5G毫米波和超寬帶信號的驗證和測試

　　第五代移動(dòng)通信系統實(shí)現超高數據傳輸目標的核心技術(shù)是采用毫米波頻段和高達500MHz-4GHz的超寬帶信號調制，遠遠超過(guò)目前最新的4G和WLAN技術(shù)所使用的頻率范圍和調制帶寬，給目前的5G研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提出了很大的挑戰，需要研發(fā)全新的器件、模塊、基帶、和射頻微波系統，但是目前針對無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的標準以及驗證和測試方法都是在6GHz以下的RF頻段以及160MHz以?xún)鹊恼{制帶寬，缺乏成熟有效同時(shí)具備一流性能指標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(zhuān)門(mén)為5G先進(jìn)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)而設計的驗證測試平臺，基于是德科技SystemVue系統設計仿真軟件，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4GHz帶寬的5G物理層信號，如FBMC等。該系統提供一種漸變快速的超寬帶硬件線(xiàn)性失真校正方法，使測量系統實(shí)現了目前業(yè)界最佳的矢量誤差特性。該系統可用于協(xié)助5G物理層算法開(kāi)發(fā)和驗證、毫米波和超寬帶器件和模塊的設計和調試，5G信道建模和驗證，初期的發(fā)射機和接收機測試也驗證，也可用過(guò)國防和航空航天、電子戰、雷達等超寬帶信號產(chǎn)生與分析，具備良好的靈活性和可擴展性。

　　1、引言： 目前5G面臨的技術(shù)研究和測試驗證的挑戰

　　無(wú)線(xiàn)通信的演進(jìn)已經(jīng)經(jīng)歷了4代，最早出現的是模擬通信，只能傳輸語(yǔ)音業(yè)務(wù)，2G以GSM為主，主要傳輸語(yǔ)音和低速的數據業(yè)務(wù)，3G包括WCDMA和TD-S等，初步實(shí)現了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)操作，推動(dòng)了智能手機的普及，4GLTE實(shí)現了高速無(wú)線(xiàn)接入和豐富的多媒體應用，而5G將給無(wú)線(xiàn)通信帶來(lái)革命性的飛躍，5G的核心目標就是要實(shí)現超高速的數據傳輸，傳輸速率達到幾個(gè)G甚至10G比特率，從而徹底解決現在移動(dòng)通信的速率瓶頸。為了實(shí)現超高速數據傳輸的目標，5G需要采用全新的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，由于頻率資源和帶寬問(wèn)題，需要使用更高的頻段，例如毫米波，調制帶寬會(huì )從現在的幾十M跨越到 500 M到3GHz，而且還會(huì )使用新的物理層技術(shù)包括調制編碼和多址接入，所以針對5G關(guān)鍵技術(shù)的研究和驗證是目前的主要任務(wù)。

　　目前針對5G的研究和測試驗證主要面臨3大挑戰，首先是軟件方面如何簡(jiǎn)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是需要全面的驗證和測試能力，比如系統級驗證和軟件硬件甚至模塊的驗證和測試。

　　2、5G毫米波和超寬帶信號驗證測試平臺

　　為了應對5G帶來(lái)的挑戰，幫助客戶(hù)快速進(jìn)入5G先進(jìn)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)，是德科技已經(jīng)構建了一套5G驗證測試平臺，基于是德科技SystemVue系統設計軟件，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(guò)500M帶寬的5G物理層信號，如FBMC等，進(jìn)行系統級和軟硬件模塊的驗證和測試。該平臺提供一種簡(jiǎn)便快速的超寬帶硬件線(xiàn)性失真校正方法，使測試系統實(shí)現了目前業(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(kāi)發(fā)和驗證，毫米波和超寬帶器件和模塊的設計和調試，5G信道建模和驗證，初期的發(fā)射機和接收機測試和驗證，應用非常廣泛，具備良好的靈活性和可擴展性。

　　2.1 基于SystemVue的5G FBMC參考庫

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

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

　　處理將QAM信號轉換為Offset QAM，主要包含2個(gè)步驟，首先是將QAM符號從復數轉為實(shí)部和虛部?jì)蓚€(gè)實(shí)數，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，對于連續的Sub-channel，假定為m（偶數序號）和m+1（奇數序號），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(guò)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K決定，混疊系數K可以表述為濾波器的沖激響應時(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)射機模型中還插入了Preamble和Pilot信號，在接收機模型中基于Preamble和Pilot提供了時(shí)間和頻率同步，信道估計和均衡修正，Pilot相位跟蹤修正等功能，這樣就可以實(shí)現與硬件儀表連接構建實(shí)際的發(fā)射機和接收機

