用於測試多輸入多輸出射頻數據包信號收發器的隱式波束成形性能的方法與流程
2023-11-03 02:56:33 2
本發明涉及測試射頻(RF)數據包信號收發器受測裝置(DUT)，並且具體地涉及測試多輸入多輸出(MIMO)DUT的隱式波束成形(implicit beamforming)性能。
許多現今的電子裝置使用無線技術用於連接性和通信兩種目的。因為無線裝置傳輸以及接收電磁能量，並且因為兩個或更多個無線裝置可能因其信號頻率和功率頻譜密度而幹擾彼此的運作，這些裝置及其無線技術必須遵循各種無線技術標準規格。
在設計此類無線裝置時，工程師附加注意要確保此類裝置會符合或優於根據其所包括的無線技術所規定標準的每一項規格。此外，當這些裝置之後進入量產時，其會經過測試以確保製造缺陷不會導致不適當的運作，此測試也包括是否遵循所包括的基於無線技術標準的規格。
為了在製造和裝配之後測試這些裝置，目前無線裝置測試系統採用子系統來分析從每個裝置接收的信號。此類子系統一般包括用於提供待傳輸至受測裝置的來源信號的諸如向量信號產生器(VSG)的至少RF數據包信號傳輸器、以及用於接收並分析DUT所產生的信號的諸如向量信號分析器(VSA)的RF數據包信號接收器。VSG對於測試信號的產生以及VSA所執行的信號分析通常是可編程的，以便允許將各自都用於測試各種裝置是否遵循具有不同頻率範圍、帶寬以及信號調變特性的各種無線技術標準。
已採用多輸入多輸出(MIMO)技術(多輸入(或接收)信號路徑和多輸出(或傳輸)信號路徑)用於符合信號標準的使用，信號標準包括如IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac的標準，以及蜂窩式電話信號標準，包括LTE和LTE Advanced。使用MIMO技術的裝置依賴波束成形以最大化所接收信號的量值並最小化信號錯誤。在使用MIMO技術的測試裝置中，必須判定所應用的波束成形方法(例如顯式或隱式)是否依照適用的信號標準執行。
通過使用多天線來發送包並調整MIMO數據包信號之間的相位差(或「差量(delta)」)以及也許也調整量值(magnitude)差，波束成形技術可增加MIMO裝置的傳輸(TX)信號範圍，使得到達基站(或基準)天線的信號能受益於多路徑相長信號幹擾的功率增強。(在正交分頻多任務(OFDM)信號的情況中，這些調整可以各子載波為基礎而進行。)以相似的方式，接收系統MIMO數據包信號可使用多個天線以增加接收信號敏感度。
顯式波束成形涉及裝置與基站(或在測試環境中操作時則為測試器，且常被稱為「基準」)間的信息交換，以交換關於裝置與基站正在其中進行通信的無線信號路徑或信道的信息。此類信息用於判定待施加於傳出(outgoing)的傳輸(TX)信號的一個或多個相位差，以便因為多路徑信號效應(例如相長及相消信號幹擾)而優化在接收此類TX信號的每個天線處的功率。
隱式波束成形不涉及關於信號信道的信息交換。前提為該通道具有互易性(或對稱性)，使得該信道的特性對正在通信中的兩個系統(例如手持裝置與基站)是一樣的。因此，裝置試圖基於其從基準接收的信號衍生出信道模型，該裝置從該信道模型計算出信號導引矩陣(signal steering matrix)並施加信號相位差至其傳出的TX信號，以便因為多路徑信號效應而優化該基準的接收天線處的功率。所應用(例如作為相位偏移)的相位差基於假設，即，在發出TX信號的TX電路系統與接收RX信號的RX電路系統之間，以及在其分別來往於各別天線的連接之間，裝置內的MIMO信號所行經的各別TX信號和接收(RX)信號路徑的有效相位長度為相等的。
