阅读说明：本技术 用于能够确认从天线阵列发射的射频信号的预期相移的方法 (Method for enabling confirmation of an expected phase shift of a radio frequency signal transmitted from an antenna array ) 是由 克里斯蒂安.沃尔夫.厄尔高 黄志勇 于 2018-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于在能够进行多输入多输出(MIMO)操作的射频(RF)数据包信号收发器的无线波束转向操作期间评估接收器信号接收性能的方法。响应于探测包(SP)从波束形成设备(“波束形成器”)传输,接收设备(“波束形成接收端”)传输包含表示波束形成反馈矩阵(BFM)的矩阵数据的响应数据包,波束形成反馈矩阵与波束形成器和波束形成接收端正在通过其进行通信的无线信号路径环境所导致的信号衰减相关。使用矩阵数据,可计算指示波束形成接收端的信号接收性能的统计变化。(A method for evaluating receiver signal reception performance during wireless beam steering operations of a Radio Frequency (RF) data packet signal transceiver capable of multiple-input multiple-output (MIMO) operation is disclosed. In response to transmission of a Sounding Packet (SP) from a beamforming device ("beamformer"), a receiving device ("beamformee") transmits a response data packet containing matrix data representing a Beamforming Feedback Matrix (BFM) related to signal attenuation caused by the environment of the wireless signal path through which the beamformer and beamformee are communicating. Using the matrix data, statistical variations indicative of the signal reception performance of the beamformed receiving end may be calculated.)

用于能够确认从天线阵列发射的射频信号的预期相移的方法

相关专利申请

本专利申请要求于2017年5月3日提交的美国专利申请号15/585,831的优先权，该专利申请的公开内容以引用方式明确地并入本文。

背景技术

本发明涉及设计来执行波束形成的射频(RF)信号发射器的测试，并且具体地讲，涉及在能够进行多用户多输入多输出(MU-MIMO)操作的射频(RF)数据包信号收发器的无线波束转向操作期间评估接收器信号接收性能。

现今的许多电子设备使用无线信号技术来实现连接和通信的目的。由于无线设备发送和接收电磁能，并且由于两个或更多个无线设备的信号频率和功率谱密度有可能相互干扰对方的操作，因此这些设备以及其无线信号技术必须遵守各种无线信号技术标准规范。

在设计此类无线设备时，工程师极其小心地确保此类设备将达到或超过每一种所包括的无线信号技术的规定标准规范。此外，当这些设备后来被大量生产时，还需要对它们进行测试，以确保制造缺陷将不会导致不当的操作，包括它们遵守所包括的无线信号技术标准规范。

此类无线设备的测试通常涉及测试被测设备(DUT)的接收和发射子系统。测试系统将(例如)采用不同的频率、功率级和/或信号调制技术向DUT发送规定的测试数据包信号序列，以确定DUT接收子系统是否正常运行。类似地，DUT将以多种频率、功率级和/或调制技术发送测试数据包信号，供测试系统接收和处理，以确定DUT传输子系统是否正常运行。

为了在制造和组装之后测试这些设备，现在的无线设备测试系统通常采用具有各种子系统的测试系统来为每个被测设备(DUT)提供测试信号并分析从每个DUT接收的信号。一些系统(通常称为“测试器”)至少包括用于提供将传输给DUT的源信号的矢量信号发生器(VSG)和用于分析DUT所产生的信号的矢量信号分析仪(VSA)。由VSG产生测试信号以及由VSA执行信号分析通常可以编程(例如，通过使用内部可编程控制器或外部可编程控制器，诸如个人计算机)，这样每一者都可用于使用不同的频率范围、带宽和信号调制特性来测试多种设备是否遵守多种无线信号技术标准。

