應(yīng)用5G TDD網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵傳感器方案

　　時分雙工（TDD）是種雙工通信，上行鏈路和下行鏈路的傳輸共享一個頻段 ，由快速交換的時隱組織。與之相對的是頻分雙工（FDD） ， 它使用兩個獨立的通道進行上行和下行傳輸。兩者之間需要有足夠的頻率間隔以避免發(fā)射器和接收器之間的干擾。

　　雖然FDD被廣泛使用，但它比TDD需要更多的頻譜，包含一部分不可用的頻譜以實現(xiàn)充分的信道分隔。并且必須遵守預(yù)先確定的上行下行網(wǎng)絡(luò)資源的分配。由于這些因素， TDD正在成為5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個更有利的選擇 。特別是在高毫米波頻率。TDD為頻譜管理帶來了效率，并能容納不對稱的流量，在密集的5G網(wǎng)絡(luò)部署中實現(xiàn)高頻段頻率的動態(tài)帶競分配。

　　成功的TDD實施需要卓越的同步和快速、高效和精確的開關(guān)元件一通常在微秒或納秒范圍 內(nèi)運行。以避免延遲和時間重查。隨姜應(yīng)用頻率的提高，這些時間要求變得更加嚴格。

　　高頻時的開關(guān)速度

　　在5G TDD系統(tǒng)中，每個幀有一一個固定的10ms持續(xù)時間，并被分為固定的1ms子幀。再進一步細分，每個子幀被分成不同的時隙，包含一個循環(huán)前綴和幾個正交頻分復(fù)用 （OFDM）符號。TDDOFDM符號的分類包括上行鏈路、下行鏈路和可被分配為上行或下行鏈路的靈活符號。特殊的防護期被用來防止干擾。防護期需要有足夠的時間來適應(yīng)接收下行鏈路數(shù)據(jù)和切換到上行鏈路。

　　時隙的持續(xù)時間和每幀的時隙數(shù)星是可變的。通常，在較高的毫米波頻率時。子載波間距會隨著時隙的縮短而擴大。為了說明這一點，圖1顯示了一個15kHz的子幀，其中只包含一個時隙， 占用了整個1ms。提高到60kHz的子載波間隔后，每個時隙的時間減少到0 25ms ，而240kHz的子載波間隔甚至進-步減少到0.0625ms.作為參考。 FR1頻率使用15、30和60kHz的子載波間隔，而更高的FR2頻率使用60、120和240kHz的子 載波間隔。因此。縮短時隙的長度也壓縮了OFDM符號的長度，它可以達到亞微秒的時間范圍。

　　圖1 10ms 5G TDD無線電幀的1ms子幀和子載波間距為15.60和240kHz時的子幀的時障配置

　　由于上下行鏈路切換發(fā)生在符號層面，負責(zé)在上行和下行鏈路之間快速切換的組件必須以適當(dāng)?shù)乃俣冗\行，特別是在高頻應(yīng)用中。

　　開關(guān)速度是由開/關(guān)狀態(tài)或關(guān)開狀態(tài)之間經(jīng)過的時間間隔來定義的，定義開關(guān)速度的關(guān)鍵參數(shù)是上升時間和下降時間。按照EEE的定義。上升時間是指信號幅壹從10%變化到90%所需的時間。即從近就的第一-次交叉到遠端的第一次交叉的時間間隔。同祥，下降時間是指信號幅度從90%變化到10%所需的時間，即從遠端線的最后- -次交叉到近端線的最后一次交叉的時間間隔。

　　由于上升時間是量化開關(guān)速度的一個關(guān)鍵指標(biāo)， TDD開關(guān)需要具有特殊上升時間能力的測試設(shè)備來進行適當(dāng)?shù)姆治?。基?a target="_blank">二極管的峰值功率傳感器在平滑電容上使用低阻抗負載。因此當(dāng)射頻振幅下降時，它們可以快速放電。再加上一個小的平滑電容，射頻峰值功率傳感器可以達到一個非?？斓纳仙龝r間。領(lǐng)先的功率測量儀器具有3納秒的上升時間，能夠可靠地捕獲5G TDD開關(guān)元件。有趣的是，具有這些快速上升時間的傳感器還具有195MHz的視頻帶寬，可容納單個5G通道的100MHz帶在通信系統(tǒng)中，從90%到信號穩(wěn)態(tài)最大電平之間的間隔，即所調(diào)的穩(wěn)定時間。

