TD-LTE信号源数字调制质量参数的校准

钱健，张娟，周新国

(南京熊猫汉达科技有限公司计量中心，江苏 南京 210002)

0 引言

目前国际上主流的4G技术主要是LTE-Advanced和802.16m(WiMAX标准)两种，中国继推出TD-SCDMA之后，又提出了具有自主知识产权的4G移动通信技术TD-LTE-Advanced(LTE-Advanced TDD制式)，它吸纳了TD-SCDMA的主要技术元素，体现了我国通信产业界在宽带无线移动通信领域的最新自主创新成果，由于该标准具有极高的传输速率 (每秒高达100 Mbps)和网络频谱带宽 (100 MHz/信道频谱)等优点，如今它已经成为4G技术的默认标准。

正是看到了4G通信无限美好的发展前景，世界通信强国无不投入巨大的人力和物力来研究发展此技术，实力强大的仪器制造商如美国安捷伦公司、德国R/S公司、日本安立公司等也前瞻性地开发了一些满足4G研发与生产所需的测试仪器，并陆续投入了市场，这些测试仪器主要包括信号的发射和接收两大类，完成发射功能的仪器为各类TD-LTE数字信号源，由于信号源是所有TD-LTE 通信产品研发与生产的关键设备及前提，其性能的优劣直接关系到产品质量的好坏，因此如何对其进行有效地性能测试就显得尤为重要。和其它数字信号源一样，TD-LTE数字信号源主要包括模拟和数字两大部分，这其中测试难点和测试关键在于数字调制部分 (TD-LTE)的校准，本文针对TD-LTE数字调制的原理及测量方法进行了深入的研究，并对其测量结果的不确定度进行了分析。

1 TD-LTE数字调制的基本原理

TD-LTE数字调制技术之所以有别于2G和3G，就在于它在上、下行链路中分别使用了不同的数字调制技术，即OFDM(下行链路)和 SC-FDMA(上行链路)。

OFDM，即正交频分复用技术，作为多载波调制的一种，它是TD-LTE数字调制在下行链路传输中采用的核心技术，它使用QPSK，16QAM和64QAM调制方式[1]，它将一个宽频信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，并将其调制到每个子信道上进行传输，这些在N个子载波上同时传输的数据符号，就构成了一个OFDM符号。由于各子载波重叠排列，且同时保持子载波的正交性 (通过FFT实现)，所以在相同带宽内能容纳数量更多的子载波，从而大幅提升了频谱使用效率，有效地减少了无线信道由于时间弥散带来的码间干扰。

TD-LTE数字调制在上行链路传输中采用的核心技术是SC-FDMA，即单载波频分多址技术，它是LTE的上行链路的主流多址方式，使用 QPSK，16QAM和64QAM调制方式，和OFDMA相同，它将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址，但与OFDMA不同之处为，任一终端使用的子载波必须连续。

2 TD-LTE信号生成及信号分析

目前，美国安捷伦公司和德国R/S公司各自开发了能在PC上运行且产生标准及各种自定义TD-LTE信号的TD-LTE生成软件工具，并下载到其矢量信号源中加以播放输出。安捷伦公司开发的N7625B Signal Studio信号生成软件是一款实用性很强的TD-LTE生成工具，带宽可支持到20 MHz(1.4～20 MHz);支持所有7种上下行配置 (0～6)、9种特殊子帧配置 (0～8);支持多种调制方式 (BPSK，QPSK，16QAMor 64QAM);支持多载波信号 (最多可支持16个载波);可以通过图形化界面显示资源分配，CCDF曲线和波形曲线。N7625B Signal Studio信号生成软件支持3GPP TD-LTE现行及将来国际3GPP标准化组织颁布的各种TD-LTE标准，提供了对 PDSCH，PHICH，PBCH，PUSCH，PUCCH等多种通道的测试能力，并且能够发射下行链路信号和上行链路信号。该软件提供了产生所有基本测试需求中信号的功能，可对基站和手机中使用的元器件 (例如功率放大器和滤波器)进行测试;与此同时，它还提供了更多针对接收机进行测试的功能，支持传输层编码、4x4 MIMO预编码和衰落[2]。

