高頻寬的傳輸應用如串流視訊愈來愈多，也因此對無線通訊系統的傳輸率或覆蓋率需求不斷升高。Release 8版的3GPP規格訂定了LTE（Long Term Evolution）標準，朝向4G的系統發展，當中包含了新的運作要求，也就是基地台和手機會透過兩個或更多個發射／接收鏈進行通訊，並充分利用無線傳輸路徑之間的差異性。其做法是先針對發射器到接收器之間的路徑產生一個數學模型，藉以解出最後所需的方程式。

LTE會要求基地台和手機的設計與測試需做一些根本的改變，原因包括：

• ●需要應付六種不同的通道頻寬（範圍從1.4到20 MHz），以及分頻（FDD）和分時（TDD）雙工兩種模式。





• ● 需要支援多重天線技術。

LTE定義了五種技術，以提高鏈路的效能，包括：

• ●行動電話端的接收分集（diversity）；





• ●基地台（eNB - evolved Node B）端的發射分集：運用SFBC空頻區塊碼技術；





• ●eNB端的MIMO空間多工，給一或兩位使用者使用；





• ●eNB端的CDD循環延遲分集，搭配空間多工技術使用；





• ●beamsteering波束定向，依使用者不同而異。

接收器的設計與測試

測試接收器基本子區塊

接收器測試的最大目的是要驗證整個接收器的效能，不過，必須先測試接收器的基本子區塊，並瞭解當中的不確定度。若使用了多組接收器，則在驗證多支天線的效能之前，必須先分別測試每一個接收鏈。這樣的原則同時適用於FDD和TDD存取模式。

《圖一　典型LTE手機的射頻部份簡化區塊圖》

新式UE接收器的整合度非常高，單一個元件就能執行多種功能，代表可以插入或觀察信號以利測試的地方可能會變少。

開／閉迴路測試

開迴路測試，也就是待測的接收器不將資訊回饋送回給發射端，足以測試出接收器中個別元件的基本特性，這項測試也是驗證基頻單元之解調演算法的第一步。然而，若要在真實的環境條件中，完整地驗證接收器整體的效能，就需要透過信號會衰減的通道，進行閉迴路（closed loop）測試。在閉迴路測試中，會依據即時的封包確認情形，運用增量冗餘法（incremental redundancy）重送遺失的封包。

同樣地，傳送時使用的調變和編碼方式也是依據即時回饋的資訊。不論是哪一種情況，透過回饋所得到的資訊可用在整個通道頻寬內，針對子頻帶進行最佳化調整，以便進行與頻率選擇相關的排程。

分析ADC輸出

在今日的設計中，通常會透過ADC，將降頻轉換過的IF訊號轉換成數位訊號，再饋入基頻單元中，進行解調和解碼。分析ADC的輸出不是件容易的事，因為該輸出現在已經變成數位的形式。解決方法之一是利用邏輯分析儀，直接擷取數位的資料。儘管大部分邏輯分析儀的應用軟體主要都不是用來產生RF量測所需的參數，但量測廠商可以在一些頻譜分析儀、邏輯分析儀和示波器上執行的向量訊號分析軟體，卻能提供獨特的方式來分析ADC的效能。其做法是直接對數位資料進行傳統的RF量測，讓設計人員可以量化出ADC的效能對系統整體效能的影響。

MIMO量測分析

基地台的接收器也面臨許多相同的MIMO挑戰，但除此之外，還得同時接收多位使用者的資料。從多用戶MIMO（MU-MIMO）的觀點來看，每一個信號都來自於不同的UE，因此，通道是完全獨立的，功率位準有些不同，且時間點也會不一樣。

圖二顯示的是從一個LTE信號的單一個訊框解調出來的訊號，該通道的衰減特性是平坦的（無頻率選擇性的衰減）。從圖的上方所示的兩層MIMO信號可以明顯看出，左邊的星狀圖較緊密，BER會比較低。在一個閉迴路的系統中，如果通道的特性是已知的，亦即UE會將通道狀態的資訊送回給eNB，則可以處理兩層之間的效能不相稱的問題。方法是讓效能較佳的那一層改用較高階的調變格式，或是運用預編碼（precoding）的方式，讓兩層的效能變均等。

《圖二　LTE的MIMO訊號分析示意圖》

發射器的設計與測試

寬窄頻功率量測

如同其它系統一樣，LTE也需要對寬頻和窄頻的功率進行基本的量測。因下鏈和上鏈傳輸訊號具有之特性的關係，LTE的輸出功率量測通常需要一路量測到資源單位（resource element；RE）的層級，也就是在一個次載波上，持續時間為66.7μs的一個OFDMA或SC-FDMA符號碼（symbol）。就這樣的量測而言，必須要使用向量訊號分析儀（VSA），而且與訊號特定部分有關的功率量測，也需要用到VSA的數位解調能力。

發射器在頻帶邊緣的特性量測

控制發射器在頻帶邊緣的特性需要經過審慎的設計，可以犧牲某些頻帶外的衰減特性，但不能影響到通道內的效能，這樣的取捨必須在成本（元件的成本、功率效益、實體的空間等）與通道內和頻帶外的效能最佳化之間，求取最有利的平衡。相鄰通道洩漏功率比（ACLR）和頻譜雜訊波罩（SEM）量測可用來因應通道外發射量的規格要求，如同UMTS一樣，一般會透過內建的常式，使用頻譜或訊號分析儀來執行這些量測。

