測量解決方案之毫米波無線回程

概述

回程在電信網(wǎng)絡(luò)中具有舉足輕重的的作用，它主要由核心網(wǎng)或骨干網(wǎng)與處于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)末端的小型子網(wǎng)之間的中間鏈路組成。在微波移動(dòng)/ 無線網(wǎng)絡(luò)中有三種類型的回程：宏基站Macrocell、小基站small cell和femtocell。Femtocell 回程通常使用寬帶接入技術(shù)，不在本應(yīng)用指南的討論范圍內(nèi)。Small cell 回程負(fù)責(zé)在室外smallcell 和連接到macro cell 回程網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)或連接到廣域網(wǎng)(WAN)/互聯(lián)網(wǎng)/ 城域網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)。它包括兩端的設(shè)備，以及中間的網(wǎng)格或串行設(shè)備。

目前有許多不同的回程技術(shù)可供運(yùn)營商選擇，E-band 就是其中之一。這個(gè)頻段頻譜資源豐富，大氣衰減相對(duì)較低，且在部分國家已擁有頻譜許可證，因此是目前微波回程的最佳選擇。在全球廣泛部署的E-band點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視距微波無線通信系統(tǒng) —又稱為毫米波(mmWave) 無線通信系統(tǒng) — 在還未獲許可的57-64 GHz 頻段( 數(shù)據(jù)速率高達(dá)1 Gbps)、已獲得許可證的71-86 GHz 頻段和92-95 GHz 頻段( 數(shù)據(jù)速率高達(dá)10 Gbps) 上工作。因此，非常適合在應(yīng)用于人口稠密的城市環(huán)境( 距離小于1 千米) 和郊區(qū)工業(yè)區(qū)環(huán)境( 距離2 到5 千米) 中使用。市場分析師也是基于這個(gè)重要優(yōu)勢，預(yù)測在未來幾年內(nèi)，毫米波回程市場將會(huì)發(fā)生突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其中長期演進(jìn)(LTE) small cell 回程越來越多地使用毫米波將起到重要的推動(dòng)作用。

問題

有以下幾個(gè)原因，促使運(yùn)營商逐漸過渡到E-band 回程。首先可在更高頻段內(nèi)提供更大帶寬，并可提供一個(gè)具有極強(qiáng)方向性和容易控制的天線波束。此外，E-band 無線通信系統(tǒng)的工作頻段( 即60 GHz 和70-90 GHz)現(xiàn)在對(duì)商用業(yè)務(wù)和產(chǎn)品是開放的。

盡管有這些優(yōu)勢，但是在向E-band 回程過渡時(shí)可能還會(huì)遇到許多設(shè)計(jì)和測試挑戰(zhàn)。例如，E-band 的波束寬度極窄，因此信號(hào)非常容易受到建筑物的影響和大氣干擾。系統(tǒng)校準(zhǔn)也極為困難。E-band 的性能還非常容易受到雨水和氧吸收的影響。雨水會(huì)嚴(yán)重影響E-band 的無線電波傳輸，使得E-band 無線通信系統(tǒng)不得不重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，以達(dá)到符合標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)等級(jí); 甚至有可能導(dǎo)致服務(wù)中斷。此外，E-band 回程測試解決方案的成本也很高。

解決方案

隨著毫米波技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)運(yùn)營商從使用傳統(tǒng)回程( 例如光鏈路和微波鏈路) 向E-band 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路轉(zhuǎn)變，盡快找到方案滿足高頻高帶寬需求、且經(jīng)濟(jì)高效的測試測量儀器迫在眉睫。這些解決方案對(duì)于確保E-band 回程系統(tǒng)的正常工作至關(guān)重要，同時(shí)還可應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。

一套完整的毫米波測試和測量方案必須將用于毫米波元器件測試和校準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀與最佳的信號(hào)生成和分析系統(tǒng)結(jié)合起來，準(zhǔn)確地對(duì)通信鏈路( 例如發(fā)射機(jī)、信號(hào)路徑和接收機(jī)) 進(jìn)行測試和測量。網(wǎng)絡(luò)分析儀必須提供單次掃描能力，支持全方位的毫米波端口功率控制，并支持真正的差分測量。另一方面，信號(hào)生成和分析解決系統(tǒng)還應(yīng)提供快速的測量時(shí)間和開關(guān)速度、出色的可擴(kuò)展性( 能夠?qū)ぞ哌M(jìn)行量身定制，滿足用戶不斷變化的測試需求)和靈活性( 使它們能夠支持現(xiàn)有的和未來的制式)。