在TD-LTE信号分析工具方面，安捷伦公司推出的基于PC软件包的89601A矢量信号分析软件可用于测量大多数数字调制信号的射频和调制质量。它具有强大的测量和显示能力、按照用户和信道进行的颜色编码使人们可以用肉眼快速、轻松地进行识别，人们可以对整个信号或对单独信道进行测量;它拥有大量的解调器、滤波器、显示和分析工具，可以提供通用和特定标准信号测试和故障诊断工具，适合在研发实验室中评估和查错调制信号，并能直接链接至各种安捷伦频谱分析仪、数字示波器和模块化VXI系统，支持广泛的特定标准，包括 TD-LTE，WiMAX，WLAN，3GPP，RFID和UWB等;它具备如下一些主要特点:支持LTE下行 (OFDM)和上行 (SC-FDMA)分析;EVM小于 －50 dB;支持 LTE所有带宽:1.4～20 MHz;支持所有调制方式:BPSK，QPSK，16 QAM和64 QAM;所有上下行7种配置 (0～6)和特殊子帧9种配置 (0～8)。89601A软件支持安捷伦各种硬件分析平台，从数字基带端的逻辑分析仪到模拟基带端的示波器以及中频射频信号分析的频谱分析仪，针对安捷伦从中高端到低端各种类型频谱分析仪以及矢量信号分析仪[3]。

3 TD-LTE信号源数字调制参数校准技术

TD-LTE信号源数字调制部分性能参数较多，目前业界公认测试项目主要有数字调制电平、内部数字调制质量参数 (EVM)、频率误差、信道功率电平、占用带宽、邻道泄漏功率电平比、多载波功率、频谱发射模板 (SEM)等八项。“误差矢量幅度 (EVM)”是指测量波形与理想调制波形之间的矢量差，是这八项数字调制性能参数中，最能反映数字调制质量参数的技术指标。下面就以这个指标为例，说明校准的流程[4]。

3.1 TD-LTE信号源数字调制质量参数 (EVM)的校准[5]

3.1.1 校准方法

校准硬件连接框图如图1所示。

图1 数字调制质量参数 (EVM)

校准步骤如下:

1)被校TD-LTE信号源首先完成I/Q自校准，然后启动N7625B Signal Studio信号生成软件工具，根据需要生成各种测试所需的标准或自定义TD-LTE调制信号;特别注意TD-LTE下行/上行链路调制状态、3GPP LTE测试标准的E-TM测试信号序列、系统带宽值的设置;

2)将生成的TD-LTE调制信号下载和存储到TD-LTE信号源内存中，以便调用;

3)频谱分析仪选择3GPP TD-LTE解调模式，将中心频率设为被校信号输出频率值，参考电平置为0 dBm(或者在输入功率电平不过载的情况下，参考电平量程尽可能的接近输入的被测信号)，选择数字解调分析测量，链路方向为下行/上行链路，在测试信号中选择与被校TD-LTE数字信号源一致的E-TM测试信号，带宽设置和TD-LTE信号源系统带宽值相同，在测量结果中读取误差矢量幅度 (EVM)值。

3.1.2 校准说明

1)将被校TD-LTE信号源通过N7625B Signal Studio信号生成软件工具，生成测试所需要的各种标准或自定义的TD-LTE调制信号，下载和存储到TD-LTE信号源内存中，以便调用;

2)通过编程调用先前预先下载和存储在内存中的各种标准或自定义的TD-LTE调制信号，并予以播放和输出;

3)由于TD-LTE信号源数字调制质量参数(EVM)的校准不是直接用频谱分析仪进行测量，而是使用安捷伦公司在频谱分析仪E4447A硬件平台上开发的89600系列矢量信号分析 (VSA)软件来测量，因此，必须先调用Com API才能使用该软件，在89600系列矢量信号分析 (VSA)软件上进行二次开发，将其进行封装，使之能够满足被校TD-LTE信号源数字调制质量参数 (EVM)部分校准的需要。

