破曉6G新時(shí)代：邁向新一代星地融合的高速測(cè)試解決方案

1.面向未來(lái)下一代通信技術(shù)的射頻測(cè)試挑戰(zhàn)

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展如下圖所示，1G時(shí)代用模擬信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音傳輸業(yè)務(wù)；2G時(shí)代，數(shù)字傳輸取代了模擬傳輸，人們能夠使用手機(jī)短信和手機(jī)上網(wǎng)；3G時(shí)代，移動(dòng)通信進(jìn)入了高速I(mǎi)P數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，移動(dòng)高速上網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)，大家開(kāi)啟了音頻，視頻，多媒體的時(shí)代；4G時(shí)代開(kāi)始了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的全面發(fā)展時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸更高質(zhì)量的視頻圖像；而隨著AR、VR、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的誕生與普及，5G應(yīng)運(yùn)而生，5G不再是一個(gè)單一的無(wú)線(xiàn)接人技術(shù)，而是多種新型無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)和現(xiàn)有4G技術(shù)的集成，其應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛。

總的來(lái)說(shuō)，1G到4G主要解決了“人-人”間的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)了“溝通泛在”；5G網(wǎng)絡(luò)則打造了“人-機(jī)-物”工業(yè)互聯(lián)體系，正在推動(dòng)“信息泛在”成為現(xiàn)實(shí)；而作為5G的延續(xù)，6G網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步使萬(wàn)物的連接延伸至智慧層面，達(dá)到“人-自然-智慧”的連接與融合，實(shí)現(xiàn)“智能泛在”。

6G的目標(biāo)是帶領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入泛在智能化信息社會(huì)，并融合通信、計(jì)算、感知、智能等建立起空天地海泛在移動(dòng)通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全球泛在覆蓋的高速寬帶通信。相比5G網(wǎng)絡(luò)，6G最大的特點(diǎn)在于其全球泛在覆蓋所帶來(lái)的多樣化：數(shù)據(jù)來(lái)源的多樣化、應(yīng)用的多樣化、通信手段的多樣化、計(jì)算的多樣化等，這使得6G網(wǎng)絡(luò)將具備以下特點(diǎn)：

● 更大信息容量

● 更高傳輸速率

● 更低傳輸時(shí)延

● 更大連接數(shù)量

● 更高頻譜效率

● 更高能量效率

而針對(duì)目前6G的系列特點(diǎn)，如需要實(shí)現(xiàn)更大的信息容量和高傳輸速率，在測(cè)試過(guò)程中會(huì)要求高速的數(shù)據(jù)傳輸，高速的數(shù)據(jù)采集；針對(duì)于更大的連接數(shù)量，在測(cè)試時(shí)需要考慮各個(gè)接入點(diǎn)之間的信號(hào)同步，仿真信道時(shí)需要進(jìn)行大規(guī)模輸入輸出（MIMO）的仿真；針對(duì)高頻譜效率以及能量效率，6G提出了新興的技術(shù)——RIS智能超表面技術(shù)，在信道環(huán)境做文章，提高能力以及頻譜效率，但是如何測(cè)試RIS對(duì)信號(hào)的增強(qiáng)，反射角度等問(wèn)題，也是一個(gè)嚴(yán)峻的測(cè)試挑戰(zhàn)。當(dāng)然6G帶來(lái)的測(cè)試挑戰(zhàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，在6G的發(fā)展帶來(lái)的一系列測(cè)試挑戰(zhàn)中，本文將重點(diǎn)針對(duì)衛(wèi)星通信領(lǐng)域，雷達(dá)測(cè)試以及大規(guī)模MIMO測(cè)試來(lái)進(jìn)行方案介紹。

2.衛(wèi)星通信測(cè)試方案

（1）射頻高速采集測(cè)試方案

目前來(lái)說(shuō)，6G衛(wèi)星通信有望用于大容量數(shù)據(jù)傳輸，如衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、遙感數(shù)據(jù)、衛(wèi)星圖像傳輸?shù)?。這些應(yīng)用需要高速數(shù)據(jù)傳輸來(lái)支持大數(shù)據(jù)的傳輸和分析。同時(shí)6G衛(wèi)星通信將需要支持大量用戶(hù)和設(shè)備的連接，包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、傳感器、智能城市設(shè)備等。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要高速數(shù)據(jù)傳輸以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)交換，未來(lái)在測(cè)試中也不可避免的會(huì)需要高速的測(cè)試解決方案。

