目前IMT-2020(5G)推進(jìn)組測試的四款5G芯 網(wǎng)絡(luò)測試也完成了一半

7月17日，由IMT-2020(5G)推進(jìn)組聯(lián)合中國通信學(xué)會與中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會共同主辦的2019年IMT-2020(5G)峰會正式召開。IMT-2020(5G)推進(jìn)組是由工信部、發(fā)改委、科技部于2013年聯(lián)合推動成立的，致力于推動5G技術(shù)研究。

根據(jù)IMT-2020(5G)推進(jìn)組組長王志勤公布的信息顯示，目前在IMT-2020(5G)推進(jìn)組測試的四款5G芯包括：華為海思的巴龍5000、高通驍龍X50、聯(lián)發(fā)科Helio M70和紫光展銳的春藤510。

其中，在組網(wǎng)方式方面，只有高通驍龍X50只支持NSA（非獨立組網(wǎng)），而其他三款5G芯片均支持NSA和SA（獨立組網(wǎng)）。

而在IMT-2020(5G)推進(jìn)組的5G網(wǎng)絡(luò)測試方面，可支持NSA/SA雙模的華為海思的巴龍5000芯片，已經(jīng)率先完成了從室內(nèi)到外場的SA/NSA全部網(wǎng)絡(luò)測試。

聯(lián)發(fā)科Helio M70目前已完成了SA/NSA室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)測試部分，而在SA/NSA外場網(wǎng)絡(luò)測試部分只完成了一半。

紫光展銳的春藤510由于發(fā)布時間相對較晚，目前NSA室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)測試部分剛剛開始，而SA室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)測試和SA/NSA外場網(wǎng)絡(luò)測試部分尚未進(jìn)行。

最早發(fā)布的高通驍龍X50雖然最早完成了NSA室內(nèi)和外場網(wǎng)絡(luò)測試，但是由于其不支持SA網(wǎng)絡(luò)，所以這塊也就沒法測試了。

另外值得一提的是，在之前6月26日的MWC上海展上，中國移動董事長楊杰表示，“明年1月1日開始，政府不允許NSA手機入網(wǎng)，SA是發(fā)展方向，中國會盡快過渡到SA”。顯然，接下來國內(nèi)將會主推同時支持NSA/SA組網(wǎng)的5G手機。

綜合來看，在接下來的5G市場，華為無疑將取得先發(fā)優(yōu)勢。

而華為巴龍5000率先完成SA/NSA全部測試的背后，則離不開測試工程師以及測試廠商出色的測試方案及測試設(shè)備的支持。

由于5G采用新頻段、更高帶寬、Massive MIMO大規(guī)模天線陣列、波束成形、毫米波等技術(shù)，這給5G設(shè)計和測試工程師帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此雖然在各大設(shè)備廠商、運營商的努力下，5G時代離我們已經(jīng)越來越近，但我們還需要更強有力的5G測試方案來支持！

測試面臨更復(fù)雜的寬帶波形

3GPP 5G新空口規(guī)范包括兩種已獲得批準(zhǔn)的正交頻分多路復(fù)用技術(shù)(OFDM)、各種調(diào)制和代碼集、 靈活的參數(shù)配置(numerology)和多個信道寬帶。除了這些參數(shù)外，5G波形還包括用于信道估計、優(yōu)化MIMO操作和振蕩器相位噪聲補償?shù)膮⒖?a target="_blank">信號。5G波形引入了自包含(self-contained)集成子幀設(shè)計，同一個子幀內(nèi)包含了上行鏈路/下行鏈路的調(diào)度信息、數(shù)據(jù)傳輸和確認(rèn)。

5G基站以及其他基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，簡稱gNode B (gNB)，在下行鏈路中使用循環(huán)前綴OFDM (CP-OFDM)方案，而用戶設(shè)備(UE)兩種方案都支持，即CP-OFDM和離散傅里葉變換擴頻 OFDM(DFT-S-OFDM)方案，具體取決于gNB指示UE使用這兩種方案中的哪一種方案來進(jìn)行上 行操作。DFT-S-OFDM具有較低的峰均功率比(PAPR)，因此有助于提高功率放大器的效率和能效。

CP-OFDM 在資源模塊中提供了很高的頻譜封裝效率（高達(dá)98%），并為MIMO 提供了良好的支持。因此，當(dāng)運營商優(yōu)先考慮盡可能提高網(wǎng)絡(luò)容量時（例如在密集城市環(huán)境中），可能會使用該波形。DFT-s-OFDM 是用于LTE 上行鏈路的同一波形，其頻譜封裝效率更低，但范圍更廣（下表）。

表：關(guān)鍵的5G 規(guī)范

5G NR Release 15 使用CP-OFDM的波形并能適配靈活可變的參數(shù)集?？勺儏?shù)集可以將不同等級和時延的業(yè)務(wù)復(fù)用在一起，并允許毫米波頻段采用更大的子載波間隔。由于信號不再保持正交性，由此引入了大峰均比的問題和子載波干擾的問題。在上行信道，UE的發(fā)射功率受限并且對功率效率要求較高，于是采用DFT-S-OFDM波形來既降低信號的峰均比。

