R&S公司数字基带测试解决方案

2015-09-19甘秉鸿罗德与施瓦茨中国科技有限公司

信息通信技术与政策 2015年7期

甘秉鸿罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司

编者按：随着无线通信的快速发展，越来越多设备在产品的设计中分为基带处理单元和射频处理单元，模拟接口逐渐被数字IQ接口替代。罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司甘秉鸿所撰《R&S公司数字基带测试解决方案》一文着重介绍了R&S公司数字基带模块的测试方案。经过实际验证，该方案具备安全的可操作性，可支持3GPPFDD、LTE、WiMAX和cdma2000等通信标准，可根据客户的特殊需求通过手动的方式进行自定义配置，并可作为运营商、无线数据设备厂商以及基站设备厂商的参考测试文件，以丰富用户在无线通信设备接口测试的精确性和完整性。

1 R&S EX-IQ-Box数字信号接口模块介绍

R&SEX-IQ-Box数字基带接口模块负责为罗德与施瓦茨的信号发生器和信号分析仪产品提供灵活的数字基带输入和输出信号，它的主要应用领域是将罗德与施瓦茨仪器的数字I/Q信号转换成用成用户自定义或标准化的数字信号格式，或反之（见图1）。被测设备的连接采用直通方式，通过直接插入R&SEX-IQ-Box的适配卡（=连接卡）实现。

当使用R&SEX-IQ-Box时，R&S矢量信号源发送实际数字基带信号用于测试数字收发器或者其他组件，数字基带信号可覆盖所有的通信标准，例如：LTE，WiMAX，3GPP包括HSPA/HSPA+，以及提供用户自定义信号，同时，信号可经过衰落，高斯白噪声AWGN和IQ损伤仿真，R&SEX-IQ-Box和R&S矢量信号分析仪一起可分析数字基带模块。通过配置外围接口板，可将R&S专用的数字基带接口信号转换为各种通用的数字基带接口信号，用户可自定义数据速率、数据格式及逻辑电平等，方便被测设备DUT的连接以及配置信号源或信号分析仪的用户接口参数，其主要特点为：支持CPRI、OBSAI、DigRF3G、DigRF4G（MIPIDigRF）协议接口；工作状态由安装在计算机上的软件DigIConf来控制；内置任意波形发生器，支持Winiqsim2软件产生的波形文件；可记录收到的IQ信号；体积：198×47×190mm3；重量1kg。

图1 R&SEX-IQ-Box面板图

1.1 作为数字基带的高端测试与测量设备

R&S信号源和信号分析仪可处理包括现代无线数字通信系统研发和产线测试中的各种任务，无论是EUTRA/LTE，HSPA+还是WiMAX等，R&S的仪表都能提供基站、终端机模块测试的广泛能力。R&S EX-IQ-Box使得R&S信号源和信号分析仪可以用于数字基带接口测试：用于信号源和信号分析仪的双向数字IQ接口；SMW200A，SMBV100A信号源产生符合标准的数字基带信号；支持所有通信标准，如EUTRA/LTE、3GPPFDD、HSPA+、WLAN等；通用的信号处理能力（如衰落、高斯白噪声AWGN、IQ损伤等）；简单灵活地将数字基带信号转换为模拟中频IF或射频RF信号；将射频或模拟基带信号实时转换成数字格式。

1.2 灵活的信号接口和时钟发生器

R&SEX-IQ-Box包含灵活的用户接口，提供广泛的配置，满足目前各种接口要求以及将来的接口设计。

（1）可变的信号接口和灵活的数据格式

R&SEX-IQ-Box通过提供不同外围接口板来满足大多数通用的数字基带连接，如灵活的数据格式；可变的信号接口；最大数据速率为100MHz，采样率可变；可变的IQ数据字长，4～20bit；bit的顺序和Word对齐方式可选；支持串行和并行数据格式；支持单数据速率SDR和双数据速率DDR；支持非交织、IQ交织和QI交织方式；支持二进制补码和二进制偏移码；IQ数据反向可选；支持LVTTL、CMOS（1.5、1.8、2.5和3.3V）以及LVDS等逻辑标准电平；3种不同的外围接口板，包括单端、差分及68pin的SCSI板，以满足各种不同被测件DUT的连接（见图2）。（2）灵活的时钟发生器

