WiMAX收发机的关键测量参数及测量技巧

WiMAX IEEE 802.16-2004标准定义的高数据传输率通信为真正的无线宽带多媒体业务铺平了道路。基于正交频分复用(OFDM)技术的WiMAX 物理层(PHY) 和媒体访问控制(MAC)协议在该标准中已有定义，这些协议推动了基带测试收发机的开发。本文将讨论测试收发机的几种不同测量方法和关键测量参数。

推荐的WiMAX测量接收机集成了测试基带WiMAX所需的关键功能模块，包括数据包检测单元、粗糙和精细的符号定时估计、同相/正交(I/Q)损失估计器、频率偏移校正、信道均衡和估计，以及自动调制检测(见图)。这个测量接收机被设计用作测试和测量目的，采用了快速傅立叶变换(FFT)技术，与用在WiMAX产品的实际接收机算法有一些差别。

IEEE 802.16-2004标准给出了一些发送机和接收机的测试要求。这些要求必需经过测试和一致性验证。因此，在推荐的测试设计中，推荐者结合了多种方法来测量标准中规定的要求。除了本文后面将详细讨论的测量功能外，还可用该接收机测量：以百分比或dB表示的相对星座误差(RCE)、RCE与符号数目的关系、RCE与子载波数目的关系、频谱平坦度、振幅因数(峰均功率比)、最大/平均/最小的误差向量幅度(EVM)，以及误差向量频谱/时间(包括均方根误差向量)。

这里参数包括文献中广泛讨论的标准测量参数。另外一些测试设备供应商，比如Agilent、Anritsu和Rohde & Schwarz 公司也都在他们的WiMAX接收机解决方案中提供测试这些参数的能力，他们的解决方案通常是以采用软件定义无线电(SDR)架构的可编程接收机的形式来实现。鉴于这些参数测量在很多文献和IEEE 802.16-2004的标准文档中已有大量讨论，这里就不再赘述，而是补充介绍其它一些参数测量。

这里参数包括文献中广泛讨论的标准测量参数。另外一些测试设备供应商，比如Agilent、Anritsu和Rohde & Schwarz 公司也都在他们的WiMAX接收机解决方案中提供测试这些参数的能力，他们的解决方案通常是以采用软件定义无线电(SDR)架构的可编程接收机的形式来实现。鉴于这些参数测量在很多文献和IEEE 802.16-2004的标准文档中已有大量讨论，这里就不再赘述，而是补充介绍其它一些参数测量。

推荐的WiMAX测试接收机的关键功能模块包括：数据包检测单元、符号定时估计、同相/正交(I/Q)损失估计器、频率偏移校正、信道均衡和估计，以及自动调制检测。

关键测量参数

“频率误差”是指由发送机和接收机的本地振荡器产生的载波频率偏差的测量值。与绝对频率误差相比，归一化频率误差的更加适用。频率误差常常在时域信号中测得，但也可能利用频域样本来测量。本文的实施方案是采用时域样本来测量。

“采样时钟误差”测定发送机和接收机端的采样时钟偏差。在OFDM系统中，这种测量通常在导频跟踪期完成。由于采样时钟引入了一个依赖载波和OFDM符号索引的相位旋转，所以可利用相位旋转的变化来估计采样时钟误差。一般是用信道均衡之后的频域采样来进行估计。

“接收信号强度指示(RSSI)”估计简单地指示了接收机前端信号的强度。如果接收到的信号强度大于阈值，则表明链路工作良好。相比CINR 和 BER等其它参数测量，RSSI估计非常简单，计算不太复杂，因为它不需要对接收到的采样信号进行处理和解调。不过，接收到的信号同时也包含了噪声、干扰以及其它信道损失，所以接收到的信号很强并不意味着信道和信号质量良好，而只表明信道中存在很强的信号。

如果利用便携式测量设备在无线信道上进行测量，接收到信号的能量将因衰减而快速波动。为获得可靠的估计结果，要求在一个时间窗口上进行平均以补偿短期波动。平均时间窗口的大小取决于系统、应用、信道变化等。例如，若接收机端有多个接收机天线，则它的时间窗口可以比只有单根天线时的时间窗口短。这对待测设备(DUT)和接收机之间有电缆连接的测量而言不成问题，因此即使是很短的测量窗口也能够提供可靠的RSSI值。

