CN107026695A - 测试校准包括数字接口的多入多出天线阵列的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种测试系统，其包括：测试腔室，其包括：空间间隔探针天线的阵列；以及定位器，其配置为支撑具有数字天线元件的阵列的待测试设备(DUT)；射频(RF)信号发生器和分析器，其配置为将RF测试信号发送到/接收自空间间隔探针天线；以及RF切换器组件，其配置为有选择地将RF信号发生器和分析器耦合到测试腔室内的空间间隔探针天线的阵列。一种数字测试仪器，其包括：至少一个数字信号发生器和分析器，其配置为在发射机测试模式下生成去往DUT的数字天线元件的数字测试信号，并且在接收机测试模式下分析来自DUT的数字天线元件的接收到的数字测试信号，所述可编程硬件设备，其配置为实现用于所生成的接收到的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议，以及数字光纤接口，其配置为将可编程硬件设备耦合到DUT的数字天线元件的阵列，并且收发去往/来自DUT的数字天线元件的阵列的数字测试信号。同步模块配置为对RF信号发生器和分析器以及数字测试仪器进行同步。测试控制器配置为在DUT的测试期间控制定位器、RF信号发生器和分析器、RF切换器组件、数字测试仪器的操作。

Description

测试校准包括数字接口的多入多出天线阵列的系统和方法
背景技术
通常，RF通信系统，类似于其它电子设备，需要测试，并且在一些情况下，需要校准。在支持多发送(Tx)和接收(Rx)信道的RF通信系统或设备的情况下，测试和校准可能提出挑战。
一些传统方法使用单信道测量仪器依次逐一单独地测试并且校准多信道RF通信设备的每个信道。然而，这些方法具有一些缺点。首先，使用RF连接器将单信道测量仪器重复连接并且断连于多信道RF通信待测试设备(DUT)将影响测试精度和可重复性。其次，随着发送和/或接收信道的数目增加，执行测试和校准所需的时间也增加。具体地说，在现在正发展的大规模多入多出(MIMO)通信系统的情况下，信道数目非常大(在很多情况下，大于64)，因此，逐一测试这些信道中的每一个是非常耗时的，而且实际上，随着信道的数目增加，所需的时间可能令人望而却步。
一些其它方法使用多个测试仪器或多信道测试仪器并行地测试信道。然而，该方法的不利之处在于，当信道的数目非常大时，测试仪器或多信道测试仪器变得昂贵并且甚至是不切实际的。
天线阵列测试和校准方法广泛用在航空国防产业以及还有无线通信产业中。典型方法大部分利用矢量网络分析器并且要求DUT具有用于测试的RF连接器。随着无线通信技术的发展，远程无线电单元(RRU)和基带处理单元(BBU)更一般地与数字光纤接口(例如普通公共无线电接口(CPRI))连接。CPRI是无线电基站的内部接口，其将无线电基站的无线电装备部分链接到基站的无线电装备控制部分。例如，CPRI描述于CPRI规范版本5.0或6.0中。也可以使用其它数字接口。
通过这些数字光纤接口，先前的天线阵列测试和校准方法不再是可应用的。需要用于数字天线阵列的新的测试和校准方法。随着无线通信技术朝向使用5G前进，大规模MIMO技术正待使用。数字大规模MIMO天线阵列针对宽带调制信号带来不仅来自测试部分而且还有总体测试方法可度量性、测试速度、测试校准等的测试和测量挑战。
因此，现有测试方法无法为未来大规模MIMO系统提供合适的具有快速测试速度和低成本的测试系统和方法。将期望提供更方便(例如更快的测试速度和更低的成本)并且更可靠的方法和系统以测试并且校准多信道RF通信系统或设备的性能。
发明内容
本发明实施例可以提供用于在对数字光纤接口的支持和/或对自定义私有数字光纤接口协议的支持的情况下进行测试和校准的能力、用于快速、精确并且成本有效地测试并且校准单独天线元件和波束的能力、用于同时测试并且校准多波束的能力，支持用于宽带调制信号的测试和校准，在减少的腔室大小的情况下的近场测试，并且关于信道的和频率覆盖的成本和数目可以是可度量的。
根据代表性实施例，一种测试系统，其包括：测试腔室，其包括：空间间隔探针天线的阵列；以及定位器，其配置为支撑具有数字天线元件的阵列的待测试设备(DUT)；射频(RF)信号发生器和分析器，其配置为将RF测试信号发送到/接收自空间间隔探针天线；以及RF切换器组件，其配置为有选择地将RF信号发生器和分析器耦合到测试腔室内的空间间隔探针天线的阵列。一种数字测试仪器，其包括：至少一个数字信号发生器和分析器，其配置为在发射机测试模式下生成去往DUT的数字天线元件的数字测试信号，并且在接收机测试模式下分析来自DUT的数字天线元件的接收到的数字测试信号，所述可编程硬件设备，其配置为实现用于所生成的接收到的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议，以及数字光纤接口，其配置为将可编程硬件设备耦合到DUT的数字天线元件的阵列，并且收发去往/来自DUT的数字天线元件的阵列的数字测试信号。同步模块配置为对RF信号发生器和分析器以及数字测试仪器进行同步。测试控制器配置为在DUT的测试期间控制定位器、RF信号发生器和分析器、RF切换器组件、数字测试仪器的操作。
在特定实施例中，测试腔室的内表面受辐射吸收材料(RAM)覆盖，以在其中限定具有空间间隔探针天线的阵列和定位器的RF无回响测试腔室。
在特定实施例中，，定位器可在测试腔室内旋转；并且测试控制器配置为在DUT的测试期间控制定位器的旋转。
在特定实施例中，所述可编程硬件设备包括：分路器/组合器，其耦合到所述至少一个数字信号发生器和分析器；时间延迟模块，其配置为对于从所述至少一个数字信号发生器和分析器向DUT的每一个数字天线元件正生成的测试信号，实现不同的时间延迟；以及协议模块，其用于实现用于所生成的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议。
在特定实施例中，RF信号发生器和分析器配置为：在发射机测试模式期间捕获DUT的数字天线元件所发送的并且经由空间间隔探针天线的阵列和RF切换器组件接收到的数字测试信号。
