5G毫米波和超寬帶信號的驗(yàn)證和測試 - 全文

　　第五代移動通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超高數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)的核心技術(shù)是采用毫米波頻段和高達(dá)500MHz-4GHz的超寬帶信號調(diào)制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前最新的4G和 WLAN技術(shù)所使用的頻率范圍和調(diào)制帶寬，給目前的5G研究和產(chǎn)品開發(fā)提出了很大的挑戰(zhàn)，需要研發(fā)全新的器件、模塊、基帶、和射頻微波系統(tǒng)，但是目前針對無線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)以及驗(yàn)證和測試方法都是在6GHz以下的RF頻段以及160MHz以內(nèi)的調(diào)制帶寬，缺乏成熟有效同時(shí)具備一流性能指標(biāo)的毫米波和超寬帶信號產(chǎn)生和信號分析手段。本文介紹專門為5G先進(jìn)技術(shù)研究開發(fā)而設(shè)計(jì)的驗(yàn)證測試平臺，基于是德科技SystemVue系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真軟件，M8190A超寬帶任意波發(fā)生器，E8267D微博矢量信號發(fā)生器，N9040B UXA寬帶矢量信號分析儀或63G實(shí)時(shí)示波器，可以直接產(chǎn)生和分析高達(dá)4GHz帶寬的5G物理層信號，如FBMC等。該系統(tǒng)提供一種漸變快速的超寬帶硬件線性失真校正方法，使測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了目前業(yè)界最佳的矢量誤差特性。該系統(tǒng)可用于協(xié)助5G物理層算法開發(fā)和驗(yàn)證、毫米波和超寬帶器件和模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)試，5G信道建模和驗(yàn)證，初期的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)測試也驗(yàn)證，也可用過國防和航空航天、電子戰(zhàn)、雷達(dá)等超寬帶信號產(chǎn)生與分析，具備良好的靈活性和可擴(kuò)展性。

　　1、引言： 目前5G面臨的技術(shù)研究和測試驗(yàn)證的挑戰(zhàn)

　　無線通信的演進(jìn)已經(jīng)經(jīng)歷了4代，最早出現(xiàn)的是模擬通信，只能傳輸語音業(yè)務(wù)，2G以GSM為主，主要傳輸語音和低速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，3G包括WCDMA和 TD-S等，初步實(shí)現(xiàn)了移動互聯(lián)網(wǎng)操作，推動了智能手機(jī)的普及，4G LTE實(shí)現(xiàn)了高速無線接入和豐富的多媒體應(yīng)用，而5G將給無線通信帶來革命性的飛躍，5G的核心目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)超高速的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率達(dá)到幾個(gè)G甚至 10G比特率，從而徹底解決現(xiàn)在移動通信的速率瓶頸。為了實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)，5G需要采用全新的無線傳輸技術(shù)，由于頻率資源和帶寬問題，需要使用更高的頻段，例如毫米波，調(diào)制帶寬會從現(xiàn)在的幾十M跨越到 500 M到3GHz，而且還會使用新的物理層技術(shù)包括調(diào)制編碼和多址接入，所以針對5G關(guān)鍵技術(shù)的研究和驗(yàn)證是目前的主要任務(wù)。

　　目前針對5G的研究和測試驗(yàn)證主要面臨3大挑戰(zhàn)，首先是軟件方面如何簡便快捷地產(chǎn)生和分析5G格式信號，第2是硬件能否實(shí)現(xiàn)在毫米波頻段， 500 M到3GHz超寬帶信號的發(fā)射和接收，第3是需要全面的驗(yàn)證和測試能力，比如系統(tǒng)級驗(yàn)證和軟件硬件甚至模塊的驗(yàn)證和測試。