在6G時(shí)代，除了一些無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，比如說(shuō)eMBB+，URLLC+，mMTC+之外，還有很多ku,ka波段的衛(wèi)星信號(hào)，或者是雷達(dá)信號(hào)需要進(jìn)行高速的數(shù)字化采樣。但是他們通常都在射頻頻段，而數(shù)字化一般是對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行采樣：

● 對(duì)于輸入的信號(hào)，需要先下變頻到基帶（或者是與數(shù)字化儀相匹配的頻段）

● 通過(guò)數(shù)字化儀數(shù)字化后，可以獲得射頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。德思特方案提供的高速數(shù)字化儀采樣率高達(dá)5 GS/s，可支持1.5 GHz帶寬。（了解更多產(chǎn)品信息，歡迎掃描文末二維碼聯(lián)系德思特）

● 當(dāng)信號(hào)數(shù)字化后，數(shù)據(jù)通過(guò)PCIe總線(xiàn)傳輸，可支持3.4 GByte/s的傳輸速率，同時(shí)提供SCAPP軟件選項(xiàng)，使用Nvidia的專(zhuān)業(yè)卡，搭配Linux系統(tǒng)，在不經(jīng)過(guò)CPU的情況下，從采集卡中取出數(shù)據(jù)至顯存或直接利用CUDA核心進(jìn)行運(yùn)算處理，達(dá)到海量傳輸?shù)男Ч?/p>

● 數(shù)據(jù)上傳到PC端，使用德思特SBench6軟件進(jìn)行分析，可對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)輸，信號(hào)包絡(luò)的觀察，直方圖等等分析。

（2）信號(hào)調(diào)制仿真測(cè)試方案

對(duì)于6G時(shí)代的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，目前還在研究階段，具體的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)尚未完全確定。然而，可以預(yù)期的是，6G將需要更高效、更復(fù)雜的調(diào)制方案來(lái)滿(mǎn)足其對(duì)于更高數(shù)據(jù)速率、更低延遲和更高可靠性的需求。這可能包括更高階的調(diào)制方案，以及新的、更有效的編碼技術(shù)。

針對(duì)調(diào)制的測(cè)試，德思特任意波形和函數(shù)發(fā)生器提供前所未有的靈活性，為工程師提供不同類(lèi)型的信號(hào)和數(shù)字調(diào)制以測(cè)試傳輸或接收的不同階段信號(hào)鏈，如調(diào)制器、解調(diào)器、混頻器、濾波器、放大器、低噪聲放大器（LNA）等：

● 生成比特流和觸發(fā)輸出信號(hào)（用于下一階段同步）以測(cè)試編碼器系統(tǒng)的行為。

● 生成在一個(gè)或兩個(gè)通道上提供的正交基帶信號(hào)，以測(cè)試具有不同參數(shù)（例如傳輸濾波器類(lèi)型、噪聲水平）的信號(hào)的傳輸/接收。

● 生成IF/RF信號(hào)以測(cè)試混頻器、IF濾波器、發(fā)射器放大器和接收器級(jí)。

（3）RIS研究測(cè)試方案

在6G時(shí)代，RIS技術(shù)被認(rèn)為是一種具有潛力得關(guān)鍵技術(shù)，它可以改變無(wú)線(xiàn)信道的環(huán)境，降低信道估計(jì)所需的導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)，解決空間非平穩(wěn)信道問(wèn)題，提高波束訓(xùn)練效果以及提高通信系統(tǒng)的性能，提升頻譜效率和能量效率。目前RIS技術(shù)仍然面臨許多挑戰(zhàn)，但是已經(jīng)有許多工程師在進(jìn)行RIS的研發(fā)，那在這個(gè)過(guò)程中，必不可少需要對(duì)RIS的性能進(jìn)行測(cè)試

德思特RIS測(cè)試方案，由德思特便攜式高頻信號(hào)源，方向性極好的喇叭天線(xiàn)，以及接收靈敏度高優(yōu)秀的德思特手持式頻譜儀組成。支持兩種環(huán)境下的測(cè)試：

a、外場(chǎng)測(cè)試：

將德思特高頻信號(hào)源連接到天線(xiàn)，接收天線(xiàn)連接德思特手持式頻譜儀。高頻信號(hào)通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)轉(zhuǎn)換成電磁波，并在接收天線(xiàn)轉(zhuǎn)換為信號(hào)后，通過(guò)頻譜儀測(cè)量到信號(hào)的功率。利用對(duì)比測(cè)試即可判斷RIS對(duì)信道的效果。