　　2.2驗證測試平臺的結構和組成儀表介紹

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

　　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）和信號接收分析（接收機）。

　　發(fā)射機硬件由M8190A寬帶任意波形發(fā)生器和E8267D PSG微波矢量信號源構成。M8190A是基于A(yíng)XIe架構的模塊化儀表，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，采樣率可以靈活調整，并內置數字上變頻DUC功能。為了實(shí)現毫米波頻段信號產(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，不僅具備內置的基帶信號發(fā)生器，同時(shí)可以包含寬帶IQ信號調制器，標稱(chēng)寬帶IQ調制帶寬為2GHz，實(shí)際測試表明E8267D PSG輸出的IQ調制帶寬實(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(mǎn)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。

　　接收機硬件可以選擇N9040B UXA或90000系列高帶寬示波器兩種類(lèi)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解調分析帶寬和實(shí)時(shí)頻譜測量帶寬都達到業(yè)界最高的510MHz，具備全帶寬內14bit量化，IQ帶寬內無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)75dBc，相噪指標也達到了業(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(dòng)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63GHz的接收和分析帶寬，可以滿(mǎn)足更高帶寬的需要。

　　3、5G平臺實(shí)現的驗證和測試

　　3.1 毫米波超寬帶信號產(chǎn)生和線(xiàn)性失真校正

　　目前在這個(gè)5G毫米波和超寬帶驗證測試平臺上已經(jīng)構建了覆蓋5G主要帶寬要求的發(fā)射信號模型，包括基于FBMC調制的500MHz帶寬，1GHz帶寬，2GHz帶寬，3GHz帶寬和4GHz帶寬信號，子載波調制方式包括QPSK，16QAM和64QAM，載波頻率最高可達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所示的例子是該驗證測試平臺產(chǎn)生的載波頻率為20GHz，調制帶寬為4GHz，調制方式為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調制帶寬信號明顯存在帶內不平坦現象，主要是寬帶IQ調制器存在的線(xiàn)性失真，會(huì )明顯影響發(fā)射信號的矢量誤差。為提高超寬帶發(fā)射機的調制質(zhì)量，該平臺采用了一種簡(jiǎn)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制信號，調制方式可以選擇QPSK或16QAM，其中16QAM效果較好，然后采用矢量信號分析儀解調測量EVM，并通過(guò)均衡器計算并提取頻率響應曲線(xiàn)的矢量值，然后再對基帶信號進(jìn)行預失真處理。典型的寬帶16QAM信號解調和均衡器計算頻率響應的曲線(xiàn)如下圖5所示

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

　　3.25G收發(fā)信機系統級吞吐率驗證

　　驗證測試平臺的核心是通過(guò)軟件和硬件構建了完整5G發(fā)射機和接收機，因此可以完成比較全面的5G驗證和測試，既可以做系統級性能驗證，算法驗證，也可以測試發(fā)射機和接收機指標，還可以驗證和調試5G元器件。系統級驗證主要是通過(guò)誤碼率BER或吞吐率等指標來(lái)反映5G系統在各種參數條件和傳播條件下的性能，下面是兩種典型調制帶寬和調制格式參數系統在A(yíng)WGN信道條件下的驗證結果，其中使用的指標是吞吐率，系統物理層理論的峰值吞吐率計算方法如下：

　　考慮誤碼率BER后的實(shí)際數據吞吐率計算方法如下：

　　第1個(gè)實(shí)例是在20GHz載波頻率和500MHz調制帶寬驗證了系統級吞吐率，信號載波頻率為20GHz，調制帶寬為500MHz，調制方式為FBMC 64QAM，AWGN信道，信噪比從0-20dB變化，圖7所示為系統級吞吐率Throughput與信噪比SNR的關(guān)系曲線(xiàn)，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調制帶寬驗證了系統級吞吐率，信號載波頻率為20GHz，調制帶寬為4GHz，調制方式為FBMC 16QAM，AWGN信道，信噪比從10-35dB變化，圖8所示為系統級吞吐率Throughput與信噪比SNR的關(guān)系曲線(xiàn)，可以看到吞吐率Throughput約為7.4Gbps到9.3Gbps。

　　我們已經(jīng)通過(guò)5G驗證測試平臺實(shí)現了基于5G FBMC調制技術(shù)，使用毫米波頻率，超過(guò)500M甚至高達4GHz的超寬帶信號的發(fā)射和接收，實(shí)現了接近10G比特率的數據吞吐率。這套5G測試驗證平臺可以完全滿(mǎn)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(hù)應對5G測試和系統驗證的挑戰。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)提供系統級驗證和測試能力，包括誤碼率，EVM和吞吐率等。