利用向量讯号分析方法，直接进行深入的数位解调量测。然而，依循一定的验证程序，先从基本的频谱量测开始，接着进行向量讯号量测（结合频率和时间），最后再进行数位解调和调变分析，如图三所示，通常可以达到比较好的成效，有时候也是必要的。

《图三　分析MIMO讯号的基本步骤示意图》

发射器讯号量测点

发射器的许多量测通常都很简单，只要将发射器的RF输出讯号直接连接到RF讯号分析仪的输入端，然后量测讯号的特性和内容就可以了。不过，有些量测会需要在发射器信号链的前端或中段进行连接和探量，图四就是一个典型的发射器区块图，图中显示了几个可能插入讯号或探量讯号的点。

《图四　发射器讯号区块示意图》

《图五　RF频谱量测示意图》

《图六　向量讯号量测示意图（此处显示的是QPSK、16QAM、64QAM、以及AWGN参考曲线的（l到r）CCDF）》

《图七　数位解调分析示意图 》 轨迹B为进行单一次FFT后的功率vs.频率量测结果，轨迹D为误差一览表，轨迹A为IQ星状图，可以看出分析仪已成功锁定并解调出该信号，轨迹C显示的是误差向量的频谱，轨迹E则为时域的EVM误差向量值，为符号码的函数

就MIMO讯号发射而言，或许可以将每个发射器独立开来一一量测，但也可能唯一的量测点就在已经耦合起来的预编码讯号中。决定所要采取的量测方法时，选择能够提供最准确结果的测试架构极为重要。下表列出了各种量测需要的分析仪输入端数目。

《表一　各种量测需要的分析仪输入端数目示意表》

结合模拟与量测来解决硬体测试需求

今日的设计方法都会大力借重系统模拟技术，以避免反覆重新设计硬体所付出的昂贵代价，同时加快整体的设计流程。量测厂商提供的设计工具可以与测试仪器相结合，提供一个混合硬体与模拟的环境，让工程师得以在系统的实际使用情境中，测试已设计完成之元件和子系统的功能。图八就是利用模拟工具所设计出的一个完整的发射器和接收器系统，其中的MIMO通道可调整信号的衰减量。

《图八　模拟环境设计的收发器系统测试示意图》

结合模拟与测试的功能具有许多好处，最好的一个例子是用来产生两组MIMO发射器讯号源，然后对MIMO系统中已设计完成的两组接收器和基频部份进行编码传输的BER量测。发射器的测试资料可以是数位或类比的IQ资料，亦可加上控制和预编码的机制，再比较接收器输出的资料与送出的资料，进行即时的错误分析。运用已知的讯号衰减和通道耦合情景，对接收器进行压力测试（stress-testing），在此同时进行即时的BER量测，才有把握所设计出来的产品在真实世界的环境中，可以正确地顺利运作。

（作者为安捷伦科技Agilent Technologies电子量测事业群LTE应用工程师）