在特定实施例中，RF信号发生器和分析器配置为：在接收机测试模式期间经由空间间隔探针天线的阵列和RF切换器组件将RF测试信号发送到DUT的数字天线元件，以生成待由数字测试仪器的所述至少一个数字信号发生器和分析器分析的接收到的数字测试信号。
在特定实施例中，所述数字测试仪器、所述RF信号发生器和分析器、所述测试控制器协作以测量对于处于不同方位的DUT的每个数字天线元件的宽带信道冲击响应，以形成3D天线图案。
在特定实施例中，数字测试仪器、RF信号发生器和分析器、测试控制器进一步协作，以基于对于在不同定向处的DUT的每个数字天线元件的所测量的宽带信道冲击推导校准系数。
在特定实施例中，数字测试仪器、RF信号发生器和分析器、测试控制器协作，以执行发射机测试模式和接收机测试模式，以连同绝对相位信息一起获得用于近场中的宽带信道冲击响应的结果以及据此的其它远场结果。
在特定实施例中，所述可编程硬件设备包括：分路器/组合器，其耦合到所述至少一个数字信号发生器和分析器；校准模块，其配置为在波束测试模式下实现用于DUT的每一个数字天线元件的校准系数；波束加权模块，其配置为在波束测试模式下在期望的方向上将波束加权应用于DUT的每一个数字天线元件以指引波束；以及协议模块，其用于实现用于所生成的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议。
在特定实施例中，定位器可在测试腔室内的方位角平面和俯仰平面中旋转，并且测试控制器配置为在波束测试模式期间控制定位器的旋转。
在特定实施例中，所述可编程硬件设备还包括时间延迟模块，其配置为在多波束测试模式下实现用于各个波束的不同时间延迟。
在特定实施例中，数字测试仪器的数字光纤接口配置为使用普通公共无线电接口(CPRI)规范操作。
另一代表性实施例针对一种测试具有数字天线元件的阵列的待测试设备(DUT)的方法。所述方法包括：将DUT定位在包括空间间隔探针天线的阵列的测试腔室中的定位器上；使用射频(RF)信号发生器和分析器将RF测试信号发送到/接收自空间间隔探针天线；通过RF切换器组件有选择地将RF信号发生器和分析器耦合到空间间隔探针天线；以及使用数字测试仪器测量对DUT的每个数字天线元件的宽带信道冲击响应。数字测试仪器包括：至少一个数字信号发生器和分析器，其在发射机测试模式下生成去往DUT的数字天线元件的数字测试信号，并且在接收机测试模式下分析来自DUT的数字天线元件的接收到的数字测试信号，所述可编程硬件设备，其实现用于所生成的接收到的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议，以及数字光纤接口，其将可编程硬件设备耦合到DUT的数字天线元件的阵列，并且收发去往/来自DUT的数字天线元件的阵列的数字测试信号。所述方法还包括：使用同步模块对RF信号发生器和分析器与数字测试仪器进行同步；以及使用测试控制器在DUT的测试期间控制定位器、RF信号发生器和分析器、RF切换器组件、数字测试仪器的操作。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下具体实施方式最佳地理解示例实施例。要强调的是，各个特征并非一定按比例绘制。实际上，为了讨论的清楚性，尺寸可以任意增加或减少。只要是可应用的并且实际的，相同标号就指代相同特征。
图1是示出根据代表性实施例的特征的测试系统的示意性框图。
图2是示出根据代表性实施例的特征的测试系统的示意性框图。
图3是示出根据代表性实施例的特征的测试系统的数字测试仪器的示意性框图。
图4是示出根据代表性实施例的特征的测试系统的数字测试仪器的示意性框图。
图5是示出根据代表性实施例的特征的各个方法步骤的流程图。
图6是示出用于测试多信道RF系统或待测试设备(DUT)的系统架构的示例实施例的示意性框图。
图7是图6的测试系统的信号处理示图。
图8是示出用于测试多信道RF系统或DUT的系统架构的另一示例实施例的示意性框图。
图9是示出用于发射机或DUT的空中(OTA)测试的系统架构的另一示例实施例的示意性框图。
图10是示出用于接收机或DUT的空中(OTA)测试的系统架构的另一示例实施例的示意性框图。
图11是测试多信道RF系统或DUT的方法的示例实施例的流程图。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，为了解释而非限制，阐述公开具体细节的示例实施例以提供根据本教导的实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员应理解，脱离在此所公开的具体细节的根据本教导的其它实施例仍然在所附权利要求的范围内。此外，可以省略公知装置和方法的描述，从而不使得示例性实施例的描述模糊。这些方法和装置显然在本教导的范围内。
在此所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非意图限制。所定义的术语加入到本教导的技术领域中公知并且接受的所定义的术语的技术和科学含义。
如说明书和所附权利要求中使用的那样，术语“一个”、“某个”以及“这个”包括单数和复数指代，除非上下文另外清楚地指明。因此，例如，“设备”包括一个设备或多个设备。
相对性术语可以用于描述各个要素对于彼此的关系，如附图所示。除了附图中所描述的方位之外，这些相对术语意图还涵盖设备和/或要素的不同方位。
应理解，当要素称为“连接到”或“耦合到”另一要素时，其可以是直接连接或耦合的，或中间要素可以出现。
“计算机存储器”或“存储器”是计算机可读存储介质的示例。计算机存储器是可对处理器直接存取的任何存储器。计算机存储器的示例包括但不限于RAM存储器、寄存器和寄存器文件。对“计算机存储器”或“存储器”的引用应解释为可能是多个存储器。存储器可以例如是同一计算机系统内的多个存储器。存储器也可以是分布在多个计算机系统或计算设备之间的多个存储器。
在此所使用的“处理器”涵盖能够执行程序或机器可执行指令的电子组件。对包括“处理器”的计算设备的引用应解释为可能包含多于一个的处理器或处理内核。处理器可以例如是多内核处理器。处理器也可以指代单个计算机系统内或分布在多个计算机系统之间的处理器的集合。术语计算设备也应解释为可以指代均包括一个或多个处理器的计算设备的集合或网络。很多程序使得它们的指令由可以处于同一计算设备内或可以甚至分布得遍及多个计算设备的多个处理器执行。