理想中，信號路徑的相位長度在一個或多個TX與RX集成電路I/O終端之間以及任何附加的內部TX與RX子系統之間、以及在天線連接、或埠、及I/O接腳之間會全都是一樣的，使得對應的相互相位差會為零。然而，通常更有可能的是信號路徑之間的這些相位差將不是零，並且可能為顯著的(例如相較於零度或弧度更接近180度或π弧度)。因此，為使波束成形為有效的，這些固有相位差需以校準來補償。例如，如果兩個路徑之間的相位差為15度，必須使用該相位差來計算欲以裝置應用的實際相位差，以經由天線賦予合適的波束成形。
隱式波束成形比顯式波束成形更有利，因為其較不耗時也較不複雜。然而，少了輕易校準裝置信號路徑相位差的能力，波束成形的性能將無法達到最佳。因此，意欲擁有一種用於校準使用隱式波束成形的裝置、測試該裝置以確保其隱式波束成形是否適當地執行、以及驗證裝置所提供的校準值實際上是否準確的方法。
技術實現要素：
根據所主張的本發明，一種方法經提供用於測試多輸入多輸出(MIMO)射頻(RF)數據包信號收發器受測裝置(DUT)的隱式波束成形的性能。形成用于波束成形的循序數據包信號傳輸的數據包信號是以選擇性地變化的相位差而產生的，並經由內部RF信號路徑傳遞至外部傳輸終端。合併這些經傳輸的數據包信號會產生經合併的數據包信號，在該經合併的數據包信號中會出現峰值功率，在峰值功率出現期間，在用于波束成形的此類循序DUT數據包信號傳輸之間會經誘發出特定相位差。此相位差對應於DUT的內部RF信號路徑之間的RF信號相位長度的差異，並且因此指出在用于波束成形的此類循序DUT數據包信號傳輸之間允許最佳隱式波束成形性能所需的相移量。
根據所主張的本發明的一個實施方案，一種用於測試多輸入多輸出(MIMO)射頻(RF)數據包信號收發器受測裝置(DUT)的隱式波束成形性能的方法包括：
自該DUT接收多個循序DUT數據包信號傳輸，該多個循序DUT數據包信號傳輸至少包括第一和第二同時期序列DUT數據包信號傳輸，該第一和第二同時期序列分別具有第一和第二相互對應部分，該第一和第二相互對應部分具有各別相異的標稱信號相位差；以及
至少合併該第一和第二同時期序列DUT數據包信號傳輸以提供經合併的循序DUT數據包信號傳輸。
根據所主張的本發明的另一個實施方案，一種用於測試多輸入多輸出(MIMO)射頻(RF)數據包信號收發器受測裝置(DUT)的隱式波束成形性能的方法包括：
通過該DUT生成多個循序DUT數據包信號傳輸，該多個循序DUT數據包信號傳輸至少包括第一和第二同時期序列DUT數據包信號傳輸；
控制該第一和第二同時期序列DUT數據包信號傳輸中的至少一者的標稱信號相位，使得該第一和第二同時期序列DUT數據包信號傳輸分別包括第一和第二相互對應部分，該第一和第二相互對應部分具有各別相異的標稱信號相位差；以及
經由該DUT內的第一和第二RF信號路徑，至少傳遞第一和第二同時期序列DUT數據包信號傳輸的第一和第二相互對應部分，以經由第一和第二外部DUT終端分別提供第一和第二DUT傳輸信號。
附圖說明
圖1是根據所主張的本發明的示例性實施方案，描繪用於測試MIMO RF數據包信號收發器的隱式波束成形性能的測試環境。
圖2是根據所主張的本發明的示例性實施方案，描繪用於測試隱式波束成形的方法的流程圖。
圖3是根據所主張的本發明的示例性實施方案，描繪在測試隱式波束成形性能時的基準及DUT數據包信號流。
圖4是根據所主張的本發明的進一步示例性實施方案，描繪在測試隱式波束成形性能時的基準和DUT數據包信號流。
圖5是根據所主張的本發明的示例性實施方案，描繪用於測試隱式波束成形性能的具有變化數據符號內容的單一數據包的傳輸。
圖6是根據所主張的本發明的示例性實施方案，描繪隱式波束成形性能可用於改善其性能的DUT中的示例性信號路徑。
圖7描繪與多路徑信號效應相關聯的相長和相消信號幹擾的簡化示例。
圖8是根據所主張的本發明的示例性實施方案，描繪經波束成形信號在所應用相位偏移的範圍內的功率和增益的變化。
具體實施方式