是德科技毫米波產(chǎn)品系列可以滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。這些產(chǎn)品包括毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀，以及信號(hào)生成、分析和路徑仿真全套方案。網(wǎng)絡(luò)分析儀適用于對(duì)同軸器件或晶圓中的毫米波器件進(jìn)行表征、建模和參數(shù)提取，而信號(hào)生成/ 分析解決方案則適用于毫米波通信鏈路測試。

毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀

Keysight N5251A 單次全頻段掃描10 MHz 至110 GHz 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使用了毫米波控制器和一個(gè)寬帶頻率擴(kuò)展器組合，提供1.0 毫米陽頭測試端口輸出連接器，可用作單一產(chǎn)品的解決方案。另外，它也可以配置使用PNA 或PNA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀組成更低成本的解決方案?，F(xiàn)有的N5227APNA 和N5247A 67 GHz PNA-X 用戶只需添加N5261A/N5262A 測試控制器和寬帶頻率擴(kuò)展器，即可進(jìn)行單次掃描10 MHz 至110 GHz 測量。

N5251A 毫米波解決方案是唯一集成有三軸向直流偏置裝置(tri-axial biastees) 的寬帶解決方案，通過在施加直流偏置的過程中對(duì)偏置信號(hào)的大小進(jìn)行監(jiān)測可以精確地對(duì)被測器件的偏置狀態(tài)進(jìn)行控制。其寬廣的頻率范圍可實(shí)現(xiàn)出色的時(shí)域分辨率，并使用戶能夠?qū)Ρ粶y件施加精確的功率電平，掃描1.0 毫米端口的功率。此外，N5251A 為同軸、各種夾具和晶圓上的器件提供了多種校準(zhǔn)選擇。

為了進(jìn)行高達(dá)1.1 THz 的S 參數(shù)測量，可以使用由PNA 和PNA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀配置的各種分頻段擴(kuò)展毫米波解決方案。2 或4 端口OML 分頻段擴(kuò)展波導(dǎo)系統(tǒng)包括PNA-X 和OML 公司提供的頻率擴(kuò)展器，可覆蓋50 GHz至500 GHz 的頻率范圍。根據(jù)測量需要和所選用的頻率擴(kuò)展器類型，它可以配備/ 不配備控制器?？蛇M(jìn)行的具體測量包括真實(shí)模式、時(shí)域、功率、功率掃描( 單一頻率)、功率譜、互調(diào)失真和噪聲系數(shù)等等。2 或4 端口VDI 分頻段擴(kuò)展波導(dǎo)系統(tǒng)用于進(jìn)行THz 成像，可配備Virginia Diodes Incorporated (VDI) 公司提供的頻率擴(kuò)展器，將頻率范圍擴(kuò)展至950 GHz。

這些分頻段擴(kuò)展毫米波解決方案使用內(nèi)置的固化軟件， 無論是使用PNA 還是PNA-X 系列網(wǎng)絡(luò)分析儀都可以利用已經(jīng)開發(fā)好的測量應(yīng)用軟件進(jìn)行測量。無論測量的頻率范圍是什么，用戶都可以通過前面板對(duì)測試儀器進(jìn)行手動(dòng)控制，并可以使用鼠標(biāo)訪問操作簡單的下拉菜單。使用固化軟件界面，用戶可以輕松地在各頻段之間進(jìn)行切換。

網(wǎng)絡(luò)分析儀測量示例

為了更好地了解如何使用毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量，以4 端口N5251APNA 網(wǎng)絡(luò)分析儀為例，它可以執(zhí)行10 MHz 至110 GHz 的單次掃描測量( 圖1)。N5251A 能夠控制并使用接收機(jī)穩(wěn)幅能力，精確地設(shè)置1.0 毫米測試端口上的功率。它還支持諸如真實(shí)差分測量、脈沖測量和標(biāo)量混頻器測量等應(yīng)用，并能夠靈活地對(duì)晶圓上元器件進(jìn)行單次接觸，完整表征被測件的特性。

圖1. 以N5227A PNA 為基礎(chǔ)構(gòu)建的4 端口110 GHz N5251A 毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)構(gòu)圖。

N5251A 能夠?qū)β蔬M(jìn)行精確控制，使用戶在毫米波頻率上測量器件增益壓縮特性的工作更為簡單。例如，圖2 顯示它在進(jìn)行傳統(tǒng)S 參數(shù)測量的同時(shí)，還使用功率掃描進(jìn)行了110 GHz 緩沖放大器測量。