在此所使用的“硬件接口”涵盖使得计算机系统的处理器能够与外部计算设备和/或装置进行交互和/或对其进行控制的接口。硬件接口可以允许处理器将信号或指令发送到外部计算设备和/或装置。硬件接口也可以使得处理器能够与外部计算设备和/或装置交换数据。硬件接口的示例包括但不限于通用串行总线、IEEE 1394端口、并行端口、IEEE 1284端口、串行端口、RS-232端口、IEEE-488端口、蓝牙连接、无线局域网连接、TCP/IP连接、以太网连接、控制电压接口、MIDI接口、模拟输入接口、数字输入接口。
初始地，指出很多无线通信技术现在包括数字光纤接口(例如普通公共无线电接口(CPRI))。数字大规模MIMO天线阵列针对宽带调制信号带来不仅来自测试部分而且还有总体测试方法可度量性、测试速度、测试校准等的测试和测量挑战。以下所描述的实施例提供更方便(例如更快的测试速度和更低的成本)并且更可靠的方法和系统以测试并且校准包括数字光纤接口的多信道RF通信系统或设备的性能。
初始地参照图1，将描述根据本发明的特征的测试系统100的代表性实施例。图1是示出用于测试并且校准包括数字光纤接口的无线通信设备(例如基站)的测试系统100的示意性框图。在无线电通信中，基站是作为无线电话系统(例如蜂窝5G)的部分的例如安装在固定位置处并且用于通信的无线通信站。数字大规模MIMO包括使用配备有同时服务于多个用户的非常大数目的天线的传输点。例如，通过大规模MIMO，可以在同一时间-频率资源上发送用于若干终端的多个消息，在使得干扰最小化的同时使得波束成形增益最大化。
普通公共无线电接口(CPRI)标准定义标准中的各无线电装备控制器(REC)之间的基站对于称为无线电装备(RE)的本地或远程无线电单元的数字接口。CPRI允许使用分布式架构，其中，包含REC的基站经由承载CPRI数据的光学光纤连接到远程无线电头端(RRH或RE)。因为仅远程无线电头端需要位于环境上有挑战的位置中，所以该架构可以对于服务提供商减少成本。基站可以居中地位于有较少挑战的位置中，其中，占地、气候和功率的可用性更容易受管理。在典型网络中，若干远程无线电头端将经由CPRI链路连接到同一基站。
在图1中，根据实施例的测试系统100包括测试腔室102，其包括：空间间隔探针天线104的阵列103；以及定位器106，其配置为支撑具有数字天线元件的阵列(未示出)的待测试设备(DUT)108。在特定实施例中，本领域技术人员应理解，测试腔室102的内表面受辐射吸收材料(RAM)覆盖，以在其中限定具有空间间隔探针天线104的阵列103和定位106的RF无回响测试腔室。探针天线104优选地是双极天线，其通过垂直和/或水平偏振操作。定位器106可在一个或多个平面中在测试腔室102内旋转，如以下进一步详细描述的那样。
射频(RF)信号发生器和分析器110配置为将RF测试信号发送到/接收自空间间隔探针天线104，RF切换器组件112配置为有选择地将RF信号发生器和分析器110耦合到测试腔室102内的空间间隔探针天线104的阵列103。例如，RF切换器组件112经由RF缆线113连接到空间间隔探针天线104的阵列103。图1中的RF切换器组件112包括多个端口，并且连同RF信号发生器和分析器110一起可以由该受让人Keysight Technologies公司提供。
测试系统100包括数字测试仪器114、同步模块116、测试控制器118。数字测试仪器114例如可以是具有多个高速光纤光学接口的模块式卡、大可编程或可自定义集成电路(IC)(例如现场可编程门阵列(FPGA))、多个高速数据链路、用于数据存储的关联存储器等。替代地，例如，数字测试仪器114可以是具有多个高速光纤光学接口的自定义PC、具有可以根据期望的测试改变的功能的特定软件等。
数字测试仪器114包括一个或多个数字信号发生器和分析器120，其配置为在发射机测试模式下生成去往DUT 108的数字天线元件的数字测试信号，并且在接收机测试模式下分析来自DUT 108的数字天线元件的接收到的数字测试信号。可编程硬件设备122配置为实现用于所生成的接收到的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议，数字光纤接口124配置为将可编程硬件设备122耦合到DUT 108的数字天线元件的阵列并且收发去往/来自DUT108的数字天线元件的阵列的数字测试信号。如所述那样，数字光纤接口124可以通过数字光纤连接125将可编程硬件设备122耦合到DUT 108的数字天线元件的阵列。
同步模块116配置为对RF信号发生器和分析器110以及数字测试仪器114进行同步。例如，同步模块116可以包括：触发信号发生器；以及时钟信号，其用于对数字测试仪器114和RF信号发生器和分析器110进行同步。
测试控制器118配置为在DUT 108的测试期间控制定位器106、RF信号发生器和分析器110、RF切换器组件112、数字测试仪器114的操作，并且可以经由通信总线和/或硬件接口耦合到这些组件。测试控制器118可以是例如包括具有关联存储器的CPU或处理器的计算机，其运行测试控制软件，并且还控制用于控制定位器106、RF切换器组件112、RF信号发生器和分析器110、数字测试仪器114等的各个外设。用于输入命令的用户接口、用于将有关信息显示给用户的显示设备也可以与测试控制器118关联。
在此所使用的“用户接口”是允许用户或操作者与计算机或计算机系统进行交互的接口。用户接口可以将信息或数据提供给操作者和/或从操作者接收信息或数据。用户接口可以使得来自操作者的输入能够由计算机接收，并且可以将输出从计算机提供给用户。换言之，用户接口可以允许操作者控制或操控计算机，接口可以允许计算机指示操作者的控制或操控的效果。将数据或信息显示在显示器或图形用户接口上是将信息提供给操作者的示例。通过触摸屏、键盘、鼠标，轨迹球、触摸板、指点杆、图形平板、操纵杆、游戏板、网络相机、耳机、装备杆、方向盘、有线手套、无线遥控、加速计接收数据都是使得能够从操作者接收信息或数据的用户接口组件。