圖：波形和可變的參數(shù)集影響著信號峰均比

規(guī)范還確認(rèn)，盡管數(shù)據(jù)速率得到提高，但5G 移動寬帶的時間排程就如同LTE，且對核心RF 實施不會產(chǎn)生任何額外影響。然而，5G 技術(shù)大大降低了延遲，因此天線交換和天線調(diào)諧的可用時間更少。這可能導(dǎo)致需要使用在某些應(yīng)用中速度比4G 快10 倍的開關(guān)技術(shù)。

4G 到5G 過渡過程中的另一個重大變化就是手機必須支持寬度前所未有的帶寬。提高帶寬是5G 的基本宗旨：是實現(xiàn)以全新5G 頻段為目標(biāo)的更高數(shù)據(jù)速率的關(guān)鍵。單載波帶寬可高達(dá)100 MHz，即LTE 最高帶寬20 MHz 的5 倍（下圖），且在FR1頻率范圍內(nèi)，可存在2 個上行鏈路和4個下行鏈路載波，以分別實現(xiàn)200 MHz 和400 MHz 的總帶寬。管理該帶寬所面臨的挑戰(zhàn)預(yù)計將影響整個RF 子系統(tǒng)，這樣即使是最具創(chuàng)新精神的RF 公司也要提高標(biāo)準(zhǔn)。

圖：最大信道帶寬比較：4G LTE與5G NR

此外，考慮到信號在毫米波和低于10 GHz頻率下有著不同傳播和反射行為，5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在 兩種不同基本頻段的操作(下表)。在許多情況下，整個RF規(guī)范的要求會因兩種不同頻率范圍而 有所不同。低頻范圍內(nèi)(FR1)的信號可以使用頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)兩種模式，帶寬高 達(dá)100 MHz，載波聚合頻率高達(dá)400MHz。而FR2信號的頻率最高可達(dá)52.6 GHz，僅可在TDD模式下運行，并且單信道帶寬高達(dá)400MHz。FR2信號還可以將多個載波組合在一起，以實現(xiàn)高達(dá)800 MHz的聚合帶寬。不久之后，規(guī)范可能會將這一聚合帶寬提高至超過1GHz。

表：新空口頻率范圍

所有這些因素都給研究人員和工程師研究對應(yīng)的新波形帶來了更大難度。他們在創(chuàng)建、發(fā)布和生成符合標(biāo)準(zhǔn)上行鏈路和下行鏈路信號方面面臨著新的挑戰(zhàn)，因為這些信號相比以往具有更多配置、選項和更寬的帶寬。

圖：5G毫米波上行鏈路和下行鏈路OFDM操作

為幫助工程師在驗證設(shè)備性能時能更輕松地創(chuàng)建多個5G波形組合，NI開發(fā)了NI-RFmx波形發(fā)生器。NI-RFmx波形發(fā)生器提供了一個統(tǒng)一的軟件環(huán)境，適用于創(chuàng)建和回放符合無線標(biāo)準(zhǔn)的波形，包括最新的新空口規(guī)范，可在NI PXI儀器上生成波形，或創(chuàng)建未鎖定、未加密的I/Q波形文件，以便在自動測試序列中進(jìn)行回放。用戶可選擇CP-OFDM或DFT-S-OFDM方案，并且可配置信道寬度、開關(guān)調(diào)制方案并添加I/Q減損。用戶還可以創(chuàng)建無線局域網(wǎng)(WLAN)、藍(lán)牙以及2G至4G和5G波形，以測試這些標(biāo)準(zhǔn)是否能夠共存。

圖：NI-RFmx波形發(fā)生器可輕松生成新空口波形

除了RFmx 波形發(fā)生器外，NI還提供NI-RFmx分析驅(qū)動和API。這些API經(jīng)過高度優(yōu)化，可對LTE-A和新空口等無線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行物理層(PHY)RF測量。NI-RFmx軟面板 (SFP)提供了熟悉且直觀的交互式體驗，可讓用戶輕松展示RF測量結(jié)果。

配置寬帶測試臺，以覆蓋廣泛的頻率范圍

增強型移動寬帶（eMBB，Enhance Mobile Broadband）是ITU-R確定的5G三大主要應(yīng)用場景之一。

5G增強型移動寬帶：具備更大的吞吐量、低延時以及更一致的體驗。5G增強型移動寬帶主要體現(xiàn)在以下領(lǐng)域：3D超高清視頻遠(yuǎn)程呈現(xiàn)、可感知的互聯(lián)網(wǎng)、超高清視頻流傳輸、高要求的賽場環(huán)境、寬帶光纖用戶以及虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域。以前，這些業(yè)務(wù)大多只能通過固定寬帶網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)，未來5G將讓它們移動起來。