无线设备诸如移动电话、智能手机、平板电脑等利用基于标准的技术，诸如IEEE802.11a/b/g/n/ac/ad/ax/ay(“Wi-Fi”)、3GPP LTE和蓝牙。构成这些技术的标准被设计成提供可靠的无线连接和/或通信。这些标准规定了物理和更高层次的规范，这些规范通常被设计成节能并且最大程度降低使用与无线频谱相近的或共享无线频谱的相同或其他技术的设备之间的干扰。

这些标准所规定的测试意在确保此类设备被设计成符合标准所规定的规范，并且确保所制造的设备一直符合那些规定的规范。大多数设备是收发器，它们包括至少一个或多个接收器和发射器。因此，测试旨在确认接收器和发射器是否均符合要求。DUT的一个或多个接收器的测试(RX测试)通常涉及发送测试包给接收器的测试系统(测试器)以及确定DUT接收器如何响应这些测试包的某种方式。DUT的发射器通过使其发送包给测试系统而进行测试，测试系统接着评估由DUT发送的信号的物理特性。

参见图1A和图1B，IEEE 802.11标准的较新版本提供波束转向或波束形成，以使得能够传输和接收具有更高有效信噪比(SNR)和更高数据速率的更多空间方向信号流。还启用了在其中源(“波束形成器”)1的多个信号流3被转向至客户端(“波束形成接收端”)2的输入端口的单用户(SU)模式(图1A)下或在其中源1的信号流的子集3a、3b被转向至相应客户端2a、2b的输入端口的多用户(MU)模式(图1B)下与具有多个输入和/或多个输出信号流的设备和/或设备之间的通信。。

更具体地讲，IEEE 802.11ac标准提供用于多用户多输入多输出(MU-MIMO)操作的规范。“MIMO”功能是在接收器(多输入或“MI...”)和发射器(多输入或“MO...”)处使用多个天线以通过高级数字信号处理来改善通信性能。它利用与每个天线相关联的分开的传输/接收链来改善链路稳健性和/或提高数据速率。这使得具有更高信号带宽的无线通信能够实现更高的数据吞吐量。“MU”功能允许多个设备分开的通信，例如使用单个接入点(AP)。换句话讲，与其中两个设备仅经由所有可用天线彼此通信的单用户MIMO(SU-MIMO)操作相反，MU-MIMO允许终端同时向同一频带中的多个用户传输信号和从其接收信号。

参见图2，在源10(例如，具有四个天线的AP)和多个客户端12(例如，具有双天线的膝上型计算机)、14(具有单个天线的智能电话)、16(具有单个天线的蜂窝电话)之间的MU-MIMO操作期间，转向矩阵用于向源10通知所接收的信号。站(客户端)通过生成和提供波束形成反馈矩阵(BFM)来提供波束形成反馈，例如，通过使用所接收的信号头来响应于探测包(SP)而生成压缩波束形成反馈(CBF)矩阵，在该示例中，该探测包可以是空数据包(NDP)包。然后将CBF矩阵(V-矩阵)作为对NDP包的响应而生成的响应包的一部分传输回到源。

CBF矩阵的准确性在确定MU-MIMO转向操作的有效性方面起着重要作用。为了获得最佳可能的波束形成反馈矩阵准确性，需要向客户端接收器提供非常清晰的输入信号，并且必须最小化接收器添加至信号的任何噪声和/或失真。客户端发射器发射的信号的质量可以相当简单以使用良好的VSA来测量(例如，只要使用公共的本地振荡器来保持参考信号相位一致性)，但确定由客户端接收器贡献对信号质量的附加影响更加复杂。一种解决方案将会是测量接收误差矢量幅度(EVM)。然而，在许多测试环境中，尤其是在制造测试期间，对数字化的IQ数据样本的访问通常是不可能的。