　　2、5G毫米波和超寬帶信號驗(yàn)證測試平臺

　　為了應(yīng)對5G帶來的挑戰(zhàn)，幫助客戶快速進(jìn)入5G先進(jìn)技術(shù)研究開發(fā)，是德科技已經(jīng)構(gòu)建了一套5G驗(yàn)證測試平臺，基于是德科技SystemVue系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，M8190A超寬帶任意波形發(fā)生器，E8267D微波矢量信號發(fā)生器，N9040B UXA超寬帶信號分析儀以及90000系列高帶寬示波器，可以直接產(chǎn)生和分析毫米波頻段超過500M帶寬的5G物理層信號，如FBMC等，進(jìn)行系統(tǒng)級和軟硬件模塊的驗(yàn)證和測試。該平臺提供一種簡便快速的超寬帶硬件線性失真校正方法，使測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了目前業(yè)界最佳5G發(fā)射信號質(zhì)量。該平臺可以用于協(xié)助5G物理層算法開發(fā)和驗(yàn)證，毫米波和超寬帶器件和模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)試，5G信道建模和驗(yàn)證，初期的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)測試和驗(yàn)證，應(yīng)用非常廣泛，具備良好的靈活性和可擴(kuò)展性。

　　2.1 基于SystemVue的5G FBMC參考庫

　　基于SystemVue的W1906BEL 5G 基帶程序庫能夠?yàn)?5G 技術(shù)研究提供可立即使用的參考信號處理用戶專利設(shè)計(jì)，借助這個(gè)基帶程序庫，基帶物理層設(shè)計(jì)人員可以大幅節(jié)省時(shí)間提升工作效率，系統(tǒng)架構(gòu)師、算法開發(fā)人員和基帶硬件設(shè)計(jì)人員可以充分利用集成仿真環(huán)境，應(yīng)用動態(tài)鏈路級場景研究、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證通信物理層信號處理設(shè)計(jì)，也可以非常方便地重新設(shè)計(jì)參考發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，以獲得最佳性能，并于其他候選技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。W1906BEL 5G 基帶程序庫包括源代碼、模型、子系統(tǒng)、仿真實(shí)例和基礎(chǔ)組件，可以提供用于 5G 候選波形技術(shù)FBMC的數(shù)字信號處理模塊，端到端物理層發(fā)射和接收仿真模型，頻率和時(shí)間同步，信道估計(jì)和修正，生成參考波形以驗(yàn)證射頻電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)級性能驗(yàn)證和 BER/FER 測試，以及連接是德科技硬件儀表構(gòu)建實(shí)物仿真和測試平臺的能力。

　　圖1所示為FBMC與OFDM在實(shí)現(xiàn)上的區(qū)別。FBMC主要包括符號映射，子載波映射，OQAM處理，IFFT，濾波器組處理，并串行轉(zhuǎn)換等過程，與OFDM比較主要區(qū)別就在于OQAM和濾波器組處理。

　　處理將QAM信號轉(zhuǎn)換為Offset QAM，主要包含2個(gè)步驟，首先是將QAM符號從復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)為實(shí)部和虛部兩個(gè)實(shí)數(shù)，并且采樣率變成2倍，然后與序列相乘，m代表Sub-channel，n代表離散時(shí)間變量，OQAM處理是將QAM符號的實(shí)部或虛部做1/2符號周期的時(shí)間偏移，對于連續(xù)的Sub-channel，假定為m（偶數(shù)序號）和 m+1（奇數(shù)序號），對Sub-channel m，QAM符號的實(shí)部做1/2符號周期的時(shí)間偏移，對Sub-channel m+1，QAM符號的虛部做1/2符號周期的時(shí)間偏移。OQAM處理的主要好處是可以降低信號的峰均比PAR。

　　上式為濾波器組輸出S［m］表達(dá)式，其中也包含了OQAM處理的部分。

　　濾波器組的含義是指第1個(gè)濾波器為原型濾波器，其它濾波器是通過對原型濾波器進(jìn)行頻移得到的。原型濾波器的特性由混疊系數(shù)K決定，混疊系數(shù)K可以表述為濾波器的沖激響應(yīng)時(shí)間與子載波符號周期T的比值，也是子載波符號在時(shí)域上混疊的數(shù)目，從圖2中可以看到，K值越大，濾波器滾降越陡峭，但是混疊子載波旁瓣數(shù)量也越大，所以FBMC子載波之間存在干擾，不是正交的，而OFDM可以看作是K=1的情況

　　在FBMC的發(fā)射機(jī)模型中還插入了Preamble和Pilot信號，在接收機(jī)模型中基于Preamble和Pilot提供了時(shí)間和頻率同步，信道估計(jì)和均衡修正，Pilot相位跟蹤修正等功能，這樣就可以實(shí)現(xiàn)與硬件儀表連接構(gòu)建實(shí)際的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)