R&SEX-IQ-Box可通过内部时钟信号或者使用被测件DUT及其他外部时钟源，将产生的时钟发送给被测件DUT以满足各种不同的测量任务。时钟信号的相位和延迟可根据数据信号而发生改变，如补偿不同电缆长度或者接收机的响应：灵活的时钟信号；并行格式；时钟速率1kHz～200MHz；串行格式，时钟高达400MHz。同时，可进行慢速率IQ操作；参考时钟可选内置或外部；时钟相位（90°调整步进）和延时可调（可小至5ns）。

图2 3种不同的外围接口板

2 R&S公司的数字基带接口测试解决方案

在研发和产线测试阶段，为了保证各级电路的功能和性能符合设计要求，分级测试是需要的。数字电路是无线通信系统最核心的部分之一，因此，对数字基带部分进行测试也是必不可少的。

作为欧洲最大的无线电测试测量仪器制造商，罗德与施瓦茨公司对各种不同通信标准基站的射频测试都拥有丰富的实际经验，罗德与施瓦茨公司全系列的高性能仪表在基站和终端研发和生产中得到了广泛应用。目前，R&S推出的EX-IQ-Box设备，可以提供灵活的数字接口输入和输出功能，能方便连接到R&S的信号源和信号分析仪上，可进行接收机测量、发射机测量、信号源仿真及射频前端模拟等功能（见图3）。

图3 R&SEX-IQ-Box数字基带测试连接图

2.1 数字基带接收机和性能测试

矢量信号源的数字IQ基带信号经过EX-IQ-Box进行格式转换后送给被测件作为激励源，数字IQ基带信号类型由矢量信号源的基带信号决定，可支持EUTRA/LTE、3GPP FDD、HSPA/HSPA+、WLAN、WiMAX、GSM/EDGE等各种通信标准，同时可加上各种接收机和性能测试要求的信号处理，如衰落、高斯白噪声AWGN或IQ损伤。通过EX-IQ-Box处理后，可进行比特率BER和误块率BLER测试（见图4）。

图4 R&SEX-IQ-Box作为接收机和性能测试方案

SMW200A推荐配置：SMW200A主机；SMWB10；SMW-B13/B13T（基带模块）；SMW-K18（数字基带输出）；SMW-B14（衰落模块，可选）；SMW-Kx（如LTE选件K55，可选）；SMW-B10x（射频模块，可选）。

2.2 信号源作为数字上变频

被测件为基带板，输出为数字IQ基带信号，想将它转换为射频信号。必要时对射频信号进行衰落、加高斯白噪声。

连接框图为被测件 →EX-IQ-Box→SMW数字基带输入接口→SMW射频输出（见图5）。

SMW200A的推荐配置为：SMW200A主机；SMW-B10；SMWB13/B13T（基带模块）；SMW数字基带输入标配；SMW-B10x（射频模块）；SMW-B14（衰落模块，可选）；SMW-K62（AWGN噪声模块，可选）。

2.3 信号分析仪作为数字下变频

被测件为基带模块，输入接口为数字IQ基带信号，但分析的对象是射频信号。FSX将射频信号变换为数字IQ基带信号，经过EX-IQ-Box转换后给被测件（见图6）。实质是利用FSW/Q/V的内部下变频器和A/D变换器的优越性能。

