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Fixed WiMAX 量測作業介紹

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概觀

WiMAX 裝置正逐漸普及於日常生活中,而測試工程師更必須設法降低測試成本。因此,不論是設計檢驗或生產測試作業所使用的自動化測試系統,均必須能夠執行快速、精確,與可重複的 WiMAX 量測作業。此篇技術文件將為設備測試工程師,說明 Fixed WiMAX (IEEE 802.16-2004) 裝置進行特性描述作業時的常見量測類型。

Fixed WiMAX 架構概述

WiMAX 可分為固定式 (Fixed) 與行動式 (Mobile) 2 種規格,且均以 IEEE 802.16 標準的相關延伸,還有 WiMAX Forum 的定義為其架構。再精確一點來看,「Fixed WiMAX」是以 802.16-2004 規格為架構,有時亦稱為「IEEE 802.16d」。而「Mobile WiMAX」是以 802.16e-2005 為架構,即針對原始的 Fixed WiMAX 標準進行修改。Mobile WiMAX 並具備額外功能,如基地台的通訊網路切換 (Handoff)、MIMO (Multiple input multiple output) 傳輸/接收分集 (Diversity),與可調整的 FFT 尺寸 [1]。表 1 即為 Fixed 與 Mobile WiMAX 標準的相關比較。

 Fixed WiMAXMobile WiMAX
標準IEEE 802.16-2004 (亦稱為「IEEE 802.16d」)IEEE 802.16e-2005
多工OFDMOFDMA
FFT Size256可調整 (512、1024 等)
雙工模式TDD、FDDTDD
調變架構 (Modulation scheme)BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAMQPSK、16-QAM、64-QAM
子載波間距 (Spacing)15.625、31.25、45 kHz10.94 kHz
訊號頻寬3.5、7、10 MHz5、7、8.75、10 MHz
頻譜3.5 GHz 與 5.8 GHz2.3、2.5、3.5 GHz

表 1. Fixed 與 Mobile WiMAX

在分時雙工 (Time division duplex,TDD) 與分頻雙工 (Frequency division duplex,FDD) 模式中,工程師可將 Fixed WiMAX 架構設定為支援多個脈波叢 (Burst),且脈波叢可使用不同的調變架構 (Modulation scheme)。接著將說明 TDD/FDD 框架 (Frame) 的架構、子框架,與脈波叢。

常見的 Fixed WiMAX 傳輸器量測

不論是基地台 (Base station) 或用戶端 (Subscribe station),均必須測試傳送器與接收器;而此篇技術文件將針對傳送器 (Transmitter) 量測方式進行說明,以縮短量測時間。下列章節將接著說明傳送功率 (Transmit power)、錯誤向量幅度 (EVM)、子載波平坦度 (Subcarrier flatness),與頻譜遮罩邊際 (Spectral mask margin)。

傳送功率 (Transmit Power)

IEEE 802.16-2004 標準的 Section 8.3.10.1,即代表用戶端對功率強度的控制範圍。若用戶端 (Subscriber station,SS) 可支援次通道化 (Subchannelization) 功能,傳送器應要能調整 50 dB 的輸出功率範圍。若 SS 並不支援次通道化功能,則該範圍應達 30 dB。而上述 2 種情況下,1 ~ 30 dB 功率強度的相對精確度即為 ± 1.5 dB。若調整作業高於 30 dB,則所需的相對精確度為 ± 3 dB。

請注意,完整脈波叢 (Burst) 的傳輸功率,將因前置符碼 (Preamble) 到資料符碼 (Data symbol) 而有所不同。根據 802.16-2004 規格來說,前置符碼相對於資料符碼,應達到 3 dB 的升壓 (Boosting)。圖 1 即顯示前置符碼與資料符碼的相對功率。

圖 1. 功率對時間

請注意,由於 Fixed WiMAX 是使用 OFDM 訊號結構,因此不論是前置符碼或資料符碼,其峰值功率與平均功率之間均具有極大的差異。此功率差異即所謂的峰均值功率比 (Peak-to-average power ratio,PAPR)。

錯誤向量強度 (Error Vector Magnitude,EVM) 與相對星座誤差 (Relative Constellation Error,RCE)

EVM 與 RCE 均屬於 Fixed WiMAX 傳輸器效能的重要指標,可量測多種毀損所造成的擷取錯誤:相位差歪曲 (Quadrature skew)、IQ 增益失衡、相位雜訊、時脈恢復 (Clock recovery),與非線性失真。請注意,EVM 與 RCE 幾乎可相互通用。針對一般會議場合,此 2 個詞為相同意義。若要特別定義之,則 RCE 代表於完整 Fixed WiMAX 框架中進行的 EVM 量測。

針對調變過的訊號,EVM 將比較訊號預期與實際的相位/強度。如圖 2 所示,NI Fixed WiMAX 分析工具組,即將錯誤向量 |E| 乘以強度向量 |V|,以得出該值。

 

圖 2. EVM Measurement 的圖形表示式

而如表 2 所示,IEEE 802.16-2004 標準 (Section 8.3.10.1.2) 說明:傳輸器必須於每個調變架構中 (Modulation scheme) 達到最小的 RCE。

Burst Type

RCE (dB)