4 TD-LTE信号源数字调制自动校准装置的构成及软件设计

TD-LTE信号源数字调制自动校准装置的硬件平台如图2所示，主要由计算机、频谱分析仪、GPIB控制总线等构成。计算机是自动校准系统的处理中心，显示所有校准信息，能够对被校TD-LTE信号源的参数进行配置，通过安捷伦82357B USB-GPIB接口卡控制各标准设备对被校TD-LTE信号源数字调制性能指标进行校准。

系统校准软件采用模块化编程，除具有一般测量软件的功能外，还支持多种TD-LTE数字信号发生器的自动测试，除了满足安捷伦公司的TD-LTE信号源的自动测试，还可手动添加其它类型的TD-LTE信号源以实现对其自动测试 (被测信号源要有SCPI指令，并支持GPIB远程控制)。软件可针对不同类型的TD-LTE信号源根据被校信号源的测试参数、测试项目和测试流程，配置不同的计量校准方案，实现自动校准。软件用户界面友好，智能化程度高，能够实现GPIB地址自动寻址、校准项目、校准点任意设置、存贮、打印校准数据、根据需要增添不同的仪器型号和测试方案等多种功能。

软件结构上分为82357类、被校仪器类、标准器类、校准项目类、数据库类、Excel报表类共六大类24个类模块。软件设计中，将每个技术指标的校准定义为一个独立的类，在使用时定义成对象，把校准过程作为一个对象处理，这样使每个指标有自己独立的校准过程，互不干扰，可以很灵活地处理类对象的参数。

图2 TD-LTE信号源数字调制自动校准装置框图

内部数字调制质量参数 (EVM)是数字调制测量的一个重要的参数，其测量软件流程图如图3所示。在校准表单中初始化被校仪器，获得被校准仪器的控制句柄，建立与被校准仪器和标准仪器之间的会话;按照校准EVM的校准方法设置被校准仪器和标准器的状态，使被校准仪器输出满足EVM校准所需要的波形，用COM API技术控制89601A矢量信号分析软件，将功能设置为EVM测量，按校准EVM的校准方法要求设置相应的控制选项;控制被校仪器输出，89601A矢量信号分析软件读取校准数据，数据进行处理并与上下限比较，若不在指标范围内，则由弹出界面由用户选择是否忽略还是重新校准该点，若在指标范围内则继续将校准结果写入数据库，校准下一个校准点。

5 比对测试

图3 内部数字调制质量参数 (EVM)流程图

在测试频率1900 MHz对同一台E4438C的EVM值进行测量，用TD-LTE数字信号发生器自动校准系统测得结果为Y1=0.31%;用工业和信息化部通信计量中心的德国R/S公司FSQ26信号分析仪测得的值为Y2=0.36%;不确定度U1=0.40%;U2=0.30%，则信计量中心，用其矢量信号分析仪校准装置 (德国R/S公司的FSQ26信号分析仪)测得的EVM量值为Y2，

比对结果满意。

6 误差矢量幅度 (EVM)的测量不确定度

在标准条件下，温度、湿度、磁场、电源变化等带来的影响可忽略，所以影响误差矢量幅度测量结果的不确定度来源主要有:由测量重复性引入的标准不确定度分量uA(V);测量接收机系统N5531S测量准确度引入的标准不确定度分量uB1(V);测量分辨力引入的标准不确定度分量uB2(V)。

经过计算与分析，发现测量重复性和测量分辨力引入的不确定度分量对测量结果影响很小，故可以忽略不计，最终“误差矢量幅度 (EVM)”测量不确定度为U≈0.40%(按正态分布，包含因子k=2)。

7 结束语

随着4G通信的快速发展，越来越多的TD-LTE信号源被大量使用在4G通信的研发和生产中，其TDLTE数字调制指标性能的优劣直接关系到该类仪器通信质量的好坏，因此，快速准确地测量TD-LTE数字调制指标就显得尤为重要。

[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]国家质量监督检验检疫总局.JJF1174－2007数字信号发生器校准规范[S].北京:中国计量出版社，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.