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5G毫米波和超寬帶信號的驗證和測試

作者: 時(shí)間:2016-12-27 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

  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。

本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201612/334112.htm

  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。



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