圖2. 在77 GHz 上進(jìn)行功率掃描增益壓縮測量。

使用此N5251A 配置還可以輕松進(jìn)行混頻器測量和功率譜測量。圖3a 顯示了PNA 對(duì)75 至110 GHz 下變頻混頻器執(zhí)行本振功率掃描的測量結(jié)果，測量頻點(diǎn)設(shè)置在75 GHz 連續(xù)波上。使用PNA 的內(nèi)置IM 頻譜選件，可進(jìn)行功率譜測量。圖3b 顯示了在10 MHz 至110 GHz 頻率范圍內(nèi)測量110 GHz 緩沖放大器輸入輸出頻譜的結(jié)果。

圖3a. 在75 GHz 毫米波頻率上進(jìn)行-20 至+11 dBm 本振掃描的S21 繪圖結(jié)果。

圖3b.放大器在77 GHz上的輸入/輸出。使用PNA 的IM 頻譜選件，可以在10MHz 至110 GHz 頻率范圍內(nèi)對(duì)所有頻譜功率元器件進(jìn)行測量。

毫米波信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀解決方案

毫米波信號(hào)生成、分析和信號(hào)路徑仿真，可通過Keysight M8190A 寬帶任意波形發(fā)生器(AWG)、PSG 信號(hào)發(fā)生器、PXA/EXA 頻譜分析儀以及裝有86901B 矢量信號(hào)分析軟件的高性能Infiniium 系列示波器來實(shí)現(xiàn)( 圖4)。以收發(fā)信機(jī)仿真為例。測試收發(fā)信機(jī)需要使用仿真的發(fā)射機(jī)和/ 或仿真的接收機(jī)。理想情況下，兩者都應(yīng)該具有足夠的靈活性，可以在信號(hào)源端生成真實(shí)的失真，在接收機(jī)端對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。使用M8190A 高性能任意波形發(fā)生器(12 位，12 GSa/s 或14 位，8 GSa/s)，用戶能夠創(chuàng)建這些類型的波形，作為信號(hào)源使用。矢量PSG 信號(hào)發(fā)生器可充當(dāng)外置I/Q 調(diào)制器。在分析儀端， 使用支持63 GHz 實(shí)時(shí)頻率帶寬的Infiniium 示波器。配有160 MHz 射頻分析帶寬的PXA 和/ 或EXA 以及是德科技智能混頻器是另一種選擇—視信號(hào)帶寬和頻率而定。該測試解決方案還包括MATLAB ( 支持定制信號(hào)生成)、Signal Studio ( 支持LTE 等特定信號(hào)制式) 和89601B ( 用于信號(hào)分析)等軟件。

圖4. 此結(jié)構(gòu)圖顯示了可用于毫米波回程測量和分析的總體調(diào)制信號(hào)生成和分析解決方案。

在對(duì)收發(fā)信機(jī)進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)，首先由M8190A AWG 或Signal Studio 生成一個(gè)信號(hào)，再由Keysight E8267D矢量信號(hào)發(fā)生器和/ 或外部第三方上變頻器對(duì)信號(hào)進(jìn)行上變頻并發(fā)送到被測件( 在本例中為60 GHz 鏈路)。接下來，使用外部器件( 例如是德科技智能混頻器或第三方下變頻器) 對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻。

最后使用Infiniium 示波器或裝有89601B 矢量信號(hào)分析軟件的PXA/EXA 對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析( 圖5)。

圖5. 對(duì)收發(fā)信機(jī)的分析結(jié)果將得到一個(gè)64QAM 星座圖(3 GSamples/s)，以及關(guān)于86 GHz 通信鏈路的Q 眼圖和I 眼圖。

測量結(jié)果總結(jié)

毫米波技術(shù)的不斷發(fā)展，正推動(dòng)回程從傳統(tǒng)技術(shù)向更經(jīng)濟(jì)、大容量的E-band 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路轉(zhuǎn)變。但是，與這些鏈路有關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)使得本已非常困難的設(shè)計(jì)和測試過程變得更加復(fù)雜。令人高興的是，用于元器件測試的N5251A 毫米波網(wǎng)絡(luò)分析解決方案以及用于通信鏈路測試的毫米波信號(hào)生成和分析解決方案，將幫助設(shè)計(jì)和測試人員輕松應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。它們可以為當(dāng)前的工程師提供重要的工具，確保E-band 回程正常工作，進(jìn)而幫助此項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展和普及。

強(qiáng)大能力加速無線設(shè)計(jì)和測試

是德科技是無線測試行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，致力于通過以應(yīng)用為中心、針對(duì)現(xiàn)有和新興標(biāo)準(zhǔn)特別優(yōu)化的測試測量平臺(tái)，提供最高性能的無線器件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和測試。除了卓越的研發(fā)和現(xiàn)場支持之外，是德科技還幫助工程師在不斷演進(jìn)的無線行業(yè)中更好地分析各種復(fù)雜問題，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度。