解析4G至5G無(wú)線(xiàn)通信測試及射頻儀器的那些事

　　一、無(wú)線(xiàn)通信測試概要

　　無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等幾乎所有的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節，貫穿于設計研發(fā)、認證驗收、生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò )建設與優(yōu)化等幾乎完整產(chǎn)業(yè)生命周期。

　　設計與研發(fā)是使用測試儀器種類(lèi)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?jì)x器，以及信道模擬器、終端模擬器、基站模擬器等專(zhuān)用高端測試儀器；在認證與驗收階段，主要測試設備包括RF一致性測試系統、協(xié)議一致性測試系統、RRM一致性測試系統；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 )建設與優(yōu)化階段，發(fā)射機、掃頻儀、手持頻譜儀等各類(lèi)工程儀表是常用的測量工具。

　　二、4G無(wú)線(xiàn)通信測試現狀

　　接下來(lái)從系統設備測試、芯片與終端測試、射頻測試和網(wǎng)規網(wǎng)優(yōu)測試四個(gè)角度談?wù)?G無(wú)線(xiàn)通信測試現狀。

　　1、4G系統設備測試——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備研發(fā)、生產(chǎn)和一致性測試的高端通用電子測量?jì)x器，它們的技術(shù)特點(diǎn)主要體現在以下幾個(gè)方面。

　　第一，頻率方面，通過(guò)PLL、DDS、小數分頻、分頻倍頻來(lái)支持從數kHz-數GHz的寬頻帶連續覆蓋，頻率分辨率能達到0.01Hz，此外頻譜純度高，諧波抑制、雜散與噪聲處理能達到較高的指標要求；

　　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(dòng)態(tài)范圍，0.01dB的高分辨率，以及《±1dB的精度指標，線(xiàn)性度好、大幅度衰減少、串擾及噪聲抑制性能優(yōu)異，并采用自動(dòng)電平控制和溫度補償；

　　第三，矢量性能方面，隨著(zhù)3G到5G時(shí)代帶寬需求的大幅提升，實(shí)現大帶寬面臨幅相一致性的補償、ADC的高采樣率與高位寬的矛盾、FPGA在高時(shí)鐘頻率下設計難度成倍的提升、幾十Gbps高速數據傳輸如何保障等一系列技術(shù)難點(diǎn)；

　　第四，工程化開(kāi)發(fā)方面，為了保障測試的高可靠性，操作系統、數字電路、射頻電路所組成的混合系統較為復雜；

　　第五，應用開(kāi)發(fā)方面，矢量信號源與分析儀通?；诮y一的平臺來(lái)支持多種通信制式下的多重應用，如無(wú)線(xiàn)通信（2G/3G/4G/4.5G/5G，IEEE 802.11xx），衛星導航、無(wú)線(xiàn)電等。新的應用也驅動(dòng)著(zhù)儀表的技術(shù)演進(jìn)。

　　第六、通道數方面，隨著(zhù)MIMO技術(shù)的應用，多通道MIMO信號源與分析儀也是技術(shù)演進(jìn)的方向之一，當然也對儀表系統的可靠性、電磁兼容設計等帶來(lái)挑戰。

　　2、4G系統設備測試——無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)信道模擬器。

　　信道是無(wú)線(xiàn)通信物理層技術(shù)研究的基礎之一，MIMO信道近些年來(lái)一直是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。MIMO信道模擬器是在實(shí)驗室條件下精確可重復地模擬復雜的無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境的儀器。它與信號源、信號分析儀有一些類(lèi)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和多通道射頻一致性提出了很高要求；由于MIMO信道的復雜性，數學(xué)模型的實(shí)現對于基帶運算資源、數據交互速率等等要求很高，因此，基帶與算法架構的設計極為重要。

　　另外，隨著(zhù)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也在逐步演進(jìn)。

　　3、4G芯片與終端測試——綜測儀

　　4G時(shí)期，隨著(zhù)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，芯片的處理器核數也發(fā)展到64位應用處理器芯片或者8核處理方案。

　　4G時(shí)代的手機，多模多頻的能力持續加強，2G/3G以及LTE（TDD/FDD）的全模支持能力需求也持續在增長(cháng)；同時(shí)，手機的Bluetooth/GPS/WIFI以及NFC的通信需求也在不斷增加；射頻方面，手機的頻點(diǎn)和帶寬能力覆蓋了2/3/4G技術(shù)各個(gè)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。

　　為了適應這些芯片與終端的發(fā)展，傳統的綜測技術(shù)也需要進(jìn)行相應的革新：為了滿(mǎn)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，以適應終端研發(fā)過(guò)程對于網(wǎng)絡(luò )側模擬的要求，同時(shí)終端測試儀表應具備通過(guò)集成和開(kāi)放接口搭建射頻/協(xié)議/RRM一致性測試系統的能力；

　　此外，由于測試頻段、帶寬、通道數大幅擴展，綜測儀表射頻能力需要支持從400M到6GHz的測試頻率， 滿(mǎn)足各個(gè)工作頻段下的精度以及性能的一致性和穩定性，并通過(guò)功能擴展實(shí)現多載波聚合以及多通路MIMO的驗證能力；