b、暗室測(cè)試：

當(dāng)進(jìn)行RIS的可調(diào)控反射角度測(cè)試時(shí)，可以在微波暗室使用德思特毫米波RIS測(cè)試方案，用信號(hào)源發(fā)生毫米波信號(hào)，操控RIS對(duì)電磁波的反射角，兩個(gè)天線(xiàn)置于弓形架中，把天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)接收角度，再把天線(xiàn)移到不同的角度觀察信號(hào)功率強(qiáng)度的變化，以此進(jìn)行測(cè)試。

c、測(cè)試案例——外場(chǎng)測(cè)試：

客戶(hù)選用了德思特外場(chǎng)測(cè)試方案來(lái)對(duì)他們的RIS模塊性能進(jìn)行測(cè)試。外場(chǎng)測(cè)試采用對(duì)比測(cè)試的方式進(jìn)行，其中唯一的變量是有無(wú)毫米波液晶RIS，其它條件均一致。部署液晶RIS后，終端有20 dB（100倍）的信號(hào)增強(qiáng)。

3.雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)方案

雷達(dá)技術(shù)在6G中將可能成為重要的組成部分，用于智能感知和定位。雷達(dá)能夠通過(guò)探測(cè)目標(biāo)、測(cè)量距離、速度和方向來(lái)提供環(huán)境感知數(shù)據(jù)。在6G的智能網(wǎng)絡(luò)中，這些數(shù)據(jù)可用于實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的位置識(shí)別、環(huán)境感知和障礙物檢測(cè)，幫助設(shè)備更智能地理解周?chē)h(huán)境。雷達(dá)技術(shù)在6G中也有望與波束成形技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的信號(hào)傳輸和接收。通過(guò)雷達(dá)的信號(hào)處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更智能化的波束成形和定向傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

針對(duì)雷達(dá)方面的測(cè)試，德思特提出了雷達(dá)信號(hào)發(fā)生以及雷達(dá)信號(hào)的數(shù)字采集測(cè)試兩個(gè)方案：

（1）雷達(dá)信號(hào)的發(fā)生：

在雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生不同持續(xù)時(shí)間的脈沖信號(hào)，可以用來(lái)供應(yīng)射頻調(diào)制鏈，以測(cè)試?yán)走_(dá)接收器行為。

a、基本脈沖信號(hào)發(fā)生

德思特PG-1000系列脈沖發(fā)生器可以通過(guò)設(shè)備圖形UI界面和觸摸屏幕顯示，輕松地創(chuàng)建具有不同脈沖寬度、頻率和幅度的脈沖。采用這種解決方案，可以節(jié)省開(kāi)發(fā)脈沖系統(tǒng)的時(shí)間，研究人員可以將更多的時(shí)間精力集中在雷達(dá)設(shè)計(jì)和測(cè)試目標(biāo)上。

b、脈沖/延遲發(fā)生器的多目標(biāo)仿真

在主雷達(dá)系統(tǒng)中，往往通過(guò)細(xì)化系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)的飛行時(shí)間，以計(jì)算雷達(dá)與目標(biāo)的距離。距離計(jì)算公式為：距離（km）=（延遲時(shí)間（秒）/2）*3×10^5 km/s。其中，3×10^5 km/s是對(duì)光速的近似取值。由公式不難看出，發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的延遲大小取決于距離長(zhǎng)短。

在多個(gè)目標(biāo)的情況下，通常會(huì)接收到多個(gè)信號(hào)，并且要求檢測(cè)系統(tǒng)能夠區(qū)分它們。德思特PG1000系列脈沖發(fā)生器是測(cè)試?yán)走_(dá)探測(cè)鏈的完美選擇，這并不需要完整的雷達(dá)系統(tǒng)和一些真實(shí)的目標(biāo)就可以完成多目標(biāo)仿真測(cè)試。

德思特脈沖發(fā)生器的多脈沖模式提供具有不同持續(xù)時(shí)間和延遲的雙脈沖、三脈沖和四脈沖，模擬多目標(biāo)的發(fā)送以及回波，可重復(fù)高達(dá)125 MHz，用于測(cè)試?yán)走_(dá)探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)頻率操作。10 ps的分辨率和低于25 ps的抖動(dòng)RMS提供了對(duì)射頻鏈預(yù)期延遲進(jìn)行計(jì)數(shù)，以低于cm級(jí)別的分辨率用來(lái)模擬目標(biāo)檢測(cè)所需的精度。