　　2.2驗(yàn)證測試平臺的結(jié)構(gòu)和組成儀表介紹

　　圖3所示的5G驗(yàn)證測試平臺是將5G FBMC軟件處理與毫米波和超寬帶的硬件發(fā)射和接收能力結(jié)合在一起，從而為業(yè)界提供完整地驗(yàn)證5G系統(tǒng)級性能的能力，同時(shí)也可以將正在研發(fā)的5G軟件或硬件與平臺結(jié)合，或替代平臺中的模塊，進(jìn)行驗(yàn)證和測試

　　SystemVue和前面介紹的W1906BEL程序庫組成了軟件處理的部分，硬件平臺分成信號產(chǎn)生（發(fā)射機(jī)）和信號接收分析（接收機(jī)）。

　　發(fā)射機(jī)硬件由M8190A寬帶任意波形發(fā)生器和E8267D PSG微波矢量信號源構(gòu)成。M8190A是基于AXIe架構(gòu)的模塊化儀表，每個(gè)M8190A可以提供兩個(gè)通道差分信號輸出，每個(gè)通道具備8GHz采樣率 14bit量化或12GHz采樣率12bit量化，5GHz模擬帶寬，采樣率可以靈活調(diào)整，并內(nèi)置數(shù)字上變頻DUC功能。為了實(shí)現(xiàn)毫米波頻段信號產(chǎn)生，采用兩通道IQ輸出模式。M8190A輸出的兩路IQ差分信號送到E8267D PSG，調(diào)制到微波/毫米波的載波頻率。E8267D PSG具備從250KHz到最高44GHz的頻率范圍，不僅具備內(nèi)置的基帶信號發(fā)生器，同時(shí)可以包含寬帶IQ信號調(diào)制器，標(biāo)稱寬帶IQ調(diào)制帶寬為 2GHz，實(shí)際測試表明E8267D PSG輸出的IQ調(diào)制帶寬實(shí)際超出2GHz，因此M8190A與E8267D PSG的組合是目前業(yè)界唯一能完全滿足5G關(guān)鍵技術(shù)要求的5G毫米波和超寬帶信號發(fā)射平臺。

　　接收機(jī)硬件可以選擇N9040B UXA或90000系列高帶寬示波器兩種類型儀表，N9040B UXA是最新型信號分析儀，覆蓋3Hz到26.5GHz頻率范圍，IQ解調(diào)分析帶寬和實(shí)時(shí)頻譜測量帶寬都達(dá)到業(yè)界最高的510MHz，具備全帶寬內(nèi) 14bit量化，IQ帶寬內(nèi)無失真動態(tài)范圍超過75dBc，相噪指標(biāo)也達(dá)到了業(yè)界最高的-136dBm/Hz（1GHz載波，20KHz偏移），是兼顧 5G寬帶信號接收測量和射頻微波測量精度動態(tài)范圍的最佳選擇，90000系列高帶寬示波器可以提供最高達(dá)63GHz的接收和分析帶寬，可以滿足更高帶寬的需要。

　　3、5G平臺實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證和測試

　　3.1 毫米波超寬帶信號產(chǎn)生和線性失真校正

　　目前在這個(gè)5G毫米波和超寬帶驗(yàn)證測試平臺上已經(jīng)構(gòu)建了覆蓋5G主要帶寬要求的發(fā)射信號模型，包括基于FBMC調(diào)制的500MHz帶寬，1GHz帶寬，2GHz帶寬，3GHz帶寬和4GHz帶寬信號，子載波調(diào)制方式包括QPSK，16QAM和64QAM，載波頻率最高可達(dá)44GHz，如果使用外混頻方式，還可以支持更高的毫米波頻段，例如E Band。圖4所示的例子是該驗(yàn)證測試平臺產(chǎn)生的載波頻率為20GHz，調(diào)制帶寬為4GHz，調(diào)制方式為16QAM的FBMC信號，使用信號分析儀測量 OBW占用帶寬，測量得到的信號99%累積功率占用帶寬約為3.9GHz。