在此所使用的“显示器”或“显示设备”涵盖适用于显示图像或数据的输出设备或用户接口。显示器可以输出视觉、音频和或触感数据。显示器的示例包括但不限于计算机监视器、电视屏幕、触摸屏幕、触感电子显示器、盲文屏幕、阴极射线管(CRT)、存储管、双稳态显示器、电子纸、矢量显示器、平坦面板显示器、真空荧光显示器(VF)、发光二极管(LED)显示器、电致发光显示器(ELD)、等离子体显示器面板(PDP)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管显示器(OLED)、投影仪、头戴式显示器。
可以取决于测试系统100是用于单独天线元件测试和校准还是用于波束校准不同地配置并且自定义测试系统100校准设置。为了支持自定义的数字光纤协议，所述可编程硬件设备122可以加载有不同的协议实现方式。例如，所述可编程硬件设备122对于自定义是开放的，从而用户可以在机构中或经由卖家加载他们自己的私有协议。通过该方法，可以在不损及用户的设计秘密的情况下支持他们的私有协议，并且可以通过同一方法执行测试。
现附加参照图2所示的测试系统100'描述用于DUT 108的单独数字天线元件的测试配置。通过该配置，可以测量用于DUT 108的每个天线元件和RF链的宽带信道冲击。通过针对不同定向测量宽带信道冲击响应，可以测量用于所有天线元件的3D天线图案。针对不同定向使用所测量的对每个天线元件的宽带信道冲击响应，可以推导对应校准系数，以精确地朝向给定方向对信号进行波束化。
可以对于发射机天线元件和接收机天线元件二者进行同一测试。如图2所示，对于发射机天线阵列测试，可以仅存在单个数字信号发生器和分析器120，以生成数字信号，其受处理并且发布到DUT 108的天线元件，以激励天线元件，并且单信道RF信号发生器和分析器110用于通过RF切换器112捕获来自不同探针天线104的RF信号。
对于接收机天线阵列测试，RF信号发生器和分析器110经由连接到RF切换器110的探针天线104发送测试波形并且辐射该波形。从DUT 108的不同天线元件接收到的数字信号将采取可编程硬件122中的配置受处理并且组合，并且然后由数字信号发生器和分析器120接收，以用于进一步分析。本领域技术人员应理解，通过分析所测量的天线元件数据，可以推导用于每个天线分支的校准系数。
如图2所示，数字测试仪器114的可编程硬件设备122包括分路器/组合器130，以将信号路由进入/离开一个或多个数字信号发生器和分析器120。在特定实施例中，所述可编程硬件设备122还包括时间延迟模块132，其配置为在天线元件发射机和接收机测试模式下对于每个数字端口实现不同时间延迟Ti。换言之，时间延迟模块132配置为对于从数字信号发生器和分析器120向DUT 108的每一个数字天线元件生成的数字测试信号，实现不同时间延迟。自定义协议模块134对可编程硬件设备122与数字光纤接口124进行接口。
因此，作为可编程硬件设备122的部分的自定义协议模块134实现用于所生成的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议。自定义协议模块134可以允许DUT测试者将他们的自定义协议安装到数字测试仪器114中，以执行测试，而不将私有信息披露给其它部分，并且还有助于进行可适用于来自不同DUT卖家和测试者的不同自定义协议的测试方法。通过应用于发送到DUT 108的不同天线元件的测试信号的测试信号和延迟，单信道RF仪器(例如RF信号发生器和分析器110)可以用于完成单次捕获并且一次测量所有天线元件。
在特定实施例中，RF信号发生器和分析器110配置为在发射机测试模式期间捕获DUT 108的数字天线元件所发送的并且经由空间间隔探针天线104的阵列103和RF切换器组件112接收到的数字测试信号。
在特定实施例中，RF信号发生器和分析器110配置为在接收机测试模式期间经由空间间隔探针天线104的阵列103和RF切换器组件112将RF测试信号发送到DUT 108的数字天线元件，以生成待由数字测试仪器114的至少一个数字信号发生器和分析器120分析的接收到的数字测试信号。
可以对于每个波束在可编程硬件122中未来实现校准系数，以再次在腔室102内部完成波束测试和校准。除了不同地配置可编程硬件122'之外，测试配置可以与图2相同。图3示出可编程硬件122'的配置。
在该实施例中，所述可编程硬件设备122包括分路器/组合器130，其耦合到数字信号发生器和分析器120。校准模块136配置为在波束测试模式下实现用于DUT 108的数字天线元件中的每一个的校准系数，波束加权模块138配置为在波束测试模式下在期望的方向上将波束加权应用于DUT 108的数字天线元件中的每一个以指引波束。此外，协议模块134实现用于所生成的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议。
因此，在近场中执行空中(OTA)测试，以减少对无回响腔室102大小的要求。基于近场测试结果，可以进一步推导远场结果。为了根据近场结果推导远场结果，可以使用绝对相位信息。通过测量系统的发射机侧和接收机侧的同步实现该操作。近场测量可以极大地减少对腔室的要求，并且于是显著减少总测试系统成本。通过精确校准和近场到远场转换，可以在近场测试设置中实现的性能可相当于可以在DUT 108的真实场测试中实现的性能。
为了加速测量，如上所述，无回响腔室102使用天线探针104的阵列103或环以及RF切换器112，以进行快速测量，从而得到用于一个2D切割的天线数据。定位106上的DUT 108在方位角平面中旋转。通过使用探针阵列103和定位106，可以相对快速地确定3D近场天线测量结果。通过使用同一申请人早先提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR TEST AND/ORCALIBRATION OF MULTI-CHANNEL RF COMMUNICATION DEVICES”的中国专利申请(Keysight发明公开20150033；律师签号No.0121；其各部分包括于此)中所公开的测试方法，用于所有天线元件的天线测量数据可以是在单次数据捕获的情况下的测量。测试系统100可以因此实现快速3D天线测量和校准。
