解析4G至5G無線通信測試及射頻儀器的那些事
一、無線通信測試概要
無線通信測試技術(shù)與測試儀器是通信產(chǎn)業(yè)的重要支撐力量,它滲透于通信芯片、模塊、終端、基站、無線網(wǎng)絡(luò)等幾乎所有的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié),貫穿于設(shè)計研發(fā)、認(rèn)證驗(yàn)收、生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與優(yōu)化等幾乎完整產(chǎn)業(yè)生命周期。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/365926.htm
設(shè)計與研發(fā)是使用測試儀器種類最多最廣的階段,主要有示波器、信號源、頻譜儀(信號分析儀)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等通用測量儀器,以及信道模擬器、終端模擬器、基站模擬器等專用高端測試儀器;在認(rèn)證與驗(yàn)收階段,主要測試設(shè)備包括RF一致性測試系統(tǒng)、協(xié)議一致性測試系統(tǒng)、RRM一致性測試系統(tǒng);通信企業(yè)生產(chǎn)階段的常用儀器是大家熟悉的終端綜測儀、以及前面提到的信號源、頻譜儀等通用測試儀器;在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與優(yōu)化階段,發(fā)射機(jī)、掃頻儀、手持頻譜儀等各類工程儀表是常用的測量工具。
二、4G無線通信測試現(xiàn)狀
接下來從系統(tǒng)設(shè)備測試、芯片與終端測試、射頻測試和網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)測試四個角度談?wù)?G無線通信測試現(xiàn)狀。
1、4G系統(tǒng)設(shè)備測試——矢量信號源與信號分析儀
矢量信號源與矢量信號分析儀是基站等通信設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)和一致性測試的高端通用電子測量儀器,它們的技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
第一,頻率方面,通過PLL、DDS、小數(shù)分頻、分頻倍頻來支持從數(shù)kHz-數(shù)GHz的寬頻帶連續(xù)覆蓋,頻率分辨率能達(dá)到0.01Hz,此外頻譜純度高,諧波抑制、雜散與噪聲處理能達(dá)到較高的指標(biāo)要求;
第二,幅度方面,矢量信號源與分析儀通常具備了150dB以上的大動態(tài)范圍,0.01dB的高分辨率,以及《±1dB的精度指標(biāo),線性度好、大幅度衰減少、串?dāng)_及噪聲抑制性能優(yōu)異,并采用自動電平控制和溫度補(bǔ)償;
第三,矢量性能方面,隨著3G到5G時代帶寬需求的大幅提升,實(shí)現(xiàn)大帶寬面臨幅相一致性的補(bǔ)償、ADC的高采樣率與高位寬的矛盾、FPGA在高時鐘頻率下設(shè)計難度成倍的提升、幾十Gbps高速數(shù)據(jù)傳輸如何保障等一系列技術(shù)難點(diǎn);
第四,工程化開發(fā)方面,為了保障測試的高可靠性,操作系統(tǒng)、數(shù)字電路、射頻電路所組成的混合系統(tǒng)較為復(fù)雜;
第五,應(yīng)用開發(fā)方面,矢量信號源與分析儀通?;诮y(tǒng)一的平臺來支持多種通信制式下的多重應(yīng)用,如無線通信(2G/3G/4G/4.5G/5G,IEEE 802.11xx),衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電等。新的應(yīng)用也驅(qū)動著儀表的技術(shù)演進(jìn)。
第六、通道數(shù)方面,隨著MIMO技術(shù)的應(yīng)用,多通道MIMO信號源與分析儀也是技術(shù)演進(jìn)的方向之一,當(dāng)然也對儀表系統(tǒng)的可靠性、電磁兼容設(shè)計等帶來挑戰(zhàn)。
2、4G系統(tǒng)設(shè)備測試——無線信道模擬器
除了大家熟悉的信號源、信號分析儀這樣的通用儀表,通信測試中還有一種重要的高端測試儀器:無線信道模擬器。
信道是無線通信物理層技術(shù)研究的基礎(chǔ)之一,MIMO信道近些年來一直是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。MIMO信道模擬器是在實(shí)驗(yàn)室條件下精確可重復(fù)地模擬復(fù)雜的無線信道環(huán)境的儀器。它與信號源、信號分析儀有一些類似的技術(shù)特點(diǎn),比如寬頻帶、大帶寬等。
除此之外,由于信道模擬器的雙向鏈路特性,給寬頻帶射頻前端的通道隔離指標(biāo)和多通道射頻一致性提出了很高要求;由于MIMO信道的復(fù)雜性,數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)對于基帶運(yùn)算資源、數(shù)據(jù)交互速率等等要求很高,因此,基帶與算法架構(gòu)的設(shè)計極為重要。
