R&S公司數字基帶測試解決方案

甘秉鴻 羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

編者按：隨著無線通信的快速發展，越來越多設備在產品的設計中分為基帶處理單元和射頻處理單元，模擬接口逐漸被數字IQ接口替代。羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司甘秉鴻所撰《R&S公司數字基帶測試解決方案》一文著重介紹了R&S公司數字基帶模塊的測試方案。經過實際驗證，該方案具備安全的可操作性，可支持3GPPFDD、LTE、WiMAX和cdma2000等通信標準，可根據客戶的特殊需求通過手動的方式進行自定義配置，并可作為運營商、無線數據設備廠商以及基站設備廠商的參考測試文件，以豐富用戶在無線通信設備接口測試的精確性和完整性。

1 R&S EX-IQ-Box數字信號接口模塊介紹

R&SEX-IQ-Box數字基帶接口模塊負責為羅德與施瓦茨的信號發生器和信號分析儀產品提供靈活的數字基帶輸入和輸出信號，它的主要應用領域是將羅德與施瓦茨儀器的數字I/Q信號轉換成用成用戶自定義或標準化的數字信號格式，或反之（見圖1）。被測設備的連接采用直通方式，通過直接插入R&SEX-IQ-Box的適配卡（=連接卡）實現。

當使用R&SEX-IQ-Box時，R&S矢量信號源發送實際數字基帶信號用于測試數字收發器或者其他組件，數字基帶信號可覆蓋所有的通信標準，例如：LTE，WiMAX，3GPP包括HSPA/HSPA+，以及提供用戶自定義信號，同時，信號可經過衰落，高斯白噪聲AWGN和IQ損傷仿真，R&SEX-IQ-Box和R&S矢量信號分析儀一起可分析數字基帶模塊。通過配置外圍接口板，可將R&S專用的數字基帶接口信號轉換為各種通用的數字基帶接口信號，用戶可自定義數據速率、數據格式及邏輯電平等，方便被測設備DUT的連接以及配置信號源或信號分析儀的用戶接口參數，其主要特點為：支持CPRI、OBSAI、DigRF3G、DigRF4G（MIPIDigRF）協議接口；工作狀態由安裝在計算機上的軟件DigIConf來控制；內置任意波形發生器，支持Winiqsim2軟件產生的波形文件；可記錄收到的IQ信號；體積：198×47×190mm3；重量1kg。

圖1 R&SEX-IQ-Box面板圖

1.1 作為數字基帶的高端測試與測量設備

R&S信號源和信號分析儀可處理包括現代無線數字通信系統研發和產線測試中的各種任務，無論是EUTRA/LTE，HSPA+還是WiMAX等，R&S的儀表都能提供基站、終端機模塊測試的廣泛能力。R&S EX-IQ-Box使得R&S信號源和信號分析儀可以用于數字基帶接口測試：用于信號源和信號分析儀的雙向數字IQ接口；SMW200A，SMBV100A信號源產生符合標準的數字基帶信號；支持所有通信標準，如EUTRA/LTE、3GPPFDD、HSPA+、WLAN等；通用的信號處理能力（如衰落、高斯白噪聲AWGN、IQ損傷等）；簡單靈活地將數字基帶信號轉換為模擬中頻IF或射頻RF信號；將射頻或模擬基帶信號實時轉換成數字格式。

1.2 靈活的信號接口和時鐘發生器

R&SEX-IQ-Box包含靈活的用戶接口，提供廣泛的配置，滿足目前各種接口要求以及將來的接口設計。

（1）可變的信號接口和靈活的數據格式

R&SEX-IQ-Box通過提供不同外圍接口板來滿足大多數通用的數字基帶連接，如靈活的數據格式；可變的信號接口；最大數據速率為100MHz，采樣率可變；可變的IQ數據字長，4～20bit；bit的順序和Word對齊方式可選；支持串行和并行數據格式；支持單數據速率SDR和雙數據速率DDR；支持非交織、IQ交織和QI交織方式；支持二進制補碼和二進制偏移碼；IQ數據反向可選；支持LVTTL、CMOS（1.5、1.8、2.5和3.3V）以及LVDS等邏輯標準電平；3種不同的外圍接口板，包括單端、差分及68pin的SCSI板，以滿足各種不同被測件DUT的連接（見圖2）。（2）靈活的時鐘發生器