BPSK-1/2

-13

QPSK-1/2

-16

QPSK-3/4

-18.5

16-QAM-1/2

-21.5

16-QAM-3/4

-25.0

64-QAM-2/3

-28.5

64-QAM-3/4

-31.0

表 2. 多種調變類型的最小 RCE

請注意,當為傳輸器的效能進行特性描述 (Characterization) 時,往往發現跨所有調變架構的 EVM 效能均極為相近。也因此在生產測試環境中,一般均僅量測 64-QAM-¾ 脈波叢的 EVM 或 RCE。而針對呈現方式的不同,EVM 可透過多種圖表進行說明。


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圖 3. 調變精確度的視覺呈現

在圖 3 中,EVM 可透過 2 種方式進行觀察。星座圖 (Constellation plot) 表示各個符碼所測得的相位與強度。而此圖可找出訊號毀損之處。同樣的,EVM 與子載波圖,將可觀察混附訊號 (Spur) 或其他帶內 (In-band) 失真是否影響特定子載波的 EVM。

子載波平滑度 (Subcarrier flatness)

Fixed WiMAX 設定將指定所有通道使用 1 種 OFDM 訊號架構,並搭配 256 個子載波。如表 3 所示,在這些子載波中,僅有 192 個做為資料子載波。

 

子載波類型

數量

用途
資料

192

包含實際的酬載內容
低保護頻帶 (Guard band)

28

避免鄰近通道干擾低頻帶
高保護頻帶

27

避免鄰近通道干擾高頻帶
引導 (Pilot)

8

用於同步化作業
DC Null

1

保持為零,以量測傳輸器的載波拒斥 (Carrier rejection)

表 3. WiMAX 子載波的多個類型

請注意,Fixed WiMAX 脈波叢所使用的 OFDM 子載波 (FFT size),相同於所有通道的頻寬。而 Mobile WiMAX (IEEE 802.16e-2005) 則完全相反;其 FFT 尺寸將根據通道平寬而有所不同。

在 Fixed WiMAX 中,非資料子載波可用於多個功能。保護子載波 (Guard subcarrier) 位於通道頻寬的邊於,可避免鄰近頻帶的干擾。引導子載波 (Pilot subcarrier) 可提供訊號的相位參考,以協助強化解調 (Demodulation) 程序。在中間的子載波即為 DC Null 子載波,一般均為空白。由於在正交調變器 (Quadrature modulator) 中的 DC 偏移,可將之編譯為載波饋通 (Carrier feedthrough),因此可透過此音調 (Tone) 以量測傳輸器的載波拒斥 (Carrier rejection) 現象。圖 4 顯示 Fixed WiMAX 子載波的放置情形。

圖 4. Fixed WiMAX 訊號即使用多個子載波

 

根據 Fixed WiMAX 的 OFDM 訊號結構,IEEE 802.16-2004 規格則指定各個子載波均必須位於特定的容錯範圍之內,如表 4 所示。

 

Spectral Lines平滑度規格
–50 ~ -1 與 +1 ~ +50± 2 dB 平均功率強度
–100 ~ -1 與 +1 ~ +100+2 dB / -4 dB 平均功率強度
鄰近子載波± 0.1 dB

表 4. 子載波平滑度的容錯範圍

一般來說,解調訊號的子載波平滑度量測作業,均與 EVM 量測作業同步執行。

頻譜遮罩邊際 (Spectral Mask Margin)

頻譜遮罩為傳輸器量測的最後 1 個重點,可藉此了解傳輸器的非線性度,並檢查雜波訊號。頻譜遮罩追蹤一般均做為詳喙ぞ摺H欢,頻譜遮罩邊際量測屬於 Pass/Fail 的測試,是由 802.16-2004 規格的 Section 8.5.2 所定義。根據這些規格,授權頻帶中的傳輸訊號,均必須符合表 5 所指定的遮罩。

 

頻寬

A

B

C

D

20 MHz

9.5 MHz

10.9 MHz

19.5 MHz

29.5 MHz

10 MHz

4.75 MHz

5.45 MHz

9.75 MHz

14.75 MHz

表 5. Fixed WiMAX 頻譜遮罩限制

從圖 6 可知,802.16-2004 規格是針對 10 MHz 與 20 MHz 訊號頻寬,提供專屬的頻譜遮罩限制。請注意,未授權的頻帶與遮罩限制,均由當地的相關單位所決定,而不會出現於 IEEE 802.16-2004 規格中。

由於頻譜遮罩量測屬於 Pass/Fail 的測試,因此其結果即構成「頻譜遮罩邊際」;此「邊際」是以 dB 為單位,為所測得實際訊號與遮罩之間的功率差異 (Power delta)。圖 6 說明 Fixed WiMAX 訊號於 3.5 GHz 所進行頻譜遮罩量測作業。


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圖 6. Fixed WiMAX 的頻譜遮罩

 

如圖 6 所示,NI Fixed WiMAX LabVIEW 展式面板,可讓使用者針對頻譜遮罩,客制所需的偏移頻率 (Offset frequency) 與功率強度。

結論

現今的 Fixed WiMAX 裝置測試作業,需要精確的 RF 儀控與多種量測技術。針對傳輸器測試,則必須量測如功率、EVM、子載波平滑度,與頻譜遮罩邊際;這些均為裝置或元件效能進行特性描述時的常見要素。若要進一步了解 PXI RF 儀器與 NI measurement Suite for Fixed WiMAX,請至:NI Measurement Suite for Fixed WiMAX 或觀看下列連結: 

  • 進一步了解 Fixed WiMAX 測試.
  • 預先設定的 NI WiMAX 測試系統.
  • 網路研討會:備份可重複進行的 WiMAX 量測

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