载波干扰比(CIR)、载波干扰噪声比(CINR)、信号干扰比(SIR)、信噪比(SNR)和信号干扰噪声比(SINR)都是在被接收到信号的调制期间(或调制之后)测量信道质量的最常用参数。CINR (或SNR或SINR)提供了所需信号与干扰(或噪声或干扰加噪声)相比强度如何的信息。大多数无线通信系统都是干扰受限系统，因此更常采用CIR 和 CINR。相比RSSI，这些测量结果提供了更准确、更可靠的估计，但代价是计算更复杂并有额外的延迟。通过分别估计信号功率和干扰功率，然后再取二者的比值来估计CINR。这个信道参数估计可用来计算信号功率。有一种版本的EVM是测量接收值和预期值之间的偏差，可用在测量噪声干扰功率的测量中。

参数测量的方法和技巧

当进行参数估计时，通常假定信号损失(噪声或干扰)是白噪声和高斯分布，以简化估计过程。不过，在无线通信系统中，信号损失也可能由一个很强的非白噪声干扰源引起。例如，在OFDM系统中，信道带宽很大，整个频段上的干扰不断变化，很有可能某部分频段受干扰源的影响比其它部分大。因此，为估计每一个载波和每一个OFDM符号的接收信号噪声，不但平均CINR测量很重要，基于载波的CINR和基于信号的CINR测量也很重要。

由于期望信号的信道和干扰状况都可能快速发生变化(尤其对无线测量应用而言)，所以同时进行短期和长期估计很有必要。比特误码率(BER)、符号误码率(SER)、帧丢失率(FER)，以及循环冗余校验(CRC)信息都是这类测量参数的例子。BER (或FER)被定义为传输期间错误比特数(或帧)与接收到的总比特(或帧)数之比。CRC指示了帧的质量，在FCH解码过程中可获得CRC信息。对大量帧上的CRC信息进行平均可得到FER。

为计算BER，接收机需要知道实际传输的比特数，但这在实际应用中是不可能的，因此通过比较解码器前后的比特数来计算BER。假定解码器能校正错误比特，则解码前后的比特数差异与BER有关。请注意，这种比较只有在CRC检验结果确定无帧丢失的情况下才有意义。当用标准定义的数据来测试DUT时，计算BER非常容易，因为传输数据是已知的，并且能直接与接收到的比特数比较。

信道频率响应(CFR)估计提供了关于期望信号在载波频率上的功率变化信息。CFR远比RSSI信息可靠，因为它所需的信号功率中不包括其它信号损失。但CFR估计没有CINR (或SINR)估计可靠，因为在期望的信号功率方面，它无法给出有关噪声和/或干扰功率的信息。不过，对白噪声(比如AWGN)来说，CFR估计仍可提供每一个载波上的预期CINR(从而得知预期EVM)信息。

CFR为无线测量提供了关于介质色散(选择性)的信息。对接收机通过电缆和DUT相连的测量来说，CFR提供了用在收发机中的滤波器响应的信息。CFR对标准规定必须执行的频谱平坦度测量也很有用。I/Q参数测量则需要详细讨论多载波系统，以后再做介绍。

接收机算法的精度影响测量性能。例如，如果信道估计算法设计得不正确，频谱平坦度测量结果就有可能很不理想，从而可能得出发送机端采用的滤波器缺乏良好频谱特性的结论。然而，问题原因也许并不在于发送机或接收机端所用的滤波器，而很有可能是使用的信道估计算法本身所致。同样，我们也有可能因接收机算法设计得不正确而在星座图上观察到很大的EVM。理想情况下，我们希望EVM反映出的误差是由DUT引起，而不是由不合适的接收机算法引起的。因此，在测试测量领域，我们总希望执行性能最优的接收机算法以减少这些算法造成的误差。另一方面，我们必须非常小心不要增加计算的复杂性和延长测量时间。又快又精确的测量方法是最好的。

基于同样原因，在测量DUT的时候，必须对收发机链路上其它设备引起信号损失进行补偿(或校准)，但无需对由DUT导致的信号损失进行补偿。

另一个测试关键点是确定某一特定参数测量必须在接收机链路上哪个位置进行。最终目的是通过测量确定由DUT导致的信号损失。如果接收机算法纠正或改变了信号损失的成分，则测量结构将不可靠。例如，如果在接收机端有一个采样时钟补偿算法，则在补偿之后测量采样时钟误差是得不到结果的。这是一个显而易见的例子，但对I/Q损失测量等这些需要技巧的测量，就必须知道在哪里进行测量才能获得最精确的结果。在两个不同位置进行测量也有可能得到相似结果，但一般情况下都存在一个最佳测量点。

作者：Huseyin Arslan，Email: arslan@eng.usf.edu，美国南佛罗里达大学；Daljeet Singh，Anritsu公司

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