FSW/V的推荐配置为：FSW 主机、FSW-B17（数字基带输入输出接口）。

2.4 数字基带信号的信号分析测试

被测件为基带板，输出为数字IQ基带信号，想对这个数字基带信号进行分析。

连接框图为被测件→EX-IQ-Box→FSX-B17数字基带输入接口→FSX（见图7）。

FSW/V的推荐配置为：FSW/V主机、FSW/V-B17（数字基带输入输出接口）、FS-Kx（信号分析软件，可选）。

图5 信号源作为数字上变频

图6 信号分析仪作为数字下变频

图7 信号分析仪进行数字基带信号测试

2.5 RFIC芯片验证测试

被测件本身是数字上变频RFIC芯片或者数字下变频的RFIC芯片，通过R&S信号源和信号分析仪完成RFIC芯片的验证测试，分为上行测试和下行测试。当RFIC芯片作为数字上变频即上行测试时，通过R&S信号源提供数字IQ信号，通过RFIC上变频为射频RF信号，然后通过R&S信号分析仪进行分析；当RFIC芯片作为数字下变频即下行测试时，通过R&S信号源提供射频RF信号，通过RFIC下变频为数字基带IQ信号，然后通过R&S信号分析仪数字基带接口完成信号分析测试。推荐的测试连接如图8所示。现代的移动电话主要由多个组件组成，其中最核心的是应用处理器和多种多样的空中接口。按收发系统的功能划分，主要包括基带处理单元BBIC和射频收发单元RFIC，而目前，用于BBIC和RFIC之间传输的数字IQ信号接口大多数都用DigRF接口协议。DigRF是一种标准，由MIPI联盟开发，取代以前用于模拟IQ信号和射频连接的接口。R&SEX-IQ-Box通过加上B81外围接口板就能完成DigRF接口协议测试，目前主要支持的标准有：DigRF 3G：3GPP 3/2.5G；DigRF v4：3GPPLTE/HSPA+、MobileWiMax。

更详细的测试解决方案，请参考DigRF接口测试解决方案

2.6 CPRI接口测试解决方案

基站是由多个功能部分组成的，其中最主要两个部分是基带部分和射频部分。但在用传统基站部署的网络中，基站的扩容却是运营商一个头疼的大问题。这是由于传统基站的各个模块通常是集成在一起的，例如基带单元和射频单元通常是无法完全分离的，如果在基带单元资源紧张的情况下，需要进行扩容，增加基带单元的同时就必须增加射频单元，这将无法避免地导致射频部分的浪费。而如果基站可以实现基站内的单元模块化，各模块之间各自独立的话，在上述情况下，就可以根据实际需要，实现只增加基带资源不增加射频资源的灵活配置，从而节省大量设备成本。

图8 RFIC芯片上/下行测试连接图

现在新的3G/4G基站采用了开放架构，主要就是指基站的基带和射频部分之间采用了开放式的接口和标准协议，可分开放置；模块化则是开放架构概念的一种延伸，主要指基站的基带部分和射频部分无论从硬件还是软件上都自成一体，具有自己的功能，基带部分和射频部分相互独立。图9为新一代开放式基站框图。

2003年6月，爱立信、华为、NEC、西门子和北电共同发起成立了CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共无线接口）标准化组织。CPRI接口是指基站内部基带单元和射频单元之间的接口，该组织成立主要目的就是制定这个接口标准协议，从而使该接口开放化、公开化。

图9 开放式基站框图

新一代基站可以把宏基站的部分载波通过标准的CPRI接口拉远实现分布式组网。同时新一代基站出现了一种崭新的基站形态——分布式基站，基带处理部分（BBU）和射频收发信机部分（RRU）设计成单独的模块，分布式基站不仅带来了快速便捷的网络部属，而且有利于大幅降低运营商建网的成本，逐步成为了运营商关注的焦点。基于CPRI的广泛发展，如何进行CPRI接口测试已成为业界关注的焦点。

R&S在EX-IQ-Box上提供了关于CPRI、OBSAI和DigRF3G/4G数字接口的测试解决方案的测试解决方案。加配B85（CPRI接口版）选件后，EX-IQ-Box可以产生和接收符合CPRI协议标准的数字IQ数据。R&S的测试方案可以单独进行上行或下行测试，也可以支持上下行并行测试。此外，也可以实时的插入CPRI协议规定的C&M信息。对于CPRI接口板的配置主要通过R&S的DigIConf配置软件来完成。

图10为基于R&S的EX-IQ-Box配合信号源和信号分析仪的CPRI测试框图。

（1）CPRI接口的RE测试

R&SEX-IQ-Box可以和矢量源与矢量信号分析仪连接完成RRU上下行测试。图11为基于EX-IQ-Box和CPRI接口板完整的RRU测试框图。下行输入为CPRI接口信号，输出为射频信号。上行输入为射频信号，输出为CPRI接口信号。CPRI接口的信号通过光纤传输。

（2）CPRI接口的REC测试

R&SEX-IQ-Box可以用矢量信号源和矢量信号分析仪连接完成BBU上下行测试。图12为基于EX-IQBox和CPRI接口板完整的BBU测试框图。下行：被测件DUT输出CPRI接口信号，通过EX-IQ-Box转换成数字基带接口信号后，使用R&S矢量信号分析仪完成信号测试；上行：使用R&S矢量信号源产生数字IQ基带信号，通过EX-IQ-Box+B85转换成CPRI接口信号，用于被测件接收。