　　但是也可以看到圖4所示的4GHz調(diào)制帶寬信號明顯存在帶內(nèi)不平坦現(xiàn)象，主要是寬帶IQ調(diào)制器存在的線性失真，會明顯影響發(fā)射信號的矢量誤差。為提高超寬帶發(fā)射機(jī)的調(diào)制質(zhì)量，該平臺采用了一種簡便直接的矢量校正方法，首先產(chǎn)生一個(gè)可以覆蓋工作帶寬的寬帶調(diào)制信號，調(diào)制方式可以選擇QPSK或 16QAM，其中16QAM效果較好，然后采用矢量信號分析儀解調(diào)測量EVM，并通過均衡器計(jì)算并提取頻率響應(yīng)曲線的矢量值，然后再對基帶信號進(jìn)行預(yù)失真處理。典型的寬帶16QAM信號解調(diào)和均衡器計(jì)算頻率響應(yīng)的曲線如下圖5所示

　　經(jīng)過寬帶校正最終產(chǎn)生出來的信號如圖6所示，可以看到除了子載波數(shù)字調(diào)制引起的峰均比外，整個(gè)帶寬內(nèi)信號分布比較平坦。

　　3.2 5G收發(fā)信機(jī)系統(tǒng)級吞吐率驗(yàn)證

　　驗(yàn)證測試平臺的核心是通過軟件和硬件構(gòu)建了完整5G發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，因此可以完成比較全面的5G驗(yàn)證和測試，既可以做系統(tǒng)級性能驗(yàn)證，算法驗(yàn)證，也可以測試發(fā)射機(jī)和接收機(jī)指標(biāo)，還可以驗(yàn)證和調(diào)試5G元器件。系統(tǒng)級驗(yàn)證主要是通過誤碼率BER或吞吐率等指標(biāo)來反映5G系統(tǒng)在各種參數(shù)條件和傳播條件下的性能，下面是兩種典型調(diào)制帶寬和調(diào)制格式參數(shù)系統(tǒng)在AWGN信道條件下的驗(yàn)證結(jié)果，其中使用的指標(biāo)是吞吐率，系統(tǒng)物理層理論的峰值吞吐率計(jì)算方法如下：

　　考慮誤碼率BER后的實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐率計(jì)算方法如下：

　　第1個(gè)實(shí)例是在20GHz載波頻率和500MHz調(diào)制帶寬驗(yàn)證了系統(tǒng)級吞吐率，信號載波頻率為20GHz，調(diào)制帶寬為500MHz，調(diào)制方式為 FBMC 64QAM，AWGN信道，信噪比從0-20dB變化，圖7所示為系統(tǒng)級吞吐率Throughput與信噪比SNR的關(guān)系曲線，可以看到吞吐率 Throughput約為1.06Gbps到1.63Gbps

　　第2個(gè)實(shí)例是在20GHz載波頻率和4GHz調(diào)制帶寬驗(yàn)證了系統(tǒng)級吞吐率，信號載波頻率為20GHz，調(diào)制帶寬為4GHz，調(diào)制方式為FBMC 16QAM，AWGN信道，信噪比從10-35dB變化，圖8所示為系統(tǒng)級吞吐率Throughput與信噪比SNR的關(guān)系曲線，可以看到吞吐率 Throughput約為7.4Gbps到9.3Gbps

　　結(jié)束語

　　我們已經(jīng)通過5G驗(yàn)證測試平臺實(shí)現(xiàn)了基于5G FBMC調(diào)制技術(shù)，使用毫米波頻率，超過500M甚至高達(dá)4GHz的超寬帶信號的發(fā)射和接收，實(shí)現(xiàn)了接近10G比特率的數(shù)據(jù)吞吐率。這套5G測試驗(yàn)證平臺可以完全滿足5G毫米波和超寬帶技術(shù)要求。

　　是德科技是目前行業(yè)唯一提供5G全面解決方案，能夠幫助客戶應(yīng)對5G測試和系統(tǒng)驗(yàn)證的挑戰(zhàn)。是德科技在軟件方面推出了業(yè)界第1個(gè)5G仿真庫，支持 FBMC和Massive MIMO，在硬件方面已經(jīng)全面支持毫米波頻段， 510 M以上的超寬帶的信號發(fā)射和接收，同時(shí)提供系統(tǒng)級驗(yàn)證和測試能力，包括誤碼率，EVM和吞吐率等。