Fixed WiMAX 量測作業介紹

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。

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。

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。

 

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。

 

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診斷工具。然而，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。

 

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： 

參考資料

[1] Andrews, Ghosh, and Muhamed, Fundamentals of WiMAX: Understanding Broadband Wireless Networking. Prentice Hall, 2007.

[2] IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks: IEEE Std 8802.16-2004.