出色的校准技术支持高水平 MIMO 和波束控制表征

适用于 MIMO 和波束控制的持续优化校准技术

网络运营商一直在宣传他们可以提供最快的数据速率和最佳的覆盖范围。但是当高清视频流等用例在您的日常生活中已变得司空见惯时，他们如何证实自己兑现了承诺？不断演进的 4G 技术正在推动着网络功能不断发展。为了应对最终用户对更多数据密集型和带宽密集型任务的需求，通信行业已经开始着手研发 5G 技术。

网络要满足用户对庞大数据量的需求，其天线设计的演进是一个关键因素。多天线阵列技术正在快速演进，使用 MIMO 和高阶 MIMO 成为满足这些新用户要求的不可或缺的功能。为了迎合需求，网络设备制造商（NEM）正在开发使用波束赋形的 8x8 MIMO 解决方案，甚至是 16x16 MIMO 配置的解决方案，但这些解决方案尚未列入 3GPP 标准。

MIMO 和相控阵技术可以为网络提供增强功能，通过路径分集、空间多路复用和波控/波束赋形等技术实现更高的数据吞吐量和高数据完整性。路径分集通过消除信道中的本地衰落，保证了数据的稳健性。空间复用可以为单个用户提供更高的吞吐量，或为多个用户提供更高容量。波束控制或波束赋形技术能够为特定用户提供一个高度定向的传输波束，显著提高信号强度和 SINR。本白皮书重点讲解了多信道测试接收机所需要的校准方法，以确保其能够高效表征和显示下一代通信发射机设计的 MIMO 和波束赋形性能。

测试系统在进行多天线表征时的考虑因素

波束赋形并不是一项新技术，它已问世数十年之久，目前广泛应用于雷达、地震学和声学等领域。在无线通信领域，通过在阵列中的不同元件之间应用相位和幅度偏置，可以产生空间选择性，从而实现定向传输。通过加入有益的信号（即相位、相干）信号，并消除有害（即超出相位）的信号，可以提供良好的空间选择性和方向性。

波束控制技术的实施方法是，调整每个天线单元的相对相位，并对发射波形施加有益和有害干扰以形成预期的波束方向图。同样地，MIMO 和波束赋形为多信道发射机实施设定了严格的要求。每个天线元件上的信号需要是：

• 相位相干
• 已知幅度
• 已知相位
• 时序一致

在这些开始条件下，MIMO 信号可以预计将会向预定接收机方向发送。在测试设备的测量信道之间，幅度和相位发生任何改变，均可能显著影响测试系统的多信道测量性能。如果不进行校准，测量结果将会有极大的不确定度，这让工程师很难确定并解决潜在问题。即使是电缆长度或任何测试系统中的连接完整性存在细小差异，也会造成额外的时延或相移，这会改变信道间的激励信号的相位关系，并影响测量结果。

因此，在表征天线设计之前，您必须先表征测试系统。最后，对于测试系统的所有测量信道，其目标都是与被测器件（DUT）的幅度、相位和时间保持一致，以便只测量感兴趣的被测器件信号，而不是测量测试设备中各信道之间的变化，或是这些测试配置中通常使用的各种夹具。只是购买测量设备并不足以保证精确而可重复的测量性能。系统开发人员将会意识到，要想表征设计，首先需要表征测量系统。对于具有大量信道、复杂连通性和苛刻测量容限的多信道应用，这很快就会成为一个复杂的专家任务。测试系统的设计和验证可能需要花费数月时间，这会减慢表征发射机的射频和波形赋形性能这一实际任务的速度。

图 1 是一个仿真 8x8 相控阵天线波束赋形输出的示例，在这个示例中，执行测量和生成波束图所使用的测试设备和夹具未进行过任何用户校准。当您应用发射信号时，可以看到未经校正的发射信号已经使各个主瓣彼此之间发生变形，SINR 和空间效率显著降低。在图 2 中，测试设备经过表征，并且应用了测量接收机路径信道间优化，发射的波束方向图现在符合预期，全部 64 个信道的相位保持一致，像设计的那样为每个波瓣都提供了更加统一和符合期望的波束方向图。