参见图3，另选地，接收质量通常使用包误差(PER)测试来测量。然而，一旦接收器达到某个EVM水平，EVM的进一步改善对PER的影响会降至最低。因此，即使对接收器的灵敏度进行测试也不会揭露真实的接收器EVM(即使使用高质量的VSG)，因为VSG的输出功率的准确性和统计变化比EVM退化导致的PER变化更糟。因此，传统的PER不能有效地用于测试接收器的接收器质量，而只能用于测试其是否足以通过PER要求。例如，IEEE标准为传输信号(TX)质量规定了-35dB的EVM，但是普遍认为-41dB对于MU-MIMO是最佳的。因此，-35dB的接收信号(RX)EVM将产生与-41dB的RX EVM基本相同的PER(变化小于0.5dB)。因此，需要一种更好的方法来测试MU-MIMO波束形成接收器的质量。

发明内容

一种用于在能够进行多输入多输出(MIMO)操作的射频(RF)数据包信号收发器的无线波束转向操作期间评估接收器信号接收性能的方法。响应于探测包(SP)从波束形成设备(“波束形成器”)传输，接收设备(“波束形成接收端”)传输包含表示波束形成反馈矩阵(BFM)的矩阵数据的响应数据包，该波束形成反馈矩阵与波束形成器和波束形成接收端正在通过其进行通信的无线信号路径环境所导致的信号衰减相关。使用矩阵数据，可计算指示波束形成接收端的信号接收性能的统计变化。

根据受权利要求书保护的本发明的示例性实施方案，一种用于在被测设备(DUT)的无线波束转向操作期间评估接收器信号接收性能的方法，该被测设备包括能够进行多输入多输出(MIMO)操作的射频(RF)数据包信号收发器，该方法包括：

经由无线信号路径环境传输MIMO探测包(SP)以供DUT接收；

接收与该MIMO SP相关的响应数据包并且该响应数据包包含表示与无线信号路径环境所导致的信号衰减相关的波束形成反馈矩阵(BFM)的矩阵数据；

处理该矩阵数据以产生经处理数据；

重复该传输、接收和处理步骤以产生多个经处理数据；以及

基于多个经处理数据来计算多个经处理数据的对应部分之间的统计变化。

根据受权利要求书保护的本发明的另一个示例性实施方案，一种用于在被测设备(DUT)的无线波束转向操作期间评估接收器信号接收性能的方法，该被测设备包括能够进行多输入多输出(MIMO)操作的射频(RF)数据包信号收发器，该方法包括：

经由无线信号路径环境传输具有多个互不相同的信号相位的多个MIMO探测包(SP)以供DUT接收；

接收与多个MIMO SP的至少一部分相关的一个或多个响应数据包并且该一个或多个响应数据包包含表示与无线信号路径环境所导致的信号衰减相关的波束形成反馈矩阵(BFM)的矩阵数据；

处理该矩阵数据以产生多个经处理数据；以及

基于多个经处理数据来计算多个经处理数据的对应部分之间的统计变化。

附图说明

图1A和图1B示出了用于SU-MIMO和MU-MIMO操作的常规无线(OTA)测试环境。

图2示出了在源与多个用户之间的MU-MIMO操作期间对BFM矩阵的常规用法。

图3示出了在5210MHz和80MHz的带宽下操作的2×2MIMO VHT设备的灵敏度的示例性比较。

图4示出了根据受权利要求书保护的本发明的示例性实施方案的测试环境。

图5示出了典型的VHT压缩波束形成帧动作字段格式。

图6示出了根据受权利要求书保护的本发明的示例性实施方案的用于在无线波束转向操作期间评估接收器信号接收性能的信道校准过程。

图7示出了用于SU-MIMO操作的NDP通告帧格式。

图8示出了NDP格式。

图9示出了用于SU-MIMO操作的压缩波束形成动作帧。

具体实施方式

以下详细描述是结合附图的受权利要求书保护的本发明的示例性实施方案。关于本发明的范围，此类描述旨在进行示例而非加以限制。对此类实施方案加以详尽的描述，以使得本领域的普通技术人员可以实践该主题发明，并且应当理解，在不脱离本主题发明的精神或范围的前提下，可以实践具有一些变化的其他实施方案。