下列詳細說明是參照附圖的所主張本發明的示例性實施方案。這些說明意欲為說明性的而非限制本發明的範圍。此類實施方案以足夠細節被說明使得所屬技術領域中的普通技術人員得以實施本發明，並且應理解，在不脫離本發明的實質或範圍的情況下，可以某些改變來實施其他實施方案。
在本公開各處，如無相反於本文的明確指示，可理解所描述的個別電路元件在數目上可為單數或複數。例如，術語「電路」和「電路系統」可包括單個或多個部件，可為有源的和/或無源的，並且經連接或以其他方式耦接在一起(例如，作為一個或多個集成電路晶片)以提供所述的功能。另外，術語「信號」可指一個或多個電流、一個或多個電壓、或數據信號。在說明書附圖中，類似的或相關的元件會有類似的或相關的字母、數字或字母數字混合標誌符。此外，雖然已經討論使用離散電子電路系統(優選地以一個或多個集成電路晶片的形式)的情況下實施本發明，惟取決於欲處理的信號頻率或數據率，可另外地使用一個或多個經適當編程的處理器實施此類電路系統的任一部分的功能。此外，就圖標描述不同實施方案的功能框圖的方面而言，此類功能框不一定表示硬體電路系統之間的分割。
如下文所更詳細論述的，根據所主張的本發明的示例性實施方案，DUT從基準(例如以上論述的測試器)所接收的基準數據包是用於建立由DUT所傳輸的兩個MIMO數據包信號之間的初始相位差。此初始相位差被應用(例如通過附加對應的相移至此類信號中的一者)，並且MIMO信號導引矩陣經計算以用於傳輸數據包。所得的具有此經附加相位差的經波束成形傳輸數據包信號由基準所接收，該基準測量和記錄所得的經接收信號的功率，包括由於使用MIMO信號而來的多路徑效應。DUT持續傳輸進一步的數據包信號，並應用(例如根據預定序列增量或減量)進一步的相位差。該基準接收這些具有此系列相位差的數據包，並且測量和記錄由於多路徑效應的所接收信號功率。這持續至該經應用相位差到達預定的上限值(例如360度或對於零至2π弧度的總相位差範圍來說為2π弧度)為止。所得的經測量和記錄的功率測量可用於識別產生最高所接收信號功率的相位差。產生此最高經測量的所接收信號功率的對應相位差將相關於(例如相等於)DUT的最佳相位校準值。
此種識別峰值功率電平以接著進一步識別其對應相位差的技術，在線性域中測量功率(例如瓦特)時較可能為優選的。替代地，在對數域中測量功率(例如分貝)時，兩個最小功率電平可經識別以接著進一步識別其對應相位差，其中位於其間中點處的相位差是對應於相關於(例如相等於)DUT的最佳相位校準值的相位偏移。
對DUT中的各個信號路徑或信道判定這些最佳相位校準值，再接著使用這些最佳相位校準值作為信號路徑中的各別靜態基底相位偏移。之後，在DUT正常操作期間，任何用於執行波束成形的進一步的信號相位調整均在這些靜態基底相位偏移之外(或另外)再行應用。
因此，DUT產生具有橫越預定範圍(例如0至2π弧度)的相互相位差，以使所產生的所接收數據包信號的功率電平具有與此類相位差相關的變動量值且具有峰值功率量值。在所意圖橫越的相位差信號的所接收信號功率未產生差異的那些情況中，可得出DUT所執行的隱式波束成形不良的結論。替代地，在DUT信號路徑間的相互相位差為已知或已指定的那些情況中，此類經測量的信號功率(具體為經測量的峰值信號功率)可用於確認此已知或已指定的相位差是精確或不精確。進一步言，在最佳相位校準值已經判定、並已用於在信號路徑內建立對應的靜態基底相位偏移之後，該DUT的波束成形性能可經測試，以確認在測試環境中不需要附加的相位偏移來達到最佳性能。
下列論述是在2×2MIMO DUT的情況下。然而，如所屬技術領域中的普通技術人員將易於了解的是，下列測試方法和技術可被應用於N×N MIMO裝置。例如，以3×3MIMO裝置來說，信號路徑1和2可一起視為一個2×2MIMO裝置，接著將信號路徑2和3一起視為另一個2×2MIMO裝置。更廣泛而言，以N×N MIMO裝置來說，N-1對的信號路徑可一起視為各別的2×2MIMO裝置，以測試並測量該N×N MIMO裝置所有組合的隱式波束成形的性能。