　　對于正確理解-個元件的開關(guān)速度以咸少誤差同樣重要。信號的峰值性能可以是信號幅度的100% ，但有些人甚至認為某個閾值，如從信號的最大值開始《0.1dB ，就足以說明它已經(jīng)穩(wěn)定下來了（圖2）。這個關(guān)鍵的時間幀仍然表示-個不可用的數(shù)據(jù)區(qū)域，并且可以在上升時間的數(shù)字上塔加寶貴的微秒，這更接近于這些組件必須提供的精確TDD開關(guān)時間規(guī)格。

　　圖2脈沖穩(wěn)定時間，定義為信號從最大值的90%達到《0.1dB的時間。響應(yīng)時間是上升時間+穩(wěn)定時間。

　　如果不注意信號的穩(wěn)定時間，數(shù)據(jù)的領(lǐng)先部分就會出現(xiàn)干擾。作為質(zhì)量控制的指標(biāo)，塊錯誤率（ BLER ）是錯誤的數(shù)據(jù)塊與傳輸?shù)目倝K之間的比率。由穩(wěn)定時間引l起的無效數(shù)據(jù)會導(dǎo)致高BLER.這往往需要重傳，最終降低網(wǎng)絡(luò)性能。測試儀器輔以供應(yīng)商提供的或客戶開發(fā)的功率測雖軟件，可以幫助確定開關(guān)元件的準(zhǔn)確穩(wěn)定時間。例如，軟件工具可以使用戶沿著波形放置垂直和水平標(biāo)記。然后，工程師可以很容易地定義信號的準(zhǔn)確穩(wěn)定時間窗口，以以大限度地提高數(shù)據(jù)傳輸。

　　傳播延遲和波形異常

　　理想情況下。TDD開關(guān)在發(fā)射、接收操作之間迅速轉(zhuǎn)換，而不會有數(shù)據(jù)損失。然而，-些開關(guān)，特別是那些從功率放大器（PA）到低躁聲放大器（LNA）的交替，可能會由于一些因素而出現(xiàn)傳播延遲，包括過長的電纜電路板、不當(dāng)?shù)臅r間調(diào)整或軟件命令。

　　傳播延遲是指信號從發(fā)送方，通過所有必要的電路和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，到達接收設(shè)備的往返時間間隔。即使傳播延遲等因素在TDD時間上有最輕微的差異，也會導(dǎo)致嚴重的問題。如上下行鏈路的重疊干擾和網(wǎng)絡(luò)性能的惡化（圖3）。此外。傳福延遲的影響在更高的毫米波頻率下會變得更加復(fù)雜，開關(guān)時間閆隔被壓縮。時間精度和開關(guān)性能的任何退化都變得至關(guān)重要。

　　圖3正常與傾斜的時序，造成發(fā)送（黃色）和接收（藍色）重疊。

　　延遲也會造成從PA到LNA的滲漏，導(dǎo)致不需要的信號現(xiàn)象。如過沖。當(dāng)信號超過其最高振幅時就會發(fā)生，并且通常會出現(xiàn)振鈴假象，直到信號達到其穩(wěn)定的最終值。雖然過沖超過了信號的目標(biāo)。但當(dāng)數(shù)值低于設(shè)定的最低值時，就會出現(xiàn)一種類似的效果，即欠沖現(xiàn)象。為了保持高效的網(wǎng)絡(luò)運行。設(shè)計者必須有能力捕捉和量化TDD電路中任何延遲或不需要的信號現(xiàn)象。