在本发明全文中，在没有明确指示与语境相反的情况下，应当理解，该单独的电路元件可以是单数或复数。例如，术语“电路”以及“电路系统”可以包括单个部件或多个部件，部件为有源的和/或无源的，并且连接或换句话讲耦合到一起(例如，成为一个或多个集成电路芯片)，以提供所描述的功能。另外，术语“信号”可指一个或多个电流、一个或多个电压或数据信号。在图中，相似或相关的元件将具有相似或相关的字母、数字或数字字母混合的指示。此外，虽然在使用分立的电子电路系统(优选地为一个或多个集成电路芯片的形式)的具体实施的背景中讨论了本发明，但另选地取决于待处理的信号频率或数据速率，此类电路系统的任何部分的功能可使用一个或多个适当编程的处理器来实施。此外，就示出各种实施方案的功能区块的示意图的图示来说，该功能区块未必表示硬件电路系统之间的分区。

根据受权利要求书保护的本发明的示例性实施方案，启动波束形成操作，基于此波束形成操作来确定包括在来自被测设备(DUT)的响应于接收NDP包而生成的包中的所报告的V-矩阵数据的统计变化。通过用高质量输入信号(例如，使用VSG)平均对多个包的响应，任何引入的变化都必须源自DUT接收器中的缺陷(例如，増加的噪声和/或失真)。由于矩阵数据以数字的形式(例如，数据包)报告，因此DUT发射器不影响所报告的矩阵数据。此外，即使DUT接收器是“完美的”，但由于数据字段的位数有限，所以期望最小的变化。

为了描述受权利要求书保护的本发明的示例性实施方案的目的，以下讨论是在主要遵循IEEE 802.11ac标准的系统的背景下进行的。然而，如本领域的普通技术人员将容易理解的，此类附加实施方案可使用符合其他标准的系统来实现，包括例如并不限于IEEE802.11ax和802.11ay以及蜂窝电话系统诸如LTE和5G。

参见图4，根据受权利要求书保护的本发明的示例性实施方案，测试器102包括将MIMO NDP 121传输至DUT 112的双VSG 104(例如，以与公共的本地振荡器108同步的两个VSG 104a、104b的形式，从而确保MIMO信号105a、105b之间的重复相对相信息)。这可在DUT接收器的高SNR或至少接近其灵敏度处完成。DUT 112根据已知的原则处理所接收的NDP并且传输回响应包123。

参见图5，CBF矩阵数据包括在作为响应包123发送的VHT(极高吞吐量)波束形成报告(下文进一步讨论)的第四字段中。响应包123由VSA捕获(例如，由两个VSA 106a、106b捕获以启用由测试器102进行的完整MIMO操作)，并且CBF矩阵数据从包123提取并处理。(该处理可包括例如并不限于数据解码、处理解码二进制信息和重新创建发射器转向矩阵中的任何一个或多个。)通过多次重复此步骤，可确定提取的CBF矩阵数据的统计变化并且可进行评估。

为确定合适的评估标准，一个选项可以是首先使用已知良好设备(KGD)代替DUT112(图4)。将KGD的接收器暴露至具有减小但可重复的EVM(例如，降低的SNR、相位噪声和失真)的VSG信号，可以确定所得的CBF矩阵数据变化，并确定EVM相关性的变化以用于得出合适的通过/失败标准。另选地，可通过引入适当的信号相位角变化来模拟所需的性能和劣化。