（2）雷達(dá)信號(hào)的采集測(cè)試

在6G時(shí)代，使用具有短占空比、多種調(diào)制類(lèi)型和關(guān)鍵定時(shí)的脈沖波形的雷達(dá)信號(hào)需要提供高帶寬、比例采樣率、長(zhǎng)存儲(chǔ)器和快速數(shù)據(jù)傳輸的測(cè)量系統(tǒng)。德思特高速模塊化數(shù)字化儀非常適合采集和處理雷達(dá)信號(hào)。它們提供高帶寬、長(zhǎng)采集內(nèi)存和特殊采集模式，以最大限度地提高內(nèi)存使用率，提供高速測(cè)量和高精度分析。

a、基本的脈沖調(diào)制

采用德思特基于PCI的四通道8位數(shù)字化儀，帶寬為1.5 GHz，最大值為5 GS/s的采樣率，此帶寬和采樣率與直接采集VHF和較低的UHF雷達(dá)以及許多高頻雷達(dá)的中頻兼容，在下圖中，數(shù)字化儀使用2.5兆樣本（MS）以每秒5千兆樣本（GS/s）的最大采樣率采集了500 μs的數(shù)據(jù)。雖然下圖中僅使用完整內(nèi)存采集了5個(gè)脈沖，但實(shí)際測(cè)試中可以采集超過(guò)8000個(gè)類(lèi)似脈沖。

采集的信號(hào)在德思特SBench6中顯示，同時(shí)進(jìn)行采集的波形分析，比如說(shuō)使用頻率測(cè)量功能測(cè)量信號(hào)的載波頻率，在上圖左側(cè)的信息窗格中顯示結(jié)果為1.000 GHz。以及許多數(shù)值分析工具，包括快速傅立葉變換（FFT）和有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波，提取脈沖調(diào)制波形的包絡(luò)等。

b、調(diào)制脈沖采樣

調(diào)制脈沖采樣過(guò)程和上述基本脈沖的采樣是一樣的，例如下圖中顯示了線(xiàn)性?huà)哳l雷達(dá)啁啾的示例。調(diào)制脈沖顯示在左側(cè)網(wǎng)格中，在脈沖期間，載波頻率從標(biāo)稱(chēng)998 MHz線(xiàn)性變化到1002 MHz。這在右側(cè)網(wǎng)格所示的FFT提供的頻域視圖中很明顯。

同時(shí)還可以采用相位調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮（下圖中最右邊圖像）。相位調(diào)制技術(shù)將脈沖分成多個(gè)段，每個(gè)段都以特定的相移進(jìn)行傳輸。這些段的長(zhǎng)度相等。相移的選擇由代碼確定。公共碼是二進(jìn)制的，其中碼值根據(jù)碼序列在+1和-1之間切換，對(duì)應(yīng)于0°和180°的相移。最常用的碼序列是巴克碼，它與其他序列的自相關(guān)性較低，并產(chǎn)生具有低旁瓣的頻譜。

而調(diào)制后的信號(hào)可以選擇在主機(jī)中（德思特高速數(shù)字化儀）進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)解調(diào)?？梢允褂玫谌杰浖?，例如MATLAB或LabVIEW，甚至可以使用C、C++或Python進(jìn)行自定義編程。德思特提供了驅(qū)動(dòng)程序和示例程序，以便將這些程序與其數(shù)字化儀連接起來(lái)。上圖最右邊圖像顯示了對(duì)采集的相位調(diào)制脈沖使用專(zhuān)有解調(diào)程序的結(jié)果。

c、多重記錄模式

為了應(yīng)對(duì)雷達(dá)信號(hào)采集需要長(zhǎng)采集內(nèi)存的挑戰(zhàn)，德思特高速數(shù)字化儀還提供多種采集模式，旨在有效地使用采集內(nèi)存并減少采集之間的死區(qū)時(shí)間，從而節(jié)省存儲(chǔ)空間。該模式對(duì)于研究雷達(dá)操作中的脈沖到脈沖的變化非常有用。

多重記錄或分段模式如下圖所示，允許以極短的重新準(zhǔn)備時(shí)間（在5 GS/s采樣率下約為6.5 ns）記錄多個(gè)觸發(fā)事件。用戶(hù)可以在段內(nèi)對(duì)觸發(fā)前和觸發(fā)后間隔進(jìn)行編程。采集的段數(shù)僅受所用內(nèi)存的限制，在使用先進(jìn)先出（FIFO）采集模式時(shí)不受限制。與多個(gè)觸發(fā)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在采集存儲(chǔ)器中的連續(xù)段中。不記錄與事件之間的死區(qū)時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)。每個(gè)觸發(fā)事件都帶有時(shí)間戳，因此可以知道每個(gè)觸發(fā)的精確位置。