參照圖1，根據示例性實施方案，測試環境10包括(其間有其他未顯示的裝置和子系統)DUT 12、基準(例如以上論述的測試器)14、以及信號路由器16(諸如信號分離器和信號合併器，如所屬技術領域中所熟知)。信號分離器/合併器16合併來自DUT 12經由多信號路徑17a,17b所傳遞的DUT信號13，使其成為經由單一信號路徑17c傳遞的單一信號用於基準14接收。在另一方向中，由基準14所提供的信號15經分離以提供多個信號用於經由多信號路徑17a,17b傳遞至DUT12。在測試環境10中的這些信號路徑17a,17b,17c一般是傳導信號路徑(例如同軸RF纜線和連接器)，如所屬技術領域中所熟知。
在DUT 12中，兩個信號路徑(或「鏈(chain)」)18a和18b包括DUT 12中的各種電子裝置、子系統和傳導信號路徑，用於產生(例如生成、放大、頻率轉換、濾頻等等)並傳遞由DUT 12所提供的RF信號用於基準14接收。(如上所提，N×N DUT將具有N個信號路徑18a、18b、……、18n。)如下方所更詳細論述，並且還如所屬技術領域中的普通技術人員將易於了解的是，這些信號路徑18a,18b所具有的信號路徑相位長度，是由在各種集成電路(IC)中以及在各種輸入/輸出(I/O)電極與外部信號連接器17aa,17ab間的電路裝置和信號導體所決定的，此類外部信號連接器17aa,17ab用於在DUT 12正常操作期間在測試環境10外部往返於天線(未顯示)而傳遞信號。
如上所述，這些信號路徑相位長度的差異可導致這兩個信號路徑18a,18b間的非零相位差。通過應用波束成形，DUT 12所發射的信號間的相位差可經應用，以確保最佳相長多路徑信號幹擾在基準14的接收天線處出現。
應了解，功率合併器16的使用幾乎確保了可實際上忽略可歸因於測試器14內TX和RX信號路徑的信號相位差，因為傳入(至測試器)的信號在經由信號路徑17c進入測試器14前已經被合併。
參照圖2，如上所述的經應用相移(或相位差)通過基準14發送出基準數據包22所起始。DUT 12測量所接收的通道特性24(例如通過測量經由兩個信號路徑18a,18b所接收到的兩個信號間的相位差)。從初始附加的相位差(例如為0度/弧度)26開始，此相位差經確認28以視其是否小於2π弧度。如果為是，DUT 12則基於固有相位偏移θ計算出信號導引矩陣32(其包括兩個信號路徑18a,18b的經接收信號路徑部分的效應)，例如，如下：
R＝H1*T1+H2*T2
(其中R＝在基準天線處所接收的信號，TN＝經由DUT輸出N所傳輸的信號，並且HN＝相對應於DUT輸出N和基準天線間的信號路徑的信號導引矩陣係數)
使用此導引矩陣，DUT 12接著傳輸經應用有波束成形的數據包34。基準14接收此數據包36，並且測量並記錄傳入(或所接收)信號的功率。經應用相位差θ接著被增量或減量38，之後，經應用相位差θ再次經確認28以視其是否超過該上限(例如2π弧度)。如果已超過此最大值，作業即經停止30。相反的情況下，作業繼續32,34,36,38，包括重新計算信號導引矩陣32以反映經修正的(例如經增量或經減量的)所應用相位偏移θ。
在2×2DUT的情況中，如上所述針對RF信號路徑18a,18b(圖1)的單一對附加且改變相位偏移θ。在N×N DUT的情況中，優選地針對多個RF信號路徑18a、18b、…、18n(全部均啟用MIMO操作)的各別對附加且改變多個相位偏移θ1、θ2、θ3、…，且可針對RF信號路徑的各種組合進行。例如，在3×3DUT的情況中，可針對三個RF信號路徑的各別對(18a和18b)、(18a和18c)、(18b和18c)附加且改變相位偏移θ1、θ2、θ3。此外，可以循環比對(round robin)方式逐包地附加且改變相位偏移θ1、θ2、θ3，例如，如下：
包1：TXa＝a,TXb＝b,TXc＝c