改良eNB功率放大器

OFDMA訊號的峰均值功率比（PAPR）可能很高，因此，eNB的功率放大器必須具有很高的線性度，才不會產生超出通道範圍的失真乘積。然而，具有高線性度的eNB功率放大器不僅昂貴，且功率效益（power efficiency）也不是很高。有兩種較受好評的方法可用來克服這項挑戰：一是降低波峰因數比（crest factor reduction，CFR），其目的是要限制訊號的峰值，另一種則是預失真補償（predistortion），用意在於調整訊號以匹配放大器的非線性特性。

CFR會在信號的峰值到達放大器之前，加以抑制。未降低波峰因數比的OFDM訊號的RF功率特性與累加性白色高斯雜訊（AWGN）類似，峰值功率的變動量（excursion）會高於平均功率10 dB以上。謹慎使用降低波峰因數比的方法可以大幅降低峰值功率的要求，同時仍能維持可接受的訊號品質。

預失真補償

預失真補償可以讓使用的放大器技術更加節能省電，且成本更低，不過，預失真補償也會增加設計和運作上的複雜度。預失真補償可以讓放大器在非線性區運作的時候，仍能維持通道內的效能。這樣一來，可以將訊號壓縮的情形減到最少，讓通道外的效能在較高的運作位準下，也不會受到影響而降低。目前，有一些類比和數位的預失真方法可以採用，包括從類比式的預失真到前饋式（feed-forward）的方法，以及更節能省電的最新一代基地台所使用的全適應式（full adaptive）數位預失真補償法，它需要可由數位訊號輸入且由RF信號輸出的測試功能。

驗證發射器品質的系統化方法

分析MIMO訊號的基本步驟

分析MIMO訊號必須經過多個步驟，才能確實找出發射器所有問題的根本原因。當需要驗證和優化複雜的數位調變訊號時，工程師往往會想利用向量訊號分析方法，直接進行深入的數位解調量測。然而，依循一定的驗證程序，先從基本的頻譜量測開始，接著進行向量訊號量測（結合頻率和時間），最後再進行數位解調和調變分析，如圖三所示，通常可以達到比較好的成效，有時候也是必要的。

《圖三　分析MIMO訊號的基本步驟示意圖》

發射器訊號量測點

發射器的許多量測通常都很簡單，只要將發射器的RF輸出訊號直接連接到RF訊號分析儀的輸入端，然後量測訊號的特性和內容就可以了。不過，有些量測會需要在發射器信號鏈的前端或中段進行連接和探量，圖四就是一個典型的發射器區塊圖，圖中顯示了幾個可能插入訊號或探量訊號的點。

《圖四　發射器訊號區塊示意圖》

《圖五　RF頻譜量測示意圖》

《圖六　向量訊號量測示意圖（此處顯示的是QPSK、16QAM、64QAM、以及AWGN參考曲線的（l到r）CCDF）》

《圖七　數位解調分析示意圖 》 軌跡B為進行單一次FFT後的功率vs.頻率量測結果，軌跡D為誤差一覽表，軌跡A為IQ星狀圖，可以看出分析儀已成功鎖定並解調出該信號，軌跡C顯示的是誤差向量的頻譜，軌跡E則為時域的EVM誤差向量值，為符號碼的函數

就MIMO訊號發射而言，或許可以將每個發射器獨立開來一一量測，但也可能唯一的量測點就在已經耦合起來的預編碼訊號中。決定所要採取的量測方法時，選擇能夠提供最準確結果的測試架構極為重要。下表列出了各種量測需要的分析儀輸入端數目。

《表一　各種量測需要的分析儀輸入端數目示意表》

結合模擬與量測來解決硬體測試需求

今日的設計方法都會大力借重系統模擬技術，以避免反覆重新設計硬體所付出的昂貴代價，同時加快整體的設計流程。量測廠商提供的設計工具可以與測試儀器相結合，提供一個混合硬體與模擬的環境，讓工程師得以在系統的實際使用情境中，測試已設計完成之元件和子系統的功能。圖八就是利用模擬工具所設計出的一個完整的發射器和接收器系統，其中的MIMO通道可調整信號的衰減量。

《圖八　模擬環境設計的收發器系統測試示意圖》

結合模擬與測試的功能具有許多好處，最好的一個例子是用來產生兩組MIMO發射器訊號源，然後對MIMO系統中已設計完成的兩組接收器和基頻部份進行編碼傳輸的BER量測。發射器的測試資料可以是數位或類比的IQ資料，亦可加上控制和預編碼的機制，再比較接收器輸出的資料與送出的資料，進行即時的錯誤分析。運用已知的訊號衰減和通道耦合情景，對接收器進行壓力測試（stress-testing），在此同時進行即時的BER量測，才有把握所設計出來的產品在真實世界的環境中，可以正確地順利運作。

（作者為安捷倫科技Agilent Technologies電子量測事業群LTE應用工程師）