　　針對終端生產(chǎn)過(guò)程中對于效率和成本的要求，手機綜測儀的產(chǎn)線(xiàn)測試技術(shù)已經(jīng)從傳統的信令綜測轉為速度更快的非信令模式，而且手機的全頻段校準和全制式綜測一站式成為手機產(chǎn)線(xiàn)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(lái)測量射頻器件的S參數，具備高性能、大動(dòng)態(tài)、低噪聲的優(yōu)勢，廣泛應用于移動(dòng)通信、軍工雷達、半導體、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(shí)代的射頻器件形態(tài)多樣，有半導體芯片、濾波器、RF連接器以及天線(xiàn)等。矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀也不再局限于S參數的測量，還具備插入損耗IL、駐波比VSWR、Smith圖的測量功能，為RF器件、半導體及終端天線(xiàn)提供最基本的性能檢測。

　　近年來(lái)，矢網(wǎng)主要發(fā)展方向包括：非線(xiàn)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 )規劃與優(yōu)化測試

　　掃頻儀、發(fā)射機、手持式頻譜儀和手持式天饋線(xiàn)分析儀等儀表廣泛應用于室外模擬測試和室內覆蓋測試。其中，室外模擬測試包括傳播模型校正和基站覆蓋測試；室內覆蓋測試則主要包含了室分系統設計驗證及系統驗收。

　　掃頻儀具有掃描速度快、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大和獨立于網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試等突出特點(diǎn)；發(fā)射機則經(jīng)歷了從發(fā)射連續波到發(fā)射簡(jiǎn)單導頻再到模擬基站的發(fā)展歷程，支持遠程可控；手持式頻譜儀用于頻譜分析、干擾排查等，能夠解調參數從而進(jìn)行各種信道的分析，具有寬頻帶、高動(dòng)態(tài)、便攜性等突出優(yōu)勢；手持式天饋線(xiàn)分析儀用于查找天饋線(xiàn)的問(wèn)題，測量距離大，方便靈活。

　　網(wǎng)規網(wǎng)優(yōu)測試屬于工程測試領(lǐng)域，對儀表的要求，除了滿(mǎn)足基本的測試功能以外，正向著(zhù)便攜化、易操作、大數據傳感的方向發(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大規模MIMO數字多波束測試、Massive MIMO 陣列天線(xiàn)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(shí)代最重要的通用測量?jì)x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(shí)支持500MHz甚至數GHz的矢量信號帶寬。

　　實(shí)現數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(kāi)發(fā)，高動(dòng)態(tài)高采樣率的ADC，高速FPGA和DSP信號處理平臺，以及高吞吐量數據交換。頻率覆蓋方面，國外高端矢量信號源頻率已達到44GHz，矢量信號分析儀工作頻率可達85GHz；調制帶寬方面，RS公司的矢量信號源SMW200A內調制帶寬最高可達2GHz。

　　目前，國內儀表廠(chǎng)商在這一領(lǐng)域尚未取得重大進(jìn)展，希望未來(lái)能通力合作，突破技術(shù)瓶頸，彌補市場(chǎng)空白。

　　2、5G大規模MIMO數字多波束陣測試

　　針對5G大規模MIMO的數字多波束陣基于數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，具有靈活的空間復用能力和較低的用戶(hù)間干擾。

　　傳統的天線(xiàn)測量系統基于信號源和矢網(wǎng)，而數字多波束方案從原理和技術(shù)層面都使得傳統的天線(xiàn)測量系統無(wú)法復用：傳統表征天線(xiàn)性能的指標，不再適合描述數字多波束陣列；未來(lái)Tx/Rx組件與天線(xiàn)單元高度集成，無(wú)法單獨測量; 數字與模擬的混合導致的非線(xiàn)性特性使得天線(xiàn)測量成為系統性能測量。

　　3、Massive MIMO陣列天線(xiàn)測試

　　作為5G的關(guān)鍵使能技術(shù)之一，大規模天線(xiàn)技術(shù)不可避免地為天線(xiàn)測試帶來(lái)一系列挑戰。傳統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(zhù)測試速度慢與通道校準復雜的弊端，此外由于矩陣開(kāi)關(guān)的引入，導致動(dòng)態(tài)范圍等性能惡化。

　　Massive MIMO天線(xiàn)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(shí)測試多端口的S參數，有效減少了測量時(shí)間；同時(shí)，每個(gè)測試端口都配備獨立的源、參考接收機和測量接收機，可并行測試多個(gè)被測件。

　　多端口矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的主要技術(shù)難點(diǎn)包括大規模多端口幅相一致性的快速校準問(wèn)題、多通道間的串擾抑制問(wèn)題以及并行多路信號實(shí)時(shí)同步的處理方法等。

　　4、NB-IoT測試

　　隨著(zhù)2016年7月標準凍結，NB-IoT作為新一代物聯(lián)網(wǎng)，具有廣泛的應用前景。

　　目前國內支持NB-IoT 技術(shù)的測試設備相對較少，亟需低成本、高指標的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)，寬帶脈內穩幅技術(shù)可用來(lái)實(shí)現寬帶信號的穩定輸出，變頻跟蹤濾波技術(shù)可用來(lái)實(shí)現全頻段雜散大幅度抑制，寬帶小數內插技術(shù)能夠實(shí)現矢量信號精確測量。

　　5、5G信道模擬器

　　5G信道模擬器將在多通道（64、128甚至更多）的基礎上，實(shí)現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。目前國際上現有信道模擬器在工作頻率、通道數和帶寬等關(guān)鍵指標上無(wú)法滿(mǎn)足5G需求。

　　但這幾年，國內已經(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、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。