对于波束测量校准，将在可编程硬件122'中实现校准系数。波束加权也将应用在可编程硬件122'中，以朝向给定的方向对信号进行波束化。然后将再次在腔室102内部测量波束。为了改进测量分辨率，定位器106将不仅在目标波束方位角方向周围通过非常精细的分辨率在方位角平面中旋转，而且还将通过非常精细的分辨率在俯仰平面中旋转。通过这种测量，可以确定用于波束图案的精确3D近场测量结果。基于3D近场测量结果，可以基于近场到远场转换推导3D远场测量结果。对于当主波束是感兴趣的时的情况，可以对于包含主波束数据的空间针对方位角和俯仰二者通过非常精细的分辨率仅捕获用于主波束的近场数据。这样可以显著减少总测量时间。
相似的方法可以用于同时进行多波束测量。为了同时测量波束，不同延迟应用于同一数据流。这些受延迟的数据流然后用于形成受延迟的波束。通过使用在此所讨论的同一测试方法，可以通过单次捕获确定用于针对同一位置的不同波束的测量结果，这样显著加速测量。
除了如图4所示不同地配置可编程硬件122”之外，用于多波束测试和校准的可编程硬件122”的测试配置与图2所示的测试配置相同。在此，分路器/组合器130将信号路由进入/离开一个或多个数字信号发生器和分析器120，时间延迟模块132配置为在天线元件发射机和接收机测试模式下对于每个数字端口实现不同时间延迟Ti。自定义协议模块134对可编程硬件设备122与数字光纤接口124进行接口。
用于波束i的校准和波束加权硬件功能140与关于校准模块136和波束加权模块138的图3所示的功能相同。对于不同的波束，波束加权和校准系数将是不同的。
如果对于所有方向需要3D精确远场测量结果，则通过以非常精细的分辨率在方位角和俯仰平面中旋转定位器106并且还使用多探针天线104，可以获取精确的3D近场测试结果。如果主波束是感兴趣的，则基于每个波束的波束加权，可以大致估计这些波束在方位角平面上的方向。通过控制定位器106并且还使用探针天线104，可以确定用于每个波束的主波束的近场数据，这样可以显著减少测量时间。
多波束近场测量数据然后再次转换为远场。该波束方向和波束增益相当于期望的波束方向和增益。差值用于推导波束校准系数，并且进一步下载到可编程硬件122中。可以使用与图4所示的相同但对于每个波束具有更新后的校准系数的配置再次运行多波束测试，以检查校准是否可以实现期望的结果。
可以对于发射机模式和接收机模式二者进行多波束测试和校准。对于发射机天线阵列测试，在测试配置中可以存在单个数字信号发生器和分析器120以及RF信号发生器和分析器112，而对于接收天线阵列测试，将存在与单个波束测试配置确切相同的数字信号发生器和分析器120以及RF信号发生器和分析器112。
在测试和校准中，使用专用测试信号。在真实系统中，使用真实信号。可能需要通过真实信号验证测试和校准结果。当在完成用于天线阵列的测试和校准之后使用真实多波束信号时，图1中的多个数字信号发生器和分析器120也可以用于验证多波束波束成形结果。可编程硬件122将使用图4所示的并且具有正确校准系数并且还有波束加权的配置。基于测试需要，可以延迟或不延迟用于每个波束的信号流。RF信号发生器和分析器112可以捕获用于每个波束的信号，以使用以上对于多波束测试和校准所述及的测试处理验证用于每个波束的波束成形结果。相似地，可以应用用于接收天线阵列的真实信号的波束成形结果的验证。多个数字信号发生器和分析器120可以用于直接捕获多个波束信号。
图5是示出根据代表性实施例的特征的各个方法步骤的流程图。方法500针对具有数字天线元件的阵列的待测试设备(DUT)108。所述方法包括，在块502，将DUT 108定位在包括空间间隔探针天线104的阵列103的测试腔室102中的定位器106上。在块504，所述方法包括：使用射频(RF)信号发生器和分析器110将RF测试信号发送到/接收自空间间隔探针天线104，然后在块506，通过RF切换器组件112有选择地将RF信号发生器和分析器110耦合到空间间隔探针天线104的阵列103。所述方法还包括：在块508，使用数字测试仪器114测量对DUT 108的每个数字天线元件的宽带信道冲击响应。
数字测试仪器114包括至少一个数字信号发生器和分析器120，其在发射机测试模式下生成去往DUT 108的数字天线元件的数字测试信号，并且在接收机测试模式下分析来自DUT 108的数字天线元件的接收到的数字测试信号。可编程硬件设备122实现用于所生成的接收到的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议，数字光纤接口124将可编程硬件设备122耦合到DUT108的数字天线元件的阵列，并且将数字测试信号收发进入/离开DUT 108的数字天线元件的阵列。所述方法还包括：在块510，使用同步模块116对RF信号发生器和分析器110和数字测试仪器114进行同步，并且在块512，使用测试控制器118在DUT 108的测试期间控制定位器106、RF信号发生器和分析器110、RF切换器组件112、数字测试仪器114的操作。
现参照图6-图11描述用于多信道RF通信设备的测试和/或校准的系统和方法。
以下实施例可以提供可以使用单信道信号发生和分析仪器在缆线传导测试模式和OTA(空中)测试模式下执行多信道系统RF性能(例如幅度和相位)测试和校准的更快且更低成本的测量方法。所述方法和系统使用组合器网络组合馈送到单信道分析仪器的多个接收到的信号以进行RF性能分析；并且，实施例使用单个测试信号和时间偏移网络产生多个信道之间的正交性。
图6示出用于测试多信道RF系统或DUT 10的测试系统100的第一示例实施例。图6的测试系统是缆线传导多信道RF性能测试系统。
测试系统1000包括信号源或单信道信号发生器1100、发布网络1040、组合器网络1200、单信道测量仪器1300。如果适当，则测试系统1000也可以还包括电光转换器106和对应光电转换器1080。具体地说，图6的测试系统1000是用于测试和/或校准多信道RF设备或DUT 1110(具体地说，多信道RF通信设备或系统)的多个RF发射机或接收机的系统的实施例。
在图6的测试系统1000中，单信道信号发生器1100生成具有理想自相关特性(例如在非零值时间偏移处全零值，在零值时间偏移处非零值)的测试信号。用于这些信号的一些示例包括但不限于Zadoff-Chu序列以及互补Golay序列等。测试信号馈送到校准后的发布网络1040中，校准后的发布网络1040将测试信号发布到时间偏移网络1050中。
