TD-LTE信號源數字調制質量參數的校準

錢健，張娟，周新國

(南京熊貓漢達科技有限公司計量中心，江蘇 南京 210002)

0 引言

目前國際上主流的4G技術主要是LTE-Advanced和802.16m(WiMAX標準)兩種，中國繼推出TD-SCDMA之后，又提出了具有自主知識產權的4G移動通信技術TD-LTE-Advanced(LTE-Advanced TDD制式)，它吸納了TD-SCDMA的主要技術元素，體現了我國通信產業界在寬帶無線移動通信領域的最新自主創新成果，由于該標準具有極高的傳輸速率 (每秒高達100 Mbps)和網絡頻譜帶寬 (100 MHz/信道頻譜)等優點，如今它已經成為4G技術的默認標準。

正是看到了4G通信無限美好的發展前景，世界通信強國無不投入巨大的人力和物力來研究發展此技術，實力強大的儀器制造商如美國安捷倫公司、德國R/S公司、日本安立公司等也前瞻性地開發了一些滿足4G研發與生產所需的測試儀器，并陸續投入了市場，這些測試儀器主要包括信號的發射和接收兩大類，完成發射功能的儀器為各類TD-LTE數字信號源，由于信號源是所有TD-LTE 通信產品研發與生產的關鍵設備及前提，其性能的優劣直接關系到產品質量的好壞，因此如何對其進行有效地性能測試就顯得尤為重要。和其它數字信號源一樣，TD-LTE數字信號源主要包括模擬和數字兩大部分，這其中測試難點和測試關鍵在于數字調制部分 (TD-LTE)的校準，本文針對TD-LTE數字調制的原理及測量方法進行了深入的研究，并對其測量結果的不確定度進行了分析。

1 TD-LTE數字調制的基本原理

TD-LTE數字調制技術之所以有別于2G和3G，就在于它在上、下行鏈路中分別使用了不同的數字調制技術，即OFDM(下行鏈路)和 SC-FDMA(上行鏈路)。

OFDM，即正交頻分復用技術，作為多載波調制的一種，它是TD-LTE數字調制在下行鏈路傳輸中采用的核心技術，它使用QPSK，16QAM和64QAM調制方式[1]，它將一個寬頻信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，并將其調制到每個子信道上進行傳輸，這些在N個子載波上同時傳輸的數據符號，就構成了一個OFDM符號。由于各子載波重疊排列，且同時保持子載波的正交性 (通過FFT實現)，所以在相同帶寬內能容納數量更多的子載波，從而大幅提升了頻譜使用效率，有效地減少了無線信道由于時間彌散帶來的碼間干擾。

TD-LTE數字調制在上行鏈路傳輸中采用的核心技術是SC-FDMA，即單載波頻分多址技術，它是LTE的上行鏈路的主流多址方式，使用 QPSK，16QAM和64QAM調制方式，和OFDMA相同，它將傳輸帶寬劃分成一系列正交的子載波資源，將不同的子載波資源分配給不同的用戶實現多址，但與OFDMA不同之處為，任一終端使用的子載波必須連續。

2 TD-LTE信號生成及信號分析

目前，美國安捷倫公司和德國R/S公司各自開發了能在PC上運行且產生標準及各種自定義TD-LTE信號的TD-LTE生成軟件工具，并下載到其矢量信號源中加以播放輸出。安捷倫公司開發的N7625B Signal Studio信號生成軟件是一款實用性很強的TD-LTE生成工具，帶寬可支持到20 MHz(1.4～20 MHz);支持所有7種上下行配置 (0～6)、9種特殊子幀配置 (0～8);支持多種調制方式 (BPSK，QPSK，16QAMor 64QAM);支持多載波信號 (最多可支持16個載波);可以通過圖形化界面顯示資源分配，CCDF曲線和波形曲線。N7625B Signal Studio信號生成軟件支持3GPP TD-LTE現行及將來國際3GPP標準化組織頒布的各種TD-LTE標準，提供了對 PDSCH，PHICH，PBCH，PUSCH，PUCCH等多種通道的測試能力，并且能夠發射下行鏈路信號和上行鏈路信號。該軟件提供了產生所有基本測試需求中信號的功能，可對基站和手機中使用的元器件 (例如功率放大器和濾波器)進行測試;與此同時，它還提供了更多針對接收機進行測試的功能，支持傳輸層編碼、4x4 MIMO預編碼和衰落[2]。