另外,隨著3D MIMO/Massive MIMO以及高頻信道特性研究的不斷深入,信道模擬的方法與架構(gòu)也在逐步演進(jìn)。
3、4G芯片與終端測試——綜測儀
4G時期,隨著芯片制造工藝的發(fā)展進(jìn)步,芯片的主流工藝已經(jīng)從28nm進(jìn)入到新的技術(shù)階段,芯片的處理器核數(shù)也發(fā)展到64位應(yīng)用處理器芯片或者8核處理方案。
4G時代的手機(jī),多模多頻的能力持續(xù)加強(qiáng),2G/3G以及LTE(TDD/FDD)的全模支持能力需求也持續(xù)在增長;同時,手機(jī)的Bluetooth/GPS/WIFI以及NFC的通信需求也在不斷增加;射頻方面,手機(jī)的頻點(diǎn)和帶寬能力覆蓋了2/3/4G技術(shù)各個版本的需求,如R10版本要求終端支持5CC最大100M的下行帶寬,后續(xù)版本中需要終端支持對MIMO和跨頻段載波聚合以及TDD-FDD不同制式的載波聚合。
為了適應(yīng)這些芯片與終端的發(fā)展,傳統(tǒng)的綜測技術(shù)也需要進(jìn)行相應(yīng)的革新:為了滿足多樣化的測試需求,單臺終端測試儀表需要具備各種通信制式(2G/3G/4G和BWG)的空口協(xié)議棧模擬能力,以適應(yīng)終端研發(fā)過程對于網(wǎng)絡(luò)側(cè)模擬的要求,同時終端測試儀表應(yīng)具備通過集成和開放接口搭建射頻/協(xié)議/RRM一致性測試系統(tǒng)的能力;
此外,由于測試頻段、帶寬、通道數(shù)大幅擴(kuò)展,綜測儀表射頻能力需要支持從400M到6GHz的測試頻率, 滿足各個工作頻段下的精度以及性能的一致性和穩(wěn)定性,并通過功能擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)多載波聚合以及多通路MIMO的驗(yàn)證能力;
針對終端生產(chǎn)過程中對于效率和成本的要求,手機(jī)綜測儀的產(chǎn)線測試技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的信令綜測轉(zhuǎn)為速度更快的非信令模式,而且手機(jī)的全頻段校準(zhǔn)和全制式綜測一站式成為手機(jī)產(chǎn)線測試的普遍方案。
4、4G射頻測試—矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主要用來測量射頻器件的S參數(shù),具備高性能、大動態(tài)、低噪聲的優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于移動通信、軍工雷達(dá)、半導(dǎo)體、廣播電視、科研教育等領(lǐng)域射頻器件、組件的研發(fā)和生產(chǎn)測試。
4G時代的射頻器件形態(tài)多樣,有半導(dǎo)體芯片、濾波器、RF連接器以及天線等。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀也不再局限于S參數(shù)的測量,還具備插入損耗IL、駐波比VSWR、Smith圖的測量功能,為RF器件、半導(dǎo)體及終端天線提供最基本的性能檢測。
近年來,矢網(wǎng)主要發(fā)展方向包括:非線性測量、多端口并行測試、毫米波甚至THz頻段滲透等。
5、4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化測試
掃頻儀、發(fā)射機(jī)、手持式頻譜儀和手持式天饋線分析儀等儀表廣泛應(yīng)用于室外模擬測試和室內(nèi)覆蓋測試。其中,室外模擬測試包括傳播模型校正和基站覆蓋測試;室內(nèi)覆蓋測試則主要包含了室分系統(tǒng)設(shè)計驗(yàn)證及系統(tǒng)驗(yàn)收。
掃頻儀具有掃描速度快、靈敏度高、動態(tài)范圍大和獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試等突出特點(diǎn);發(fā)射機(jī)則經(jīng)歷了從發(fā)射連續(xù)波到發(fā)射簡單導(dǎo)頻再到模擬基站的發(fā)展歷程,支持遠(yuǎn)程可控;手持式頻譜儀用于頻譜分析、干擾排查等,能夠解調(diào)參數(shù)從而進(jìn)行各種信道的分析,具有寬頻帶、高動態(tài)、便攜性等突出優(yōu)勢;手持式天饋線分析儀用于查找天饋線的問題,測量距離大,方便靈活。
網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)測試屬于工程測試領(lǐng)域,對儀表的要求,除了滿足基本的測試功能以外,正向著便攜化、易操作、大數(shù)據(jù)傳感的方向發(fā)展。
三、5G及IoT測試技術(shù)發(fā)展