例如，Zadoff–Chu(ZC)序列是复数值数学序列，其当应用于无线电信号时产生恒定幅度的电磁信号，由此对信号所施加的序列的循环移位版本在接收机处产生彼此零相关性。这些序列展现出自身的各循环移位版本为彼此正交的函数性质，也就是说，倘若当在信号的时域中看时每个循环移位大于发射机与接收机之间的该信号的所组合的传输延迟和多径延迟扩展。
在此，假设DUT 1110包括能够彼此独立地操作的多个RF信道1-N。每个RF信道1-N接收例如基带序列的形式的对应数据，并且能够据此生成RF信号，其中，RF信号的一个或多个参数(例如相位或频率移动或调制)取决于数据改变，从而数据得以表示在该RF信号中。
在时间偏移网络1050中，每个时间偏移信道1-N将不同时间延迟应用于测试信号，时间偏移网络1050的多个输出信号输入到DUT 1110中，即每个时间偏移信号分别馈送到DUT 1110中的一个RF信道1-N中，然后，校准后的组合器网络1200将来自DUT 1110的多个输出信号组合为单信道信号，并且将该信号馈送到单信道测量仪器130中，以用于进一步RF性能分析。如果DUT 1110具有光学输入和/或输出接口，则需要电光转换器1060和/或光电转换器1080。取决于DUT 1110是发射机还是接收机，其可以具有不同的输入和输出接口组合，如以下将描述的那样。
所以，在所描述的实施例中，测试系统1000包括单信道信号发生器1100，其配置为生成待发布到DUT 1110的多个RF信道中的每一个的自相关测试信号。单信道信号发生器1100可以配置为生成具有包括在非零值时间偏移处的零值以及在零值时间偏移处的非零值的自相关特性的自相关测试信号。
时间偏移网络1050包括均对应于DUT 1110的多个RF信道1-N之一的多个时间偏移信道1-N，并且配置为与DUT 1110组合提供均具有不同时间延迟的对应自相关测试作为各个RF信道测试信号。单信道测量仪器1300配置为基于RF信道测试信号的组合处理单信道测试信号，以独立地测量DUT 1110的RF信道1-N的至少一个特性。
受测量的RF信道中的每一个的特性可以包括来自DUT 1110的RF信道1-N中的每一个的对应RF信道测试信号的功率电平、带宽和/或失真。
在该实施例中，时间偏移网络1050配置为耦合在单信道信号发生器1100与DUT 1110之间。替代地，在图8所示的测试系统3000中，时间偏移网络105可以配置为耦合在DUT 10与单信道测量仪器130之间。
组合器网络1200可以配置为组合RF信道测试信号并且将单信道测试信号提供给单信道测量仪器1300。如图6所示，组合器网络1200可以是校准后的组合器网络，其配置为在缆线传导测试模式下组合RF信道测试信号，并且将单信道测试信号输出到单信道测量仪器1300。
此外，在图9所示的测试系统4000中，组合器网络1200'可以是天线布置，其配置为在空中(OTA)测试模式下组合多个RF信道测试信号，并且将单信道测试信号提供给单信道测量仪器1300。例如，可以经由各个天线420-1至420-N发送多个RF信道测试信号。与单信道测量仪器1300关联的天线设备1210配置为接收多个RF信道测试信号以提供单信道测试信号，以用于由单信道测量仪器1300进行处理。
此外，在各个实施例中，发布网络1040可以处于单信道信号发生器1100的下游，并且配置为发布自相关测试信号，以用于DUT 1110的多个RF信道中的每一个。如图6、图8和图9所示，发布网络1040可以是校准后的发布网络，其配置为在缆线传导测试模式下发布自相关测试信号，以用于DUT1110的多个RF信道1-N中的每一个。
此外，在图10所示的测试系统5000中，发布网络1040'可以是天线布置，其配置为发布自相关测试信号OTA，以用于DUT 1110的多个RF信道1-N中的每一个。例如，自相关测试信号可以发送到各个天线504-1至504-N，以用于DUT 1110的信道1-N中的每一个。在此，与单信道信号发生器1100关联的天线设备1220配置为将自相关测试信号发送到发布网络104'的多个天线504-1至504-N。
如所讨论的那样，DUT 1110可以包括光学输入，从而测试系统1000、3000、4000和5000可以包括光电转换器1060，其耦合到单信道测量仪器1300的上游的DUT 1110的多个RF信道1-N中的每一个的光学输出。DUT 1110可以包括光学输入，从而测试系统1000、3000、4000和5000可以包括电光转换器1080，其耦合到单信道信号发生器1100的下游的DUT 1110的多个RF信道1-N中的每一个的光学输入。
与待受单信道测量仪器1300处理的单信道测试信号组合的RF信道测试信号可以在时域中是重叠的，如将附加参照图7的信号处理示图所讨论的那样。
用于RF性能分析的主要分析处理是在所组合的信号(即单信道测试信号)与初始测试信号或自相关测试信号之间执行互相关处理。图7示出多信道RF性能测试系统1000的信号处理示图。因为自相关测试信号的理想自相关特性，所以在组合器网络1200之后的所组合的信号中的具有时间延迟τi的RF信道i的信号分量hi·Si将压缩为在互相关处理之后峰值位于时间τi的脉冲信号hi·σ(τ-τi)，并且其复数包络hi(其包括RF信道i的幅度和相位信息)可以被容易地提取。
与时域中被分离(例如，如在之前顺序切换单信道测试方法中)不同，在该实施例中，来自不同RF信道1-N的单信道测试信号于在组合器网络1200中组合之后可以在时域中是重叠的，因此，测试时间等于T0+τN(其中，T0是初始测试信号的时间长度)，并且通过选择合适的时间延迟τN(<T0)，测试时间可以远短于所述之前顺序切换单信道测试方法中所需的时间(其可能是N·T0)。
在一些实施例中，DUT 1110可以是具有很多RF信道1-N的大规模多入多出(MIMO)通信系统。在一些实施例中，在DUT 10是MIMO系统的情况下，DUT 1110可以具有至少N＝64个RF信道1-64。在一些实施例中，DUT 10可以具有N＝400或更多个RF信道1-400。