在TD-LTE信號分析工具方面，安捷倫公司推出的基于PC軟件包的89601A矢量信號分析軟件可用于測量大多數數字調制信號的射頻和調制質量。它具有強大的測量和顯示能力、按照用戶和信道進行的顏色編碼使人們可以用肉眼快速、輕松地進行識別，人們可以對整個信號或對單獨信道進行測量;它擁有大量的解調器、濾波器、顯示和分析工具，可以提供通用和特定標準信號測試和故障診斷工具，適合在研發實驗室中評估和查錯調制信號，并能直接鏈接至各種安捷倫頻譜分析儀、數字示波器和模塊化VXI系統，支持廣泛的特定標準，包括 TD-LTE，WiMAX，WLAN，3GPP，RFID和UWB等;它具備如下一些主要特點:支持LTE下行 (OFDM)和上行 (SC-FDMA)分析;EVM小于 －50 dB;支持 LTE所有帶寬:1.4～20 MHz;支持所有調制方式:BPSK，QPSK，16 QAM和64 QAM;所有上下行7種配置 (0～6)和特殊子幀9種配置 (0～8)。89601A軟件支持安捷倫各種硬件分析平臺，從數字基帶端的邏輯分析儀到模擬基帶端的示波器以及中頻射頻信號分析的頻譜分析儀，針對安捷倫從中高端到低端各種類型頻譜分析儀以及矢量信號分析儀[3]。

3 TD-LTE信號源數字調制參數校準技術

TD-LTE信號源數字調制部分性能參數較多，目前業界公認測試項目主要有數字調制電平、內部數字調制質量參數 (EVM)、頻率誤差、信道功率電平、占用帶寬、鄰道泄漏功率電平比、多載波功率、頻譜發射模板 (SEM)等八項。“誤差矢量幅度 (EVM)”是指測量波形與理想調制波形之間的矢量差，是這八項數字調制性能參數中，最能反映數字調制質量參數的技術指標。下面就以這個指標為例，說明校準的流程[4]。

3.1 TD-LTE信號源數字調制質量參數 (EVM)的校準[5]

3.1.1 校準方法

校準硬件連接框圖如圖1所示。

圖1 數字調制質量參數 (EVM)

校準步驟如下:

1)被校TD-LTE信號源首先完成I/Q自校準，然后啟動N7625B Signal Studio信號生成軟件工具，根據需要生成各種測試所需的標準或自定義TD-LTE調制信號;特別注意TD-LTE下行/上行鏈路調制狀態、3GPP LTE測試標準的E-TM測試信號序列、系統帶寬值的設置;

2)將生成的TD-LTE調制信號下載和存儲到TD-LTE信號源內存中，以便調用;

3)頻譜分析儀選擇3GPP TD-LTE解調模式，將中心頻率設為被校信號輸出頻率值，參考電平置為0 dBm(或者在輸入功率電平不過載的情況下，參考電平量程盡可能的接近輸入的被測信號)，選擇數字解調分析測量，鏈路方向為下行/上行鏈路，在測試信號中選擇與被校TD-LTE數字信號源一致的E-TM測試信號，帶寬設置和TD-LTE信號源系統帶寬值相同，在測量結果中讀取誤差矢量幅度 (EVM)值。

3.1.2 校準說明

1)將被校TD-LTE信號源通過N7625B Signal Studio信號生成軟件工具，生成測試所需要的各種標準或自定義的TD-LTE調制信號，下載和存儲到TD-LTE信號源內存中，以便調用;

2)通過編程調用先前預先下載和存儲在內存中的各種標準或自定義的TD-LTE調制信號，并予以播放和輸出;

3)由于TD-LTE信號源數字調制質量參數(EVM)的校準不是直接用頻譜分析儀進行測量，而是使用安捷倫公司在頻譜分析儀E4447A硬件平臺上開發的89600系列矢量信號分析 (VSA)軟件來測量，因此，必須先調用Com API才能使用該軟件，在89600系列矢量信號分析 (VSA)軟件上進行二次開發，將其進行封裝，使之能夠滿足被校TD-LTE信號源數字調制質量參數 (EVM)部分校準的需要。

4 TD-LTE信號源數字調制自動校準裝置的構成及軟件設計

TD-LTE信號源數字調制自動校準裝置的硬件平臺如圖2所示，主要由計算機、頻譜分析儀、GPIB控制總線等構成。計算機是自動校準系統的處理中心，顯示所有校準信息，能夠對被校TD-LTE信號源的參數進行配置，通過安捷倫82357B USB-GPIB接口卡控制各標準設備對被校TD-LTE信號源數字調制性能指標進行校準。

