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建立跨領域知識 成為現代工程師刻不容緩的課題
 

【作者: Jan Whitacre】   2013年02月27日 星期三

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英國倫敦有數千台由合格出租車司機駕駛的「黑頭出租車」。為了取得出租車牌照,這些司機必須通過考試,證明他們對每一條街道名稱、每一個轉彎、從甲地到乙地的路線都瞭若指掌。考試前,他們花了幾個月的時間進行訓練:帶著地圖、騎自行車或摩托車,不停在大街小巷中穿梭,以便熟悉所有街道路線、單行道,以及快速的捷徑。。


這種情況跟當今的量測產業趨勢很像。傳統量測科學的目標是提供資料(地圖),卻全然忽略過程中的體驗與努力,因此這種方式已經落伍了。現在和未來的設計與量測工具需要提供比原始量測資料還要更多的知識,並提供可繼續向下一步邁進的工具。此外,隨著多功能產品的興起,元件和系統整合將變得愈來愈普遍,但工程師的付出與收穫可能不成正比。


以無線區域網路為例。新的802.11ac標準即將核准,未來將大幅改善家庭和小型辦公網路的網路速度和容量。新標準支援更寬的RF頻寬、更高的調變密度和更多空間多工串流。過沒多久,市場中將充斥著數以百萬計售價低廉的新型路由器,因此如果能省下幾毛錢的材料或零件成本,便可顯著降低製造成本並提高公司獲利能力。射頻放大器是成本最高的元件之一,現在它需要在更寬的頻寬中執行線性運作(包括分割後的80+80 MHz 非連續通道,請見圖1)。



圖一 :  歐洲、日本及全球之IEEE 802.11ac頻譜分配
圖一 :  歐洲、日本及全球之IEEE 802.11ac頻譜分配

為了降低成本,廠商嘗試使用較便宜,但規格不夠嚴謹的零件,因此需在輸入端修正輸出線性誤差。聽起來好像還好?由於放大器具有數位I/Q輸入和RF輸出,因此必須具備跨越不同領域的知識才能有效進行修正!


數位預失真技術可改善功率放大器線性度,它需產生並量測頻寬比線性化放大器寬3到5倍的信號。此時可使用控制軟體來產生激發波形,然後將它下載到射頻信號產生器並輸入功率放大器, 接著可使用信號分析儀來擷取放大器的響應,並且與可建立預失真矩陣的信號相比較。經過預失真處理的信號會被輸入功率放大器並且檢查響應。


圖2顯示建立修正矩陣所需的預失真系統。



圖二 :  數位預失真系統
圖二 :  數位預失真系統

另一方面,行動通訊業者相繼推出基於3GPP LTE標準的第四代蜂巢式網路。為了改善服務品質,特別是細胞邊緣的傳輸品質,業者在基地台發射器中使用一種名為波束成形(beamforming)的技術。


此技術非常適合用於採分時多工(TDD)模式的LTE網路,其中上行鏈路和下行鏈路在相同頻率下運作。當相同的信號從兩個或多個位於不同空間的發送點發送出來時,波束成形技術可發現干擾碼型。


藉由使用基地台(或稱為eNB)的線性陣列天線來傳送和接收信號,並且小心控制施加於每個天線元件傳送之資料符號副本的相對振幅和相位權重,便可即時修正所產生的波束碼型,並集中特定行動裝置(UE)傳輸方向中的發射能量和接收靈敏度。當其他行動裝置正與相鄰基地台通訊時,如此有助於減少對它們的干擾。


您必須知道細胞中的UE位置,才能選擇最佳的下行鏈路傳輸波束。eNB通常會直接量測接收到的上行鏈路參考信號,並據此預估最佳權重。您可在整體eNB接收器陣列中觀察這些信號,接著可使用這些資訊來計算上行鏈路到達角度(AOA),並且分解通道特性矩陣。


圖3顯示eNB1正在與目標裝置UE1通訊,過程中eNB1使用波束成形技術進行傳輸,以便將UE1方向的信號功率最大化。與此同時,它試圖將對UE2的干擾降到最低,因此控制了UE2方向的功率零值位置。同樣的,eNB2亦使用波束成形技術提高其UE2方向的傳輸接收度,並且將對UE1的干擾降到最低。



圖三 :  透過波束成形技術提昇細胞邊緣的傳輸效率
圖三 :  透過波束成形技術提昇細胞邊緣的傳輸效率

要如何檢查新開發的裝置是否支援前述流程呢? 波束成形技術的一項主要測試挑戰是需在實體RF天線陣列上驗證波束成形的信號傳輸效能,並以視覺化方式呈現結果。這樣做的目的是為了驗證eNB RF天線校驗準確度和基頻編碼的波束成形加權算演算法的正確性。


由此可見,系統校驗是獲得出色量測準確度的關鍵要素。圖4顯示典型的波束成形測試系統。



圖四 :  典型的TD-LTE波束成形測試系統配置
圖四 :  典型的TD-LTE波束成形測試系統配置

如圖4所示,修正精靈會引導使用者完成系統校驗、提示使用者將信號分析儀的通道1量測纜線,連接到位於注入點(以虛線表示)之雙向校驗分路器的第一輸出埠。所有的跨通道特性量測都將參考通道1。修正精靈可對跨通道修正進行分析,以便針對量測纜線、連接器、分路器,和衰減器固有的不匹配效應,補償信號分析儀之波束成形量測結果。


從產品開發的角度來看,多天線波束成形傳輸技術帶來不少測試挑戰,比方說工程師需驗證基地台基頻接收/發送演算法是否正確部署,以便產生波束成形權重。在此情況下,工程師必須在產品開發和網路相容性測試過程中,在各種不同的運作狀況下,同時驗證內建於基地台和行動裝置的量測功能。


所得的量測結果是否的正確,取決於工程師是否清楚認識這個量測概念、是否充分掌握整體系統特性,以及是否執行準確的校驗性能驗證。其中牽涉到許多複雜的因素,包括在即時且不停變動的環境中使用的RF元件、數位基頻和複雜的運算設計元件。唯有如此,消費者才會對新的行動裝置感到滿意。否則,他們將立即棄而不用並轉而投向競爭對手的懷抱。


所以,未來是不是還會有所謂的純RF工程師?答案是:「沒有」。很多例子顯示,工程師需要更廣泛地了解系統特性,在技術領域中這種情形屢見不鮮,包括航空電子、汽車和隱密通訊產業的工程師,都需具備跨域知識。


以前的工程師只要專精一個領域即可(例如運算、數位信號處理、邏輯分析儀、射頻等等),但是現在卻行不通了,因為許多新的設計需要用到不只一個領域的工程技能,而且不同領域的技術必須交互運作。如何在廣大的整合系統中,快速從某個領域跨越到另一個領域,成了21世紀的工程師亟需克服的難題。


(本文作者任職於安捷倫科技)


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