4.大規(guī)模MIMO測(cè)試方案

（1）多路信號(hào)同步采集：

在6G時(shí)代，MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)將發(fā)揮至關(guān)重要的作用，實(shí)現(xiàn)分布式超大規(guī)模MIMO要將數(shù)據(jù)和信道狀態(tài)信息在參與傳輸?shù)恼军c(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互，要求站點(diǎn)之間具有高速連接，且各個(gè)通道間需要具有很高的同步精度。針對(duì)信號(hào)同步的數(shù)字化采集需求，德思特提出了多路信號(hào)同步數(shù)字采集的方案：

首先對(duì)多路信號(hào)輸入采集板卡或者說(shuō)對(duì)MIMO系統(tǒng)信號(hào)的數(shù)字采集來(lái)說(shuō)，往往需要非常多的通道，此時(shí)一張板卡的通道數(shù)可能不足以覆蓋所有的輸入信號(hào)。因此德思特同步采集方案中提出了使用德思特特有的Star-Hub模塊，連接8塊數(shù)字化儀。例如，將8個(gè)M4i系列數(shù)字化儀與Star Hub連接在一起，可以創(chuàng)建一個(gè)最多有32個(gè)完全同步通道的系統(tǒng)。Star Hub在所有板之間分配觸發(fā)和時(shí)鐘信息。因此，所有連接的板都使用相同的時(shí)鐘和相同的觸發(fā)器運(yùn)行，任何通道之間都沒(méi)有相位延遲。所有觸發(fā)源可以通過(guò)邏輯或組合，允許所有卡的所有通道同時(shí)成為觸發(fā)源。多通道的能力允許數(shù)字化儀同時(shí)應(yīng)用于多個(gè)通信通道，或創(chuàng)建用于天線(xiàn)和傳播研究的測(cè)量通道陣列。

（2）大規(guī)模無(wú)線(xiàn)衰落仿真

無(wú)線(xiàn)衰落仿真可以幫助通信工程師在設(shè)計(jì)和優(yōu)化通信系統(tǒng)時(shí)考慮到多徑衰落及相關(guān)的解決方案。同時(shí)在實(shí)施新的通信方案之前，可能需要驗(yàn)證其可行性。通過(guò)無(wú)線(xiàn)衰落仿真，可以預(yù)測(cè)新方案在實(shí)際無(wú)線(xiàn)信道中的性能，從而評(píng)估其可行性。

針對(duì)無(wú)線(xiàn)衰落仿真方案，德思特提出以下解決方案，在信號(hào)輸入端，通常有各種各樣的信號(hào)，以及不同的信號(hào)可能需要不同的組合來(lái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)衰落模擬，所以在信號(hào)輸入與衰減矩陣中，可以根據(jù)客戶(hù)應(yīng)用，加上或者去掉此開(kāi)關(guān)矩陣。信號(hào)通過(guò)衰減矩陣時(shí)，可以通過(guò)編程，任意衰減每一通道的信號(hào)強(qiáng)度，以此模擬信號(hào)幅度的衰落。

測(cè)試案例

客戶(hù)需要測(cè)試他們多端口WIFI信號(hào)接收模塊的性能，使用衰減器模擬環(huán)境中信號(hào)的衰減，當(dāng)路由器信號(hào)被衰減器衰減后，信號(hào)通過(guò)天線(xiàn)或者線(xiàn)纜到接收測(cè)試模塊，客戶(hù)通過(guò)編程衰減曲線(xiàn)，模擬真實(shí)衰減，同時(shí)測(cè)試當(dāng)前信道情況的WIFI信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

5.總結(jié)

在面向6G/星地融合的高速測(cè)試解決方案的探索中，德思特深入研究了射頻測(cè)試的挑戰(zhàn)、衛(wèi)星通信測(cè)試方案、雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試方案以及大規(guī)模MIMO測(cè)試方案。這些方案不僅提供了對(duì)6G技術(shù)的深入理解，也提供了一種全新的測(cè)試方法，使大家能夠更好地應(yīng)對(duì)未來(lái)的挑戰(zhàn)。

總的來(lái)說(shuō)，6G將帶領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代，這個(gè)時(shí)代將充滿(mǎn)無(wú)限的可能性和機(jī)遇。然而，要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要有強(qiáng)大的測(cè)試工具和方法。德思特的高速測(cè)試解決方案為工程師提供了這樣的工具和方法，使工程師能夠更好地理解和應(yīng)對(duì)6G的挑戰(zhàn)！