系統校準軟件采用模塊化編程，除具有一般測量軟件的功能外，還支持多種TD-LTE數字信號發生器的自動測試，除了滿足安捷倫公司的TD-LTE信號源的自動測試，還可手動添加其它類型的TD-LTE信號源以實現對其自動測試 (被測信號源要有SCPI指令，并支持GPIB遠程控制)。軟件可針對不同類型的TD-LTE信號源根據被校信號源的測試參數、測試項目和測試流程，配置不同的計量校準方案，實現自動校準。軟件用戶界面友好，智能化程度高，能夠實現GPIB地址自動尋址、校準項目、校準點任意設置、存貯、打印校準數據、根據需要增添不同的儀器型號和測試方案等多種功能。

軟件結構上分為82357類、被校儀器類、標準器類、校準項目類、數據庫類、Excel報表類共六大類24個類模塊。軟件設計中，將每個技術指標的校準定義為一個獨立的類，在使用時定義成對象，把校準過程作為一個對象處理，這樣使每個指標有自己獨立的校準過程，互不干擾，可以很靈活地處理類對象的參數。

圖2 TD-LTE信號源數字調制自動校準裝置框圖

內部數字調制質量參數 (EVM)是數字調制測量的一個重要的參數，其測量軟件流程圖如圖3所示。在校準表單中初始化被校儀器，獲得被校準儀器的控制句柄，建立與被校準儀器和標準儀器之間的會話;按照校準EVM的校準方法設置被校準儀器和標準器的狀態，使被校準儀器輸出滿足EVM校準所需要的波形，用COM API技術控制89601A矢量信號分析軟件，將功能設置為EVM測量，按校準EVM的校準方法要求設置相應的控制選項;控制被校儀器輸出，89601A矢量信號分析軟件讀取校準數據，數據進行處理并與上下限比較，若不在指標范圍內，則由彈出界面由用戶選擇是否忽略還是重新校準該點，若在指標范圍內則繼續將校準結果寫入數據庫，校準下一個校準點。

5 比對測試

圖3 內部數字調制質量參數 (EVM)流程圖

在測試頻率1900 MHz對同一臺E4438C的EVM值進行測量，用TD-LTE數字信號發生器自動校準系統測得結果為Y1=0.31%;用工業和信息化部通信計量中心的德國R/S公司FSQ26信號分析儀測得的值為Y2=0.36%;不確定度U1=0.40%;U2=0.30%，則信計量中心，用其矢量信號分析儀校準裝置 (德國R/S公司的FSQ26信號分析儀)測得的EVM量值為Y2，

比對結果滿意。

6 誤差矢量幅度 (EVM)的測量不確定度

在標準條件下，溫度、濕度、磁場、電源變化等帶來的影響可忽略，所以影響誤差矢量幅度測量結果的不確定度來源主要有:由測量重復性引入的標準不確定度分量uA(V);測量接收機系統N5531S測量準確度引入的標準不確定度分量uB1(V);測量分辨力引入的標準不確定度分量uB2(V)。

經過計算與分析，發現測量重復性和測量分辨力引入的不確定度分量對測量結果影響很小，故可以忽略不計，最終“誤差矢量幅度 (EVM)”測量不確定度為U≈0.40%(按正態分布，包含因子k=2)。

7 結束語

隨著4G通信的快速發展，越來越多的TD-LTE信號源被大量使用在4G通信的研發和生產中，其TDLTE數字調制指標性能的優劣直接關系到該類儀器通信質量的好壞，因此，快速準確地測量TD-LTE數字調制指標就顯得尤為重要。

[1]Agilent Technologies.Digital Modulation in Communications Systems－An Introduction，Application note 1298，5965－7160E[M/OL].[2013 － 04 － 20].http://www.docin.com/p－396747111.html.

[2]Agilent Technologies.LTE and the Evolution to 4G Wireless:Design and Measurement Challenges[M].Hoboken:John Wiley＆Sons Inc，2009.

[3]Agilent Technologies.Making custom OFDM measurements using the Agilent 89600B VSA software with Option BHF，Application note，5990－6824EN [M/OL].[2013－04－20].http://www.home.agilent.com/agilent/application.jspx? nid =34959.0＆pageMode=LB＆t=79831.g.1＆co=180703.f.0，153391.i.1＆cc=IE＆lc=eng＆sm=g.

[4]國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF1174－2007數字信號發生器校準規范[S].北京:中國計量出版社，2007.

[5]Agilent Technologies.Testing and Troubleshooting Digital RF Communications Transmitter Designs，Application note 1313，5968－3578E[M/OL].[2013－04－20].http://wenku.baidu.com/link?url=ujoahKi7fnHpe0nzRC3WwMm24uY mMCzxke5WqLuze3jMoslvfF3zyQzA7Na6rKx_HldRjBZwNrMRo3Y5zjahzBQUNTKcgjAF_VIj6ejQLVm.