為實現(xiàn)下一個無線技術(shù)的突破鋪平道路

無線創(chuàng)新的步伐越來越快，從而在全球范圍內(nèi)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(jīng)準(zhǔn)備就緒，迎接多個系統(tǒng)中的重大技術(shù)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(shè)網(wǎng)絡(luò)，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(shù)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(guān)鍵技術(shù)涉及更大的帶寬、更高階的調(diào)制方案以及無線系統(tǒng)中的多天線技術(shù)。

是德科技公司產(chǎn)品營銷經(jīng)理Eric Hsu

更大的信號帶寬

由于可供分配的頻譜有限，標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)業(yè)務(wù)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(wù)。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(chǎn)生更多系統(tǒng)噪聲外，在更高頻段擴大帶寬還會給設(shè)計和測試帶來路徑損耗、頻率響應(yīng)和相位噪聲等其他挑戰(zhàn)。

更高階的調(diào)制方案

更高階的調(diào)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(diào)制密度增加，器件需要更好的調(diào)制質(zhì)量。表 1 列出了 3GPP Rel-16 技術(shù)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(shè)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(diào)制質(zhì)量要求。

更大的信號帶寬和更高階的調(diào)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(dāng)?shù)?SNR 對于維護通信鏈路非常關(guān)鍵。帶寬越大，帶給系統(tǒng)的噪聲就越多;調(diào)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(shè)計進行測試，您需要準(zhǔn)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(yīng)測量準(zhǔn)確驗證射頻元器件。

多天線技術(shù)

商業(yè)應(yīng)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(yīng)用多天線技術(shù)來提高系統(tǒng)整體性能。這些技術(shù)包括空間分集、空間復(fù)用和波束賦形。工程師采用多天線技術(shù)來實現(xiàn)分集、多路復(fù)用或天線增益。這樣的技術(shù)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(shù)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(yīng)用特定的傳播條件、相關(guān)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(fù)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(shè)置。

與 IEEE 802.11ax 相比，新一代 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn) 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(diào)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(biāo)準(zhǔn)。

要想對使用空間分集、空間復(fù)用和多個天線陣列技術(shù)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(guān)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(jīng)過校準(zhǔn)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(jié)

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(fù)雜的調(diào)制方案和多天線設(shè)計。這將幫助您應(yīng)對新的設(shè)計和測試挑戰(zhàn)，例如增加的測試復(fù)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(shè)備性能。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，您需要一個可擴展的測試解決方案，從而準(zhǔn)確、輕松地支持更大頻率覆蓋范圍、更大帶寬和多通道應(yīng)用。借助完全集成并經(jīng)過校準(zhǔn)和同步的解決方案，您能夠降低測試復(fù)雜性，迅速獲得可重復(fù)的準(zhǔn)確結(jié)果。