在各个实施例中，信号源或单信道信号发生器1100可以包括信号处理器和信号发生器。信号处理器可以还包括数字微处理器和存储器，存储器可以包括易失性和/或非易失性存储器，包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器——例如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、FLASH存储器等。在一些实施例中，存储器可以存储待由数字微处理器执行的指令，以使得数字微处理器执行一个或多个算法，以用于生成待提供给DUT 1110的多个基带测试序列，如以下更详细讨论的那样。该信号处理器可以还包括固件、一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、可编程门阵列等。
在实施例中，组合器网络1200可以配置有多个组合器级，其中，每个组合器级可以包括一个或多个组合器。例如，每个组合器可以是二输入设备。组合器网络的其它配置是可能的。例如，在其它实施例中，组合器网络可以包括四输入设备的多个级或甚至具有一个N输入设备的单个级。
在有益的特征中，可以校准组合器网络1200，从而通过组合器网络1200来自每个RF信号的传递函数(例如信号幅度损耗和或相移)绝对地和/或关于彼此是已知的(即用于不同RF信号的损耗和相移关于彼此是已知的)。用于各个RF信号的校准数据可以存储在存储器(例如单信道测量仪器1300的存储器)中，从而单信道测量仪器1300可以产生用于DUT 1110的RF信道1-N中的每一个的校准后的测量或测试结果。
在一些实施例中，单信道测量仪器1300可以包括RF测试仪器。在一些实施例中，单信道测量仪器1300可以包括单信道信号分析器，例如RF信号分析器(例如谱分析器)。然而，通常，单信道测量仪器1300可以是可以测量DUT 1110所生成的任何RF信号的一个或多个参数的任何测试或测量仪器。
在一些实施例中，测试系统1000可以包括多于一个的单信道测量仪器，其可以与测量组合器网络1200所输出的单信道测试信号的不同参数并行地操作。
如上所述，即使组合器网络1200组合RF信号以产生单信道测试信号，单信道测量仪器1300也可以分解或分离每个单独RF信号与单信道测试信号，从而根据组合器网络1200所输出的组合的单信道测试信号单独测试或测量RF信道1-N中的任何一个的一个或多个参数。
在一些实施例中，信号处理器的数字微处理器和存储器可以执行一个或多个操作，如上所述。例如，在一些实施例中，数字微处理器可以根据存储器(例如非易失性存储器)中所存储的指令执行算法，以生成自相关测试信号。在一些实施例中，数字微处理器可以根据存储器(例如非易失性存储器)中所存储的指令执行算法，以生成自相关测试信号。
在一些实施例中，用于自相关测试信号的基带数据序列可以存储在存储器(例如诸如EEPROM或FLASH设备之类的非易失性存储器)中，并且可以由数字微处理器从非易失性存储器读取。
在一些实施例中，基带数据序列可以由信号设计系统设计并且从其传递到信号源或单信道信号发生器1100。在一些实施例中，该信号设计系统可以包括通用计算机，其包括一个或多个数字微处理器、存储器(包括易失性和/或非易失性存储器)、数据存储体(例如硬盘或闪存驱动)、用于与信号源或单信道信号发生器1100进行通信的一个或多个接口(例如以太网端口、无线网络接口等)以及可以包括显示器、键盘、键区、触摸屏、鼠标、轨迹球、麦克风等的用户接口。
在一些实施例中，用户可以执行信号设计系统的存储器和/或数据存储体中所存储的一个或多个软件算法，以设计或设置用于由信号处理器使用的基带数据序列的参数，并且可以经由接口传递该数据。在一些实施例中，该信号设计系统可以仅在系统设计期间或用于测试系统1000的系统配置阶段连接到信号源或单信道信号发生器1100。
在一些实施例中，单信道测量仪器1300依次每次一个地测量RF信道1-N的一个或多个特性。在各个实施例中，单信道测量仪器1300可以测量每个RF信道的以下特性中的一个或多个：输出功率电平、所占据的带宽、信噪比(SNR)，谐波输出电平、谐波失真、信噪干比(SNIR)等。
图11是测试多信道RF系统或设备(例如DUT 10)的方法600的示例实施例的流程图。在一些实施例中，方法600可以用于测试和/或校准多信道RF设备或系统(具体地说，多信道RF通信设备或系统(例如大规模多入多出(MIMO)通信系统))的多个RF发射机或接收机。在一些实施例中，方法600可以由测试系统1000、3000、4000或5000执行，以测量DUT 10的RF信道1-N的一个或多个特性。
测试包括多个RF信道1-N的DUT 1110的方法600开始(602)，并且包括(块604)：通过单信道信号发生器110生成自相关测试信号，以用于发布到DUT 1110的多个RF信道1-N中的每一个。所述方法包括(块606)：生成均具有不同时间延迟的对应于发布到DUT 1110的多个RF信道1-N中的每一个的自相关测试信号的各个RF信道测试信号。在块608，所述方法包括：通过单信道测量仪器1300基于RF信道测试信号的组合处理单信道测试信号，以独立地测量DUT 10的RF信道1-N中的每一个的至少一个特性，然后结束于块610。
如上所述，在该实施例中，自相关测试信号可以从单信道信号发生器1100输出到时间偏移网络1050，以应用各个RF信道测试信号的不同时间延迟，然后输入到图6的实施例所示的DUT 1110的多个信道1-N。替代地，对应自相关测试信号可以从DUT 1110的多个信道1-N中的每一个输出到时间偏移网络1050，以应用各个RF信道测试信号的不同时间延迟，然后输入到图8实施例中所示的单信道测量仪器1301。
此外，所测量的RF信道1-N中的每一个的特性可以包括来自DUT 1110的RF信道1-N中的每一个的对应RF信道测试信号的功率电平、带宽和/或失真。在单信道测试信号中所组合的RF信道测试信号可以在时域中是重叠的。并且，单信道信号发生器1100可以配置为生成具有包括在非零值时间偏移处的零值以及在零值时间偏移处的非零值的自相关特性的自相关测试信号。
虽然已经在附图和前面描述中详细描述了本发明，但这种说明和描述被看作是说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