测量接收机校准的第一步是执行单信道校准，表征主信道在指定工作频段上预期带宽内的幅度和载波相位平坦度。测量接收机校准的下一步是跨越正在使用的其他信道，执行跨信道校准。这是表征每个信道相对于选定主信道的幅度、相位和时延。一旦您构建了自己的测量系统，那么如何执行这些要求的校准，又如何处理这些结果呢？

单信道接收机校准

为了校准多信道接收机的参考信道或主信道，我们必须使用一个参考信号源为测量接收机提供激励信号。不过，要想校准频率高达 6 GHz、带宽仅有 160 MHz 的多信道接收机的主信道（这是开发 LTE 和 LTE-Advanced 技术天线的典型设置），通常不需要这个步骤。对于高品质测量接收机的整个带宽而言，160 MHz 带宽是一个较窄的线性区域，它有望提供适当平坦的幅度和相位平坦度响应。如果您不知道测量接收机在这个相对较窄的带宽上的质量，您可以使用多信道校准工具来控制窄带信号源和接收机执行这个校准步骤。

为了在接收机 6 GHz 至 40 GHz 的频率范围和高达 1 GHz 的测量带宽内对主信道执行校准，我们需要使用 Keysight U9391F 梳状发生器作为我们的参考信号源。梳状发生器能够以射频输入信号的整数倍生成频率谐波，并能在很宽带宽上为梳状信号提供优异的幅度和相位平坦度，使您可以将在射频、微波和毫米波频率所生成的宽带信号的幅度和相位变得平坦。

这个多信道校准工具可以跨越预期的测试频段扫描信号源和接收机硬件，并使用Keysight 89600 VSA 软件来测量接收机每个信道的中频响应。这个多信道校准工具随后计算所需要的优化系数，以便补偿接收机主信道的非平坦中频响应，并使出现的多余相位和幅度变化变平坦。一旦计算出这些优化系数，校准工具便能创建一个优化文件，并利用 Keysight 89600 VSA 软件功能来为这个信道应用用户自定义的均衡滤波器。当使用 89600 VSA 软件在这个信道中测量表征您的相控阵天线设计时，假设在被测器件处执行了参考面校准，接收机响应已经获得补偿，并不再作为测量结果的一部分。网络运营商一直在宣传他们可以提供最快的数据速率和最佳的覆盖范围。但是当高清视频流等用例在您的日常生活中已变得司空见惯时，他们如何证实自己兑现了承诺？

不断演进的 4G 技术正在推动着网络功能不断发展。为了应对最终用户对更多数据密集型和带宽密集型任务的需求，通信行业已经开始着手研发 5G 技术。网络要满足用户对庞大数据量的需求，其天线设计的演进是一个关键因素。多天线阵列技术正在快速演进，使用 MIMO 和高阶 MIMO 成为满足这些新用户要求的不可或缺的功能。为了迎合需求，网络设备制造商（NEM）正在开发使用波束赋形的 8x8 MIMO 解决方案，甚至是 16x16 MIMO 配置的解决方案，但这些解决方案尚未列入 3GPP 标准。

MIMO 和相控阵技术可以为网络提供增强功能，通过路径分集、空间多路复用和波控/波束赋形等技术实现更高的数据吞吐量和高数据完整性。路径分集通过消除信道中的本地衰落，保证了数据的稳健性。空间复用可以为单个用户提供更高的吞吐量，或为多个用户提供更高容量。波束控制或波束赋形技术能够为特定用户提供一个高度定向的传输波束，显著提高信号强度和 SINR。本白皮书重点介绍了多信道测试接收机所需的校准方法。通过校准，可以让接收机有效表征和呈现通信发射机设计的 MIMO 和波束赋形性能。

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