R&SEX-IQ-Box可通過內部時鐘信號或者使用被測件DUT及其他外部時鐘源，將產生的時鐘發送給被測件DUT以滿足各種不同的測量任務。時鐘信號的相位和延遲可根據數據信號而發生改變，如補償不同電纜長度或者接收機的響應：靈活的時鐘信號；并行格式；時鐘速率1kHz～200MHz；串行格式，時鐘高達400MHz。同時，可進行慢速率IQ操作；參考時鐘可選內置或外部；時鐘相位（90°調整步進）和延時可調（可小至5ns）。

圖2 3種不同的外圍接口板

2 R&S公司的數字基帶接口測試解決方案

在研發和產線測試階段，為了保證各級電路的功能和性能符合設計要求，分級測試是需要的。數字電路是無線通信系統最核心的部分之一，因此，對數字基帶部分進行測試也是必不可少的。

作為歐洲最大的無線電測試測量儀器制造商，羅德與施瓦茨公司對各種不同通信標準基站的射頻測試都擁有豐富的實際經驗，羅德與施瓦茨公司全系列的高性能儀表在基站和終端研發和生產中得到了廣泛應用。目前，R&S推出的EX-IQ-Box設備，可以提供靈活的數字接口輸入和輸出功能，能方便連接到R&S的信號源和信號分析儀上，可進行接收機測量、發射機測量、信號源仿真及射頻前端模擬等功能（見圖3）。

圖3 R&SEX-IQ-Box數字基帶測試連接圖

2.1 數字基帶接收機和性能測試

矢量信號源的數字IQ基帶信號經過EX-IQ-Box進行格式轉換后送給被測件作為激勵源，數字IQ基帶信號類型由矢量信號源的基帶信號決定，可支持EUTRA/LTE、3GPP FDD、HSPA/HSPA+、WLAN、WiMAX、GSM/EDGE等各種通信標準，同時可加上各種接收機和性能測試要求的信號處理，如衰落、高斯白噪聲AWGN或IQ損傷。通過EX-IQ-Box處理后，可進行比特率BER和誤塊率BLER測試（見圖4）。

圖4 R&SEX-IQ-Box作為接收機和性能測試方案

SMW200A推薦配置：SMW200A主機；SMWB10；SMW-B13/B13T（基帶模塊）；SMW-K18（數字基帶輸出）；SMW-B14（衰落模塊，可選）；SMW-Kx（如LTE選件K55，可選）；SMW-B10x（射頻模塊，可選）。

2.2 信號源作為數字上變頻

被測件為基帶板，輸出為數字IQ基帶信號，想將它轉換為射頻信號。必要時對射頻信號進行衰落、加高斯白噪聲。

連接框圖為被測件 →EX-IQ-Box→SMW數字基帶輸入接口→SMW射頻輸出（見圖5）。

SMW200A的推薦配置為：SMW200A主機；SMW-B10；SMWB13/B13T（基帶模塊）；SMW數字基帶輸入標配；SMW-B10x（射頻模塊）；SMW-B14（衰落模塊，可選）；SMW-K62（AWGN噪聲模塊，可選）。

2.3 信號分析儀作為數字下變頻

被測件為基帶模塊，輸入接口為數字IQ基帶信號，但分析的對象是射頻信號。FSX將射頻信號變換為數字IQ基帶信號，經過EX-IQ-Box轉換后給被測件（見圖6）。實質是利用FSW/Q/V的內部下變頻器和A/D變換器的優越性能。

FSW/V的推薦配置為：FSW 主機、FSW-B17（數字基帶輸入輸出接口）。

2.4 數字基帶信號的信號分析測試

被測件為基帶板，輸出為數字IQ基帶信號，想對這個數字基帶信號進行分析。

連接框圖為被測件→EX-IQ-Box→FSX-B17數字基帶輸入接口→FSX（見圖7）。

FSW/V的推薦配置為：FSW/V主機、FSW/V-B17（數字基帶輸入輸出接口）、FS-Kx（信號分析軟件，可選）。

圖5 信號源作為數字上變頻

圖6 信號分析儀作為數字下變頻

圖7 信號分析儀進行數字基帶信號測試

2.5 RFIC芯片驗證測試

被測件本身是數字上變頻RFIC芯片或者數字下變頻的RFIC芯片，通過R&S信號源和信號分析儀完成RFIC芯片的驗證測試，分為上行測試和下行測試。當RFIC芯片作為數字上變頻即上行測試時，通過R&S信號源提供數字IQ信號，通過RFIC上變頻為射頻RF信號，然后通過R&S信號分析儀進行分析；當RFIC芯片作為數字下變頻即下行測試時，通過R&S信號源提供射頻RF信號，通過RFIC下變頻為數字基帶IQ信號，然后通過R&S信號分析儀數字基帶接口完成信號分析測試。推薦的測試連接如圖8所示。現代的移動電話主要由多個組件組成，其中最核心的是應用處理器和多種多樣的空中接口。按收發系統的功能劃分，主要包括基帶處理單元BBIC和射頻收發單元RFIC，而目前，用于BBIC和RFIC之間傳輸的數字IQ信號接口大多數都用DigRF接口協議。DigRF是一種標準，由MIPI聯盟開發，取代以前用于模擬IQ信號和射頻連接的接口。R&SEX-IQ-Box通過加上B81外圍接口板就能完成DigRF接口協議測試，目前主要支持的標準有：DigRF 3G：3GPP 3/2.5G；DigRF v4：3GPPLTE/HSPA+、MobileWiMax。