關(guān)于5G及IoT測試技術(shù)的發(fā)展,下面我將分別談?wù)?G信號源與分析儀、5G大規(guī)模MIMO數(shù)字多波束測試、Massive MIMO 陣列天線測試、NB-IoT測試以及5G信道模擬器。
1、5G信號源與分析儀
信號源與分析儀仍將是5G時代最重要的通用測量儀器。5G信號源與分析儀,工作頻段需要覆蓋從低頻到微波毫米波的范圍,同時支持500MHz甚至數(shù)GHz的矢量信號帶寬。
實(shí)現(xiàn)數(shù)GHz帶寬的信號發(fā)生與分析,主要技術(shù)難點(diǎn)包括射頻、微波、毫米波技術(shù)的綜合開發(fā),高動態(tài)高采樣率的ADC,高速FPGA和DSP信號處理平臺,以及高吞吐量數(shù)據(jù)交換。頻率覆蓋方面,國外高端矢量信號源頻率已達(dá)到44GHz,矢量信號分析儀工作頻率可達(dá)85GHz;調(diào)制帶寬方面,RS公司的矢量信號源SMW200A內(nèi)調(diào)制帶寬最高可達(dá)2GHz。
目前,國內(nèi)儀表廠商在這一領(lǐng)域尚未取得重大進(jìn)展,希望未來能通力合作,突破技術(shù)瓶頸,彌補(bǔ)市場空白。
2、5G大規(guī)模MIMO數(shù)字多波束陣測試
針對5G大規(guī)模MIMO的數(shù)字多波束陣基于數(shù)字域的波束賦形原理,能夠提供高空間分辨率的高增益窄波束,具有靈活的空間復(fù)用能力和較低的用戶間干擾。
傳統(tǒng)的天線測量系統(tǒng)基于信號源和矢網(wǎng),而數(shù)字多波束方案從原理和技術(shù)層面都使得傳統(tǒng)的天線測量系統(tǒng)無法復(fù)用:傳統(tǒng)表征天線性能的指標(biāo),不再適合描述數(shù)字多波束陣列;未來Tx/Rx組件與天線單元高度集成,無法單獨(dú)測量; 數(shù)字與模擬的混合導(dǎo)致的非線性特性使得天線測量成為系統(tǒng)性能測量。
3、Massive MIMO陣列天線測試
作為5G的關(guān)鍵使能技術(shù)之一,大規(guī)模天線技術(shù)不可避免地為天線測試帶來一系列挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的多端口測試大多基于單臺矢網(wǎng)分步測試或多臺矢網(wǎng)級聯(lián)測試,普遍存在著測試速度慢與通道校準(zhǔn)復(fù)雜的弊端,此外由于矩陣開關(guān)的引入,導(dǎo)致動態(tài)范圍等性能惡化。
Massive MIMO天線測試需要真正的多端口矩陣矢網(wǎng)。多端口矢網(wǎng)能夠同時測試多端口的S參數(shù),有效減少了測量時間;同時,每個測試端口都配備獨(dú)立的源、參考接收機(jī)和測量接收機(jī),可并行測試多個被測件。
多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要技術(shù)難點(diǎn)包括大規(guī)模多端口幅相一致性的快速校準(zhǔn)問題、多通道間的串?dāng)_抑制問題以及并行多路信號實(shí)時同步的處理方法等。
4、NB-IoT測試
隨著2016年7月標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié),NB-IoT作為新一代物聯(lián)網(wǎng),具有廣泛的應(yīng)用前景。
目前國內(nèi)支持NB-IoT 技術(shù)的測試設(shè)備相對較少,亟需低成本、高指標(biāo)的NB-IoT測試儀器完善產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。一些潛在的關(guān)鍵技術(shù)將大大加速NB-IoT測試儀器的研發(fā)進(jìn)程,例如:小型化、低噪聲的本振合成技術(shù),寬帶脈內(nèi)穩(wěn)幅技術(shù)可用來實(shí)現(xiàn)寬帶信號的穩(wěn)定輸出,變頻跟蹤濾波技術(shù)可用來實(shí)現(xiàn)全頻段雜散大幅度抑制,寬帶小數(shù)內(nèi)插技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)矢量信號精確測量。
5、5G信道模擬器
5G信道模擬器將在多通道(64、128甚至更多)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)500MHz以上的更大帶寬,覆蓋6GHz以上的更高頻段,支持豐富多樣的5G信道模型。目前國際上現(xiàn)有信道模擬器在工作頻率、通道數(shù)和帶寬等關(guān)鍵指標(biāo)上無法滿足5G需求。
但這幾年,國內(nèi)已經(jīng)有不少企業(yè)已經(jīng)研制了面向4G測試的8x8 MIMO信道模擬器,在硬件架構(gòu)、算法體系等方面為5G信道模擬器的研發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
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