　　功率傳感器是關(guān)鍵的測試和測量工具，用于測星傳律延遲和捕捉任何信號失真。在測試裝置中分析系統(tǒng)性能時，配套軟件中的測雖標(biāo)記可以準(zhǔn)確地指出輸入和輸出信號之間的延遲。頂級傳感器采用高效和強大的數(shù)字信號處理技術(shù)，消除了采集和測雖延遲的間隙，以獲得閃電般的性能。快的測雖速度（例如每秒10萬次測量）是通過幾乎同時采集和處理波形樣本而不是事行的方式實現(xiàn)的，這避免了計算開銷緩中區(qū)大小的限制和停止信號采集的需要。

　　作為比較，標(biāo)準(zhǔn)的處理技術(shù)捕獲波形樣本（通常在亞1秒的時間間隔內(nèi)） ， 然后停止采集，進行連續(xù)的數(shù)據(jù)處理和傳輸。信號干擾失真和其他重要事件可能在這些采集間隙中發(fā)生，這就突出了使用能夠減少采集和處理測顯樣本的總周期時間的傳感器的重要性。當(dāng)與兼容的軟件相結(jié)合時，工程師可以實現(xiàn)TDD信號的實時、無間隙采集，以驗證開關(guān)性能并揭示通信路徑上的任何異常事件。

　　同步的多通道測量

　　單個發(fā)射器和接收器的情況提供了-個簡單的TDD概述。但在更復(fù)雜的情況下。有各種信號同時從多個天線發(fā)出，如MIMO。在這種情況下，關(guān)鍵問題出現(xiàn)了：天線是否在同一時間切換？時間差是多少？監(jiān)測更復(fù)雜系統(tǒng)的一種方法是使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA） ; 然而，這種測試儀器的價格很高。

　　在測試裝置中具有同步能力的傳感器為VNA提供了一個經(jīng)濟的替代方案，同時還提供了一種監(jiān)測眾多TDD信號的定時、完整性和累積延遲的方法。通過使用在多個同步或異步通道上共享一個共同時基的傳感器，可以實現(xiàn)時間對齊的測量。通過這種技術(shù)，共享時基通過電纜連接分布在每個傳感器的多功能輸入輸出端口之間。

　　由于開關(guān)元件可能經(jīng)歷非常小的時間偏移，測試儀器的時間分辨能力是很重要的，特別是當(dāng)試圖處理TDD開關(guān)之間1到2ns的時間差異。具有標(biāo)準(zhǔn)時間分辨率的傳統(tǒng)儀器很容易錯過TDD信號之間的重要細微差別。目前。功率測量儀器中最好的時間分辨率是100ps。這不僅能確保捕獲有意義的TDD波形數(shù)據(jù)，還能提高觸發(fā)穩(wěn)定性。

　　雖然與VNA相比，提供司步多通道TDD測量的前沿傳感器將測試成本降到最低，但-些傳感器還提供了一個額外的優(yōu)勢，即在TDD傳輸測試期間使用客戶的實際信號。提供-個簡單的信號優(yōu)化方法，客戶可以在他們的信號通過TDD開關(guān)時準(zhǔn)確地指出延遲和必要的修正，其中許多是嵌入在射頻卡的硬件中。然后可以用軟件調(diào)整來微調(diào)和優(yōu)化性能。

　　5G TD網(wǎng)絡(luò)的高級測試解決方案

　　計時和開關(guān)性能在5G TDD網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中至關(guān)重要，特別是在更言的毫米波頻率下。先進的測試解決方案可以測星5G TDD通信路徑上各點的任何延遲，捕捉信號現(xiàn)象，如欠沖過沖，捕捉開關(guān)啟動的時間差，并幫助進行多信號通道測量。這些測試解決方案由關(guān)鍵的傳感器功能實現(xiàn)，如快速上升時間（3ns）。高測雖速度（每秒10萬次測室）。寬視頻帶寬（ 195MHz）。測試設(shè)置同步和極高的時間分辨率（ 100ps）。通過選擇-流的測試設(shè)備，如Boonton RTP5000實時射頻峰值功率傳感器。工程師可以充分利用5G TDD通信系統(tǒng)的容量和要信優(yōu)勢。