根据研究附图、本公开以及所附权利要求，本领域技术人员可以在实践本发明中理解并且实现所公开的实施例的其它变形。在权利要求中，词语“包括”不排除其它要素或步骤，并且数目词“一个”或“某个”不排除多个。单个处理器或另外单元可以实现权利要求中陈述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中陈述特定措施的仅仅事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以存储/分布在合适的介质(例如连同其它硬件一起或作为其它硬件的一部分而提供的光存储介质或固态介质)上，但也可以通过其它形式分布(例如经由例如上述互联网或其它有线或无线电信系统)。
虽然在此公开了代表性实施例，但本领域技术人员应理解，根据本教导的很多变形是可能的，并且仍然在所附权利要求集合的范围内。因此，除了在所附权利要求范围内之外，本发明并不受限。

Claims (10)

1.一种测试系统，其包括：
测试腔室，其包括：空间间隔探针天线的阵列；以及定位器，其配置为支撑具有数字天线元件的阵列的待测试设备(DUT)；
射频(RF)信号发生器和分析器，其配置为将RF测试信号发送到空间间隔探针天线以及从空间间隔探针天线接收RF测试信号；
RF切换器组件，其配置为将所述RF信号发生器和分析器有选择地耦合到所述测试腔室内的空间间隔探针天线的阵列；
数字测试仪器，其包括：
至少一个数字信号发生器和分析器，其配置为在发射机测试模式下生成去往DUT的数字天线元件的数字测试信号，并且在接收机测试模式下分析从DUT的数字天线元件接收到的数字测试信号，
可编程硬件设备，其配置为实现用于所生成的接收到的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议，以及
数字光纤接口，其配置为将可编程硬件设备耦合到DUT的数字天线元件的阵列，并且收发去往/来自DUT的数字天线元件的阵列的数字测试信号；
同步模块，其配置为对RF信号发生器和分析器以及数字测试仪器进行同步；以及
测试控制器，其配置为在DUT的测试期间控制定位器、RF信号发生器和分析器、RF切换器组件、数字测试仪器的操作。
2.如权利要求1所述的测试系统，其中，所述定位器能够在所述测试腔室内旋转；并且其中，所述测试控制器配置为在DUT的测试期间控制所述定位器的旋转。
3.如权利要求1所述的测试系统，其中，所述可编程硬件设备包括：
分路器/组合器，其耦合到所述至少一个数字信号发生器和分析器；
时间延迟模块，其配置为对于从所述至少一个数字信号发生器和分析器向DUT的每一个数字天线元件正生成的测试信号，实现不同的时间延迟；以及
协议模块，其用于实现用于所生成的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议。
4.如权利要求1所述的测试系统，其中，所述可编程硬件设备包括：
分路器/组合器，其耦合到所述至少一个数字信号发生器和分析器；
校准模块，其配置为在波束测试模式下实现用于DUT的每一个数字天线元件的校准系数；
波束加权模块，其配置为在波束测试模式下在期望的方向上将波束加权应用于DUT的每一个数字天线元件以指引波束；以及
协议模块，其用于实现用于所生成的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议。
5.如权利要求4所述的测试系统，其中，定位器能够在测试腔室内的方位角平面和俯仰平面中旋转；并且其中，测试控制器配置为在波束测试模式期间控制所述定位器的旋转。
6.一种测试具有数字天线元件的阵列的待测试设备(DUT)的方法，所述方法包括：
将DUT定位在包括空间间隔探针天线的阵列的测试腔室中的定位器上；
使用射频(RF)信号发生器和分析器将RF测试信号发送到空间间隔探针天线以及从空间间隔探针天线接收RF测试信号；
通过RF切换器组件有选择地将RF信号发生器和分析器耦合到所述空间间隔探针天线的阵列；
使用数字测试仪器测量对DUT的每个数字天线元件的宽带信道冲击响应，所述数字测试仪器包括：
至少一个数字信号发生器和分析器，其在发射机测试模式下生成去往DUT的数字天线元件的数字测试信号，并且在接收机测试模式下分析从DUT的数字天线元件接收到的数字测试信号，
可编程硬件设备，其实现用于所生成的接收到的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议，以及
数字光纤接口，其将所述可编程硬件设备耦合到DUT的数字天线元件的阵列，并且收发去往/来自DUT的数字天线元件的阵列的数字测试信号；
使用同步模块对所述RF信号发生器和分析器以及所述数字测试仪器进行同步；以及
使用测试控制器在DUT的测试期间控制所述定位器、所述RF信号发生器和分析器、所述RF切换器组件、所述数字测试仪器的操作。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述可编程硬件设备包括：
分路器/组合器，其耦合到所述至少一个数字信号发生器和分析器；
时间延迟模块，其配置为对于从所述至少一个数字信号发生器和分析器向DUT的每一个数字天线元件正生成的测试信号，实现不同的时间延迟；以及
协议模块，其实现用于所生成的延迟的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述数字测试仪器、所述RF信号发生器和分析器、所述测试控制器协作以测量对于处于不同方位的DUT的每个数字天线元件的宽带信道冲击响应，以形成3D天线图案。
9.如权利要求6所述的方法，其中，所述可编程硬件设备包括：
分路器/组合器，其耦合到所述至少一个数字信号发生器和分析器；
校准模块，其波束测试模式下实现用于DUT的每一个数字天线元件的校准系数；
波束加权模块，其在波束测试模式下在期望的方向上将波束加权应用于DUT的每一个数字天线元件以指引波束；以及
协议模块，其实现用于所生成的数字测试信号的自定义数字光纤接口协议。
10.如权利要求9所述的方法，其中，定位器能够在测试腔室内的方位角平面和俯仰平面中旋转；并且其中，所述测试控制器在波束测试模式期间控制所述定位器的旋转。
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