更詳細的測試解決方案，請參考DigRF接口測試解決方案

2.6 CPRI接口測試解決方案

基站是由多個功能部分組成的，其中最主要兩個部分是基帶部分和射頻部分。但在用傳統基站部署的網絡中，基站的擴容卻是運營商一個頭疼的大問題。這是由于傳統基站的各個模塊通常是集成在一起的，例如基帶單元和射頻單元通常是無法完全分離的，如果在基帶單元資源緊張的情況下，需要進行擴容，增加基帶單元的同時就必須增加射頻單元，這將無法避免地導致射頻部分的浪費。而如果基站可以實現基站內的單元模塊化，各模塊之間各自獨立的話，在上述情況下，就可以根據實際需要，實現只增加基帶資源不增加射頻資源的靈活配置，從而節省大量設備成本。

圖8 RFIC芯片上/下行測試連接圖

現在新的3G/4G基站采用了開放架構，主要就是指基站的基帶和射頻部分之間采用了開放式的接口和標準協議，可分開放置；模塊化則是開放架構概念的一種延伸，主要指基站的基帶部分和射頻部分無論從硬件還是軟件上都自成一體，具有自己的功能，基帶部分和射頻部分相互獨立。圖9為新一代開放式基站框圖。

2003年6月，愛立信、華為、NEC、西門子和北電共同發起成立了CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無線接口）標準化組織。CPRI接口是指基站內部基帶單元和射頻單元之間的接口，該組織成立主要目的就是制定這個接口標準協議，從而使該接口開放化、公開化。

圖9 開放式基站框圖

新一代基站可以把宏基站的部分載波通過標準的CPRI接口拉遠實現分布式組網。同時新一代基站出現了一種嶄新的基站形態——分布式基站，基帶處理部分（BBU）和射頻收發信機部分（RRU）設計成單獨的模塊，分布式基站不僅帶來了快速便捷的網絡部屬，而且有利于大幅降低運營商建網的成本，逐步成為了運營商關注的焦點。基于CPRI的廣泛發展，如何進行CPRI接口測試已成為業界關注的焦點。

R&S在EX-IQ-Box上提供了關于CPRI、OBSAI和DigRF3G/4G數字接口的測試解決方案的測試解決方案。加配B85（CPRI接口版）選件后，EX-IQ-Box可以產生和接收符合CPRI協議標準的數字IQ數據。R&S的測試方案可以單獨進行上行或下行測試，也可以支持上下行并行測試。此外，也可以實時的插入CPRI協議規定的C&M信息。對于CPRI接口板的配置主要通過R&S的DigIConf配置軟件來完成。

圖10為基于R&S的EX-IQ-Box配合信號源和信號分析儀的CPRI測試框圖。

（1）CPRI接口的RE測試

R&SEX-IQ-Box可以和矢量源與矢量信號分析儀連接完成RRU上下行測試。圖11為基于EX-IQ-Box和CPRI接口板完整的RRU測試框圖。下行輸入為CPRI接口信號，輸出為射頻信號。上行輸入為射頻信號，輸出為CPRI接口信號。CPRI接口的信號通過光纖傳輸。

（2）CPRI接口的REC測試

R&SEX-IQ-Box可以用矢量信號源和矢量信號分析儀連接完成BBU上下行測試。圖12為基于EX-IQBox和CPRI接口板完整的BBU測試框圖。下行：被測件DUT輸出CPRI接口信號，通過EX-IQ-Box轉換成數字基帶接口信號后，使用R&S矢量信號分析儀完成信號測試；上行：使用R&S矢量信號源產生數字IQ基帶信號，通過EX-IQ-Box+B85轉換成CPRI接口信號，用于被測件接收。

