為實現(xiàn)下一個無線技術的突破鋪平道路

　  作者：是德科技公司產品營銷經理Eric Hsu

　　無線創(chuàng)新的步伐越來越快，從而在全球范圍內實現(xiàn)了更快、更靈敏、更可靠的互聯(lián)。無線通信行業(yè)已經準備就緒，迎接多個系統(tǒng)中的重大技術變革。為提高數(shù)據(jù)吞吐量，蜂窩通信從4G升級到5G，而衛(wèi)星通信提供商則在太空建設網絡，志在為全球每一個角落提供高速通信。無線工程師希望在技術層面實現(xiàn)突破，從而最大限度提高系統(tǒng)吞吐量，打造穩(wěn)健的鏈路和數(shù)據(jù)處理能力。對于無線系統(tǒng)物理層而言，關鍵技術涉及更大的帶寬、更高階的調制方案以及無線系統(tǒng)中的多天線技術。

　　更大的信號帶寬

　　由于可供分配的頻譜有限，標準開發(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(guī)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(wèi)星通信為電視、電話、寬帶互聯(lián)網業(yè)務和軍事通信提供連通性。衛(wèi)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(wèi)星業(yè)務。商業(yè)衛(wèi)星運營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頻段無線發(fā)射機的衛(wèi)星成功發(fā)射上天。在不遠的將來，我們有望見證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。大帶寬可以實現(xiàn)高吞吐量數(shù)據(jù)和低時延，但增加的帶寬也會帶來更多噪聲，從而影響系統(tǒng)性能。無線工程師需要管理寬帶通信的噪聲問題。除了產生更多系統(tǒng)噪聲外，在更高頻段擴大帶寬還會給設計和測試帶來路徑損耗、頻率響應和相位噪聲等其他挑戰(zhàn)。

　　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(shù)據(jù)速率，而各符號間隔更近，從而對噪聲也更敏感。隨著調制密度增加，器件需要更好的調制質量。表1列出了3GPP Rel-16技術規(guī)范38.141中針對5G NR基站規(guī)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更高的系統(tǒng)容量。您必須考慮通信系統(tǒng)的信噪比（SNR）。適當?shù)腟NR對于維護通信鏈路非常關鍵。帶寬越大，帶給系統(tǒng)的噪聲就越多；調制方案越高階，則越容易受到噪聲的影響。您需要傳輸沒有失真的大功率信號并降低系統(tǒng)噪聲，才能維持通信鏈路的性能。要想對設計進行測試，您需要準確表征圖1中所示的每一個元器件和每一個子系統(tǒng)。

　　圖1.通過激勵響應測量準確驗證射頻元器件。

　　多天線技術

　　商業(yè)應用以及航空航天與國防采用的大多數(shù)無線系統(tǒng)都通過在接收機和/或發(fā)射機上應用多天線技術來提高系統(tǒng)整體性能。這些技術包括空間分集、空間復用和波束賦形。工程師采用多天線技術來實現(xiàn)分集、多路復用或天線增益。這樣的技術有助于提高無線系統(tǒng)接收機的數(shù)據(jù)吞吐量和SNR。例如，5G NR在FR1中就使用了8個空間流，從而在不增加信號帶寬的情況下提高頻譜效率。3GPP因此在技術規(guī)范（TS）38.141-1中針對5G NR基站定義了如何使用多空間流進行性能測試。測試需要多達兩根發(fā)射機天線和八根接收機天線，每個測試例均應用特定的傳播條件、相關矩陣和SNR。圖2展示了一個用于兩根發(fā)射機天線和四根接收機天線的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(shù)據(jù)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、空間復用和多個天線陣列技術的多天線系統(tǒng)進行測試，您需要一個能夠提供多通道信號并且信號之間具有穩(wěn)定相位關系的測試系統(tǒng)。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(tǒng)必須在通道之間提供精確的時序同步，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展示了一個完全集成并經過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(wèi)星和Wi-Fi等新一代無線通信系統(tǒng)需要更高的頻率、更大的帶寬、更復雜的調制方案和多天線設計。這將幫助您應對新的設計和測試挑戰(zhàn)，例如增加的測試復雜性、測量不確定度、過多的路徑損耗和噪聲，而這些都會影響設備性能。

　　為了應對這些挑戰(zhàn)，您需要一個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。借助完全集成并經過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。