图10 基于R&S的EX-IQ-Box配合信号源和信号分析仪的CPRI测试框图

图11 基于EX-IQ-Box和CPRI接口板完整的RRU测试框图（上/下行）

图12 基于EX-IQ-Box和CPRI接口板完整的BBU测试框图（上/下行）

（3）基于ARB模式的经济型CPRI接口测试

EX-IQ-Box也可以通过ARB选件（R&S®EXBOXK90/-K91）来播放原先由WinIQSim2、Matlab或其他工具软件生成的波形文件，并且在CPRI接口上同时可以支持多达4个不同的信号传输（见图13）。另外，配置R&S的信号源和信号分析仪后，EX-IQ-Box也可以直接利用信号源原有的功能（如数字通信标准、衰落、AWGN等）和信号分析仪原有的功能（ACP、EVM等），因此在配置信号源及信号分析仪的基础上可以根据客户的需求灵活的配置测试解决方案。同时，EX-IQBox也可以通过R&S®EXBOX-K94选件记录数据，然后用户可以通过自己的分析工具如Matlab或C++等对测试信号进行分析。这样，客户无需任何分析选件即可完成相应的分析，进而节约更多的成本。

2.7 射频衰落测试解决方案

基带衰落模拟的代表是R&S公司的矢量信号发生器SMW200A的衰落模拟选件，这两者都可以通过实时的方式模拟无线信道中动态和静态的分布特性，同时可以灵活地对不同衰落路径的各种参数进行分别配置，并能进行AWGN模拟，以满足各种测试需求。

由于被测设备接口的原因，有些客户提出射频衰落模拟的要求。除了使用射频接口衰落模拟器以外，也可以使用现有仪器搭建。前提是这些仪器具备相应选件，并有相关数字IQ输入输出接口。下面以R&S公司频谱仪B17选件结合信号源SMW为例，说明如何实现射频衰落方案。

射频衰落的实现方式是将信号下变频至基带进行ADC采样，然后通过DSP实现所需的衰落模型。众所周知，频谱仪基本的工作原理就是超外差接收机，其实质也是经过多次混频至低中频后进行数字ADC采样，然后完成所需的后续处理。R&S FSW的B17选件可以将ADC采样后的数据直接输出，正好可以完成射频衰落所需的下变频和ADC采样功能（担任射频前端）。由于R&SSMW具备的数字IQ输入功能，这样SMW把基带信号通过衰落选件进行我们所需的衰落模拟，最后再上变频调制输出，从而实现客户所需的射频衰落模拟。

图13 基于ARB模式的经济型CPRI接口板完整BBU测试框图（上/下行）

从图14可以看出，这种射频衰落方案有两个明显的优势：

图14 基于SMWFSW的射频衰落模拟实现框图

（1）工作频率和工作电频直接由担任射频前端的频谱仪的工作频率和电平决定。相比于市场上现有的射频衰落模拟器的优势很明显――没有工作频段和电平的限制，因而也无需为频率和电平扩展外接其他设备，可以更好地满足多方面的测试需求。

（2）信号源和频谱仪单独可以完成各自的测试任务，组合在一起又成为衰落模拟器，这种方法大大提高了仪表的使用效率。

3 R&S EX-IQ-Box配置信息

图15为R&S公司EX-IQ-Box测试方案的选件信息。客户可以根据不同的应用接口协议选择不同的硬件配置以及不同的移动通信标准选择相应的ARB选件。此外，也可以配合已有的矢量源和矢量信号分析仪自带的实时选件，完成相应的协议测试。

4 结束语

本文详细介绍了罗德与施瓦茨公司关于数字基带接口的测试解决方案。经过实际验证，该方案具备完全的可操作性，同时可以支持3GPPFDD（包括HSDPA、HSUPA、HSPA+)、LTE、WiMAX和cdma2000等通信标准，也可以根据客户的特殊需求通过手动的方式进行自定义配置。大大节约了产品发布的时间和人力资源。可以作为运营商、无线数据设备厂商以及基站设备厂商的参考测试文件，以丰富用户在无线通信设备接口测试的精确性和完整性。