圖10 基于R&S的EX-IQ-Box配合信號源和信號分析儀的CPRI測試框圖

圖11 基于EX-IQ-Box和CPRI接口板完整的RRU測試框圖（上/下行）

圖12 基于EX-IQ-Box和CPRI接口板完整的BBU測試框圖（上/下行）

（3）基于ARB模式的經濟型CPRI接口測試

EX-IQ-Box也可以通過ARB選件（R&S?EXBOXK90/-K91）來播放原先由WinIQSim2、Matlab或其他工具軟件生成的波形文件，并且在CPRI接口上同時可以支持多達4個不同的信號傳輸（見圖13）。另外，配置R&S的信號源和信號分析儀后，EX-IQ-Box也可以直接利用信號源原有的功能（如數字通信標準、衰落、AWGN等）和信號分析儀原有的功能（ACP、EVM等），因此在配置信號源及信號分析儀的基礎上可以根據客戶的需求靈活的配置測試解決方案。同時，EX-IQBox也可以通過R&S?EXBOX-K94選件記錄數據，然后用戶可以通過自己的分析工具如Matlab或C++等對測試信號進行分析。這樣，客戶無需任何分析選件即可完成相應的分析，進而節約更多的成本。

2.7 射頻衰落測試解決方案

基帶衰落模擬的代表是R&S公司的矢量信號發生器SMW200A的衰落模擬選件，這兩者都可以通過實時的方式模擬無線信道中動態和靜態的分布特性，同時可以靈活地對不同衰落路徑的各種參數進行分別配置，并能進行AWGN模擬，以滿足各種測試需求。

由于被測設備接口的原因，有些客戶提出射頻衰落模擬的要求。除了使用射頻接口衰落模擬器以外，也可以使用現有儀器搭建。前提是這些儀器具備相應選件，并有相關數字IQ輸入輸出接口。下面以R&S公司頻譜儀B17選件結合信號源SMW為例，說明如何實現射頻衰落方案。

射頻衰落的實現方式是將信號下變頻至基帶進行ADC采樣，然后通過DSP實現所需的衰落模型。眾所周知，頻譜儀基本的工作原理就是超外差接收機，其實質也是經過多次混頻至低中頻后進行數字ADC采樣，然后完成所需的后續處理。R&S FSW的B17選件可以將ADC采樣后的數據直接輸出，正好可以完成射頻衰落所需的下變頻和ADC采樣功能（擔任射頻前端）。由于R&SSMW具備的數字IQ輸入功能，這樣SMW把基帶信號通過衰落選件進行我們所需的衰落模擬，最后再上變頻調制輸出，從而實現客戶所需的射頻衰落模擬。

圖13 基于ARB模式的經濟型CPRI接口板完整BBU測試框圖（上/下行）

從圖14可以看出，這種射頻衰落方案有兩個明顯的優勢：

圖14 基于SMWFSW的射頻衰落模擬實現框圖

（1）工作頻率和工作電頻直接由擔任射頻前端的頻譜儀的工作頻率和電平決定。相比于市場上現有的射頻衰落模擬器的優勢很明顯――沒有工作頻段和電平的限制，因而也無需為頻率和電平擴展外接其他設備，可以更好地滿足多方面的測試需求。

（2）信號源和頻譜儀單獨可以完成各自的測試任務，組合在一起又成為衰落模擬器，這種方法大大提高了儀表的使用效率。

3 R&S EX-IQ-Box配置信息

圖15為R&S公司EX-IQ-Box測試方案的選件信息?？蛻艨梢愿鶕煌膽媒涌趨f議選擇不同的硬件配置以及不同的移動通信標準選擇相應的ARB選件。此外，也可以配合已有的矢量源和矢量信號分析儀自帶的實時選件，完成相應的協議測試。

4 結束語

本文詳細介紹了羅德與施瓦茨公司關于數字基帶接口的測試解決方案。經過實際驗證，該方案具備完全的可操作性，同時可以支持3GPPFDD（包括HSDPA、HSUPA、HSPA+)、LTE、WiMAX和cdma2000等通信標準，也可以根據客戶的特殊需求通過手動的方式進行自定義配置。大大節約了產品發布的時間和人力資源?？梢宰鳛檫\營商、無線數據設備廠商以及基站設備廠商的參考測試文件，以豐富用戶在無線通信設備接口測試的精確性和完整性。

圖15 R&SEX-IQ-Box選件配置

1 CPRI Specification V4.1

2 R&SApplication Notes.1GP78

3 R&SApplication Notes.CPRI原理與測試解決方案

4 R&SApplication Notes.1MA168

5 R&SApplication Notes.RFIC芯片測試解決方案

6 Vector Signal Generator R&S SMW200ASpecifications

7 Vector Signal Generator R&S SMBV100ASpecifications

8 SpectrumAnalyzer R&S FSW Specifications

9 SpectrumAnalyzer R&S FSV Specifications