参见图6，根据受权利要求书保护的本发明的示例性实施方案来在无线波束转向操作期间评估接收器信号接收性能使用单用户波束形成信道校准过程来成形从单个发射器到单个接收器的传输。波束形成器102发送NDP 121，其为具有已知固定格式的帧。波束形成接收端112分析所接收的NDP 121，并计算在应答包123中发送的反馈矩阵(遵循较短的帧间间隔SIFS)。该信道校准过程是波束形成器102和波束形成接收端112协同确定信号传输信道特性以提供计算转向矩阵所需的原始数据所利用的单个信道校准过程。波束形成接收端112不直接提供转向矩阵，而是用于提供波束形成器102计算其转向矩阵所必需的信息。

参见图7，该信道校准过程是信道探测过程的一部分，该信道探测过程在波束形成器传输NDP通告帧(其是控制帧)时开始。整个信道探测过程在一个突发中执行，因此在NDP通告中设置的持续时间对应于三帧完全交换的长度。在SU MIMO波束形成中，NDP通告帧通过识别反馈矩阵中的列数来中继CBF反馈矩阵的大小。NDP通告帧的主要目的是为预期的波束形成接收端携带单个STA信息字段。STA信息字段长度为两个字节，并且由三个字段组成。

AID 12字段包含在其与802.11AP关联时分配给预期波束形成接收端的关联ID的12最低有效位。如果客户端设备充当波束形成器，则此字段设置为0，因为AP不具有关联ID。

在单用户NDP通告帧中，反馈类型字段为零。

Nc索引字段标识反馈矩阵中的列数，其中每个空间流对应一列。此三位字段可采用八个值，其与802.11ac支持的八个流相匹配。此字段被设置为空间流的数量减一。

参见图8，在传输NDP通告帧之后，波束形成器传输NDP帧。名称“空数据包”基于没有数据字段的PLCP帧，因此不存在802.11MAC帧。信道探测可通过分析PLCP标头中所接收的训练符号来完成，从而避免对MAC数据的需要。在NDP内，对于用于数据传输的每个空间流，都存在一个VHT长训练字段(VHT-LTF)。

参考图9，VHT压缩波束形成动作帧对NDP的接收作出响应并且包含反馈矩阵。反馈矩阵通知波束形成器NDP训练符号被接收的方式以及波束形成器应如何将帧转向波束形成接收端。动作帧头指示帧包含反馈矩阵。接下来是VHT MIMO控制字段，该字段使波束形成器能够通过描述六个属性来解释反馈矩阵。

(1)反馈矩阵的大小(6位)：Nc索引字段和Nr索引字段分别标识反馈矩阵的列数和行数。随着波束形成传输中空间流数量的増加，所得矩阵变得更大。

(2)信道宽度(2位)：反馈矩阵的大小也取决于基础信道的大小。较宽的信道需要更大的反馈矩阵来考虑要测量的单个信号载波。

(3)分组(2位)：如果波束形成矩阵的各部分重复，则波束形成接收端可将多个空间流分组在一起以减小所传输矩阵的大小。

(4)码本(1位)：波束形成矩阵被有效地用于描述天线元件所需的相移。根据IEEE802.11ac标准，波束形成器将具有相移的信息作为长位串传输。转向矩阵的接收器需要知道将位字段分割为单个矩阵元素的位置，并且此字段描述了此类数据的表示形式。

(5)反馈类型(1位)：在SU-MIMO中，反馈类型将为单用户。

(6)流量控制(10位)：剩余反馈分段、第一反馈分段和探测对话令牌字段一起使来自波束形成接收端的响应能够与波束形成器进行的请求匹配。在与宽带宽和大量空间流相关联的大矩阵中，矩阵将很大，因此可能需要将矩阵以多个分段的形式发送到波束形成器。

在不脱离本发明的范围和实质的前提下，本发明的结构和操作方法的各种其他修改形式和替代形式对本领域的技术人员将是显而易见的。虽然结合具体的优选实施方案对本发明进行了描述，但应当理解，受权利要求书保护的本发明不应不当地限于此类具体实施方案。其意图是，随附权利要求书限定本发明的范围，并且由此应当涵盖这些权利要求书以及其等同物的范围内的结构和方法。