為實(shí)現下一個(gè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的突破鋪平道路

無(wú)線(xiàn)創(chuàng )新的步伐越來(lái)越快，從而在全球范圍內實(shí)現了更快、更靈敏、更可靠的互聯(lián)。無(wú)線(xiàn)通信行業(yè)已經(jīng)準備就緒，迎接多個(gè)系統中的重大技術(shù)變革。為提高數據吞吐量，蜂窩通信從 4G 升級到 5G，而衛星通信提供商則在太空建設網(wǎng)絡(luò )，志在為全球每一個(gè)角落提供高速通信。無(wú)線(xiàn)工程師希望在技術(shù)層面實(shí)現突破，從而最大限度提高系統吞吐量，打造穩健的鏈路和數據處理能力。對于無(wú)線(xiàn)系統物理層而言，關(guān)鍵技術(shù)涉及更大的帶寬、更高階的調制方案以及無(wú)線(xiàn)系統中的多天線(xiàn)技術(shù)。

是德科技公司產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Eric Hsu

更大的信號帶寬

由于可供分配的頻譜有限，標準開(kāi)發(fā)組織希望在更高頻段提供更大帶寬。例如，5G 新空口（NR）Rel-15 中規定的頻率范圍 2（FR2）為 24.25 GHz 至 52.6 GHz，最大信道帶寬為 400 MHz。Rel-16 在 5 GHz 和 6 GHz 頻率范圍引入了免許可頻段。到 2022 年年中，3GPP Rel-17 將把免許可頻段的頻譜范圍擴展到 71 GHz。

衛星通信為電視、電話(huà)、寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和軍事通信提供連通性。衛星可以在 L 頻段到 Ka 頻段之間許多頻段運行。國際電信聯(lián)盟（ITU）將 W 頻段中的 71 至 76 GHz 以及 81 至 86 GHz 分配給了衛星業(yè)務(wù)。商業(yè)衛星運營(yíng)商希望在這些頻段獲得更大帶寬。2021 年 6 月 30 日，一顆搭載 W 頻段無(wú)線(xiàn)發(fā)射機的衛星成功發(fā)射上天。在不遠的將來(lái)，我們有望見(jiàn)證 W 頻段的更多商業(yè)項目。

毫米波頻段可提供更多可用帶寬。大帶寬可以實(shí)現高吞吐量數據和低時(shí)延，但增加的帶寬也會(huì )帶來(lái)更多噪聲，從而影響系統性能。無(wú)線(xiàn)工程師需要管理寬帶通信的噪聲問(wèn)題。除了產(chǎn)生更多系統噪聲外，在更高頻段擴大帶寬還會(huì )給設計和測試帶來(lái)路徑損耗、頻率響應和相位噪聲等其他挑戰。

更高階的調制方案

更高階的調制方案能夠在不增加信號帶寬的情況下提高數據速率，而各符號間隔更近，從而對噪聲也更敏感。隨著(zhù)調制密度增加，器件需要更好的調制質(zhì)量。表 1 列出了 3GPP Rel-16 技術(shù)規范 38.141 中針對 5G NR 基站規定的誤差矢量幅度（EVM）要求。3GPP 也在考慮采用對設計和測試裕量有更嚴格要求的 1,024 QAM。

表1 5G NR 基站發(fā)射機測試中的調制質(zhì)量要求

更大的信號帶寬和更高階的調制方案都能提高吞吐量。但是，更大帶寬并不一定意味著(zhù)更高的系統容量。您必須考慮通信系統的信噪比（SNR）。適當的 SNR 對于維護通信鏈路非常關(guān)鍵。帶寬越大，帶給系統的噪聲就越多；調制方案越高階，則越容易受到噪聲的影響。您需要傳輸沒(méi)有失真的大功率信號并降低系統噪聲，才能維持通信鏈路的性能。要想對設計進(jìn)行測試，您需要準確表征圖 1 中所示的每一個(gè)元器件和每一個(gè)子系統。

圖1 通過(guò)激勵響應測量準確驗證射頻元器件

多天線(xiàn)技術(shù)

商業(yè)應用以及航空航天與國防采用的大多數無(wú)線(xiàn)系統都通過(guò)在接收機和/或發(fā)射機上應用多天線(xiàn)技術(shù)來(lái)提高系統整體性能。這些技術(shù)包括空間分集、空間復用和波束賦形。工程師采用多天線(xiàn)技術(shù)來(lái)實(shí)現分集、多路復用或天線(xiàn)增益。這樣的技術(shù)有助于提高無(wú)線(xiàn)系統接收機的數據吞吐量和 SNR。例如，5G NR 在 FR1 中就使用了 8 個(gè)空間流，從而在不增加信號帶寬的情況下提高頻譜效率。3GPP 因此在技術(shù)規范（TS）38.141-1 中針對 5G NR 基站定義了如何使用多空間流進(jìn)行性能測試。測試需要多達兩根發(fā)射機天線(xiàn)和八根接收機天線(xiàn)，每個(gè)測試例均應用特定的傳播條件、相關(guān)矩陣和 SNR。圖 2 展示了一個(gè)用于兩根發(fā)射機天線(xiàn)和四根接收機天線(xiàn)的 5G 基站性能多路輸入多路輸出（MIMO）測試配置，可以提供混合自動(dòng)重復請求（HARQ）反饋。

圖2 使用四通道信號發(fā)生器測試 5G NR 基站性能的測試設置

與IEEE 802.11ax相比，新一代 Wi-Fi 標準 IEEE 802.11be（Wi-Fi 7）可提供兩倍信號帶寬、16 個(gè)空間流和四倍的調制方案密度。它們共同提供高達 40 Gbps 的數據速率。表 2 列出了 IEEE 802.11 物理層的重大變更。

表2 IEEE 802.11標準

要想對使用空間分集、空間復用和多個(gè)天線(xiàn)陣列技術(shù)的多天線(xiàn)系統進(jìn)行測試，您需要一個(gè)能夠提供多通道信號并且信號之間具有穩定相位關(guān)系的測試系統。然而，商用信號發(fā)生器采用單獨的合成器將中頻（IF）信號上變頻為射頻信號。測試系統必須在通道之間提供精確的時(shí)序同步，才能仿真多通道測試信號。測試信號之間的相位必須相干且可控。圖 3 展示了一個(gè)完全集成并經(jīng)過(guò)校準和同步的信號生成和分析解決方案，可以幫助您最大限度降低多天線(xiàn)測試的測量不確定度。

圖3 采用Keysight M9484C VXG四通道矢量信號發(fā)生器和四端口示波器的多通道測試解決方案

總結

5G、衛星和 Wi-Fi 等新一代無(wú)線(xiàn)通信系統需要更高的頻率、更大的帶寬、更復雜的調制方案和多天線(xiàn)設計。這將幫助您應對新的設計和測試挑戰，例如增加的測試復雜性、測量不確定度、過(guò)多的路徑損耗和噪聲，而這些都會(huì )影響設備性能。

為了應對這些挑戰，您需要一個(gè)可擴展的測試解決方案，從而準確、輕松地支持更大頻率覆蓋范圍、更大帶寬和多通道應用。借助完全集成并經(jīng)過(guò)校準和同步的解決方案，您能夠降低測試復雜性，迅速獲得可重復的準確結果。