包2：TXa＝a,TXb＝b+θ2,TXc＝c
包3：TXa＝a,TXb＝b,TXc＝c+θ3
包4：TXa＝a,TXb＝b+θ2,TXc＝c+θ3
依此類推，其中TXm＝m是表示DUT傳輸信號m是經附加零相位偏移而經由RF信號路徑m所傳遞的，而TXm＝m+θm是表示DUT傳輸信號m是經附加θm相位偏移而經由RF信號路徑m所傳遞的。
參照圖3，根據示例性實施方案，基準14傳輸一系列基準數據包15a、15b、…、15m、15n。響應於這些基準數據包15中的每一者，DUT12傳輸響應性(例如應答ACK)數據包13a、13b、...、13m、13n。這些相繼數據包13中的每一者具有用於在經由天線連接17aa,17ab傳輸的兩個信號之間的相異的預定經增量(或經減量)相位差(例如360度或2π弧度的一小部分)。
參照圖4，根據替代的示例性實施方案，此用於測試的隱式波束成形操作可由單一基準數據包15a起始。響應於此數據包15a，DUT傳輸相繼的經預編程的數據包13a、13b、13c、...、13n，此類數據包13a、13b、13c、...、13n具有應用在被傳輸的兩個數據包信號之間的相繼地經增量(或經減量)相位差。
參照圖5，根據替代的示例性實施方案，個別數據包13a可包括具有多個區段(segment)111且其後有多個符號113的混合模式數據包結構。如上所述，各別符號113a、113b、…、113n可包括相繼地經增量(或經減量)的經附加信號相位。
參照圖6，如上所論述，可通過其賦予各種信號相移的信號路徑18(圖1)包括多個元件或部件，該元件或部件中的每個可影響相移。例如，在各信號路徑18中，電路組件50包括一個或多個集成電路52，如所示，集成電路52具有由傳導信號路徑58,60所互連的TX電路系統54(例如基頻和RF轉換/放大器電路系統，該電路系統中的任一個或全部可包括可變信號增益和/或相位55)、RX電路系統56(例如基頻和RF信號轉換/放大器電路系統，該電路系統中的任一個或全部可包括可變信號增益和/或相位57)、以及一個或多個I/O電路系統62(例如一個或多個信號電極)。信號路由電路或裝置(例如開關、合併器、分離器、雙工器(diplexor)、以及隔離電路)也可被納入作為TX電路系統54、RX電路系統56、或I/O電路系統62中的一者或多者的一部分。進一步信號連接64提供於一個或多個I/O終端62和天線終端66之間，天線70在DUT 12的正常操作期間在測試環境10外部連接至天線終端66。如所屬領域技術人員將易於理解的是，對信號(該信號經由TX信號路徑54,58,62提供且通過RX信號路徑62,60,56接收)所賦予的累加相移將會隨裝置的不同而改變。因此，根據以上論述判定一個或多個合適的經控制相位偏移55,57可在任何給定的信號路徑18中提供相移，使得在DUT 12內相關的TX和RX信號路徑間可維持最小(理想上為零)相位差。
參照圖7，針對單一頻率的固定相位信號的相長和相消多路徑信號效應的簡單示例如所示發生。例如，在信號以零信號相位差抵達的情況中，諸如信號A與B，所得信號C在接收點處(例如接收天線)具有最大信號量值。相反地，如果這些信號以相反信號相位抵達，諸如信號A與D，則發生相消信號幹擾，因此產生經縮減的信號量值E。
參照圖8，當功率(垂直軸)描繪於對數標度上時，經波束成形信號在0至360度(0至2π弧度)的所應用相位偏移(水平軸)範圍內的示例性功率與增益變化可預期如所示。如果功率變化描繪於線性標度上，則其會呈現為正弦波的形式。
本發明的結構和操作方法的各種其他修改和替代例在不背離本發明的實質和範圍的情況下，對所屬領域技術人員而言是顯而易見的。儘管已通過特定優選實施方案說明本發明，應理解所主張的本發明不應過度地受限於這些特定實施方案。我們意欲以下列權利要求書限定本發明的範圍且意欲從而涵蓋這些權利要求書的範圍內的結構與方法以及其均等者。