為實現(xiàn)5G增強型移動寬帶某些極具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵性能指標(biāo)，即超出20 Gb/s的下行峰值速率以 及1萬倍以上的流量，5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩個基本頻率范圍內(nèi)不同信道帶寬下的寬帶場景。這旨在復(fù)用400 MHz左右至7.125 GHz(FR1)和24 GHz至52.6 GHz (毫米波FR2)范圍內(nèi)的許多現(xiàn)有頻段及 一些未獲得許可的新蜂窩頻段。5G 頻率趨勢一般低于 40 GHz。

圖：5G新空口的頻率范圍

5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要綜合考慮頻率、設(shè)備、終端、業(yè)務(wù)等發(fā)展成熟度，按照 5G業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)律，需合理規(guī)劃5G設(shè)備演進(jìn)路標(biāo)。

以中國聯(lián)通5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)遠(yuǎn)景目標(biāo)為例，聯(lián)通5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)遠(yuǎn)景目標(biāo)是建設(shè)“4G+5G”兩張網(wǎng)，兩張目標(biāo)網(wǎng)的定位如下：

● 5G 目標(biāo)網(wǎng)，以 3.5GHz 頻段作為城區(qū)連續(xù)覆蓋的主力頻段，2.1GHz 頻段可用于提高 5G 覆蓋容量補充，后續(xù)新申請的毫米波頻毫米波頻段 26GHz+40GHz作為城區(qū)數(shù)據(jù)熱點的重要補充；

● 4G目標(biāo)網(wǎng)，以 900MHz 和 1800MHz 頻段作為主要頻段，900MHz 主要用于廣覆蓋（兼顧 NB-IoT、eMTC 等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)），1800MHz 為 LTE 網(wǎng)絡(luò)容量層（遠(yuǎn)期根據(jù) 4G 業(yè)務(wù)量情況逐步重耕用于 5G）；

● 2G 和 3G 網(wǎng)絡(luò)將逐步實現(xiàn)退網(wǎng)，將頻率重耕用于4G和5G。

圖：網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)目標(biāo)

對于面向大眾市場的移動行業(yè)來說，目前尚未有合適的毫米波測試系統(tǒng)。由于各種新設(shè)備的不斷出現(xiàn)及未來出現(xiàn)的未知需求，開發(fā)更有效的驗證平臺對測試工程師而言是一項巨大地挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)5G設(shè)備(包括最新的毫米波組件)測試方法需要工程師使用一系列昂貴的大型臺式儀器進(jìn)行手動測試。工程師亟需經(jīng)濟(jì)高效的測試設(shè)備來針對新設(shè)備類型配置大量測試平臺，這些測試設(shè)備應(yīng)具備以下特點：高度線性化；在極大的帶寬范圍中，具有緊密的幅度和相位精度；低相位噪音；廣泛的頻率覆蓋范圍，適用于多頻段設(shè)備；能夠利用其它無線標(biāo)準(zhǔn)測試是否共存。為了適應(yīng)快速變化的測試要求，他們需要基于軟件的模塊化測試和測量平臺來覆蓋較寬的頻率范圍。

NI PXI矢量信號收發(fā)儀(VST)結(jié)合了RF和基帶矢量信號分析儀，具有1GHz瞬時RF分析帶寬或復(fù)雜I/Q 帶寬。VST不僅具備生產(chǎn)測試儀器的快速測量速度和小巧的外形結(jié)構(gòu)，同時也兼具研發(fā)級臺式儀器的靈活性和高性能。憑借其高帶寬，VST可直接用于5G測試平臺，并適用于各種具有挑戰(zhàn)性的 測試用例，包括載波聚合5G波形的數(shù)字預(yù)失真以及4G和5G的帶內(nèi)和帶間共存。

此外，得益于PXI 平臺的亞納秒級同步功能，測試臺可輕松增加更多的VST儀器，以支持MIMO配置的實現(xiàn)。

PXIe-5831毫米波矢量信號收發(fā)儀將頻率范圍擴展至毫米波

毫米波VST為5G毫米波設(shè)備測試工程師提供了最高可達(dá)5G 毫米波頻率范圍(FR2)的VST性能，。毫米波VST采用經(jīng)過驗證的VST架構(gòu)，能夠以非常高的性價比提供更高的測量速度和毫米波性能。

毫米波VST支持多種頻率，工程師只需使用一臺儀器即可進(jìn)行IF(5-21 GHz)和射頻(23-44 GHz) 測試，因此也可以在同一系統(tǒng)上靈活地連接許多新型DUT，并測試新技術(shù)。每個毫米波VST 均支持集成校準(zhǔn)開關(guān)，用戶無需大量成本或大幅增加系統(tǒng)復(fù)雜性即可輕松擴展端口數(shù)量， 而且多個毫米波VST可集成到一個PXI系統(tǒng)中，從而進(jìn)一步增加了測試臺的功能來測試 MIMO和相控陣列等新技術(shù)。

圖：基于毫米波VST的5G測試臺，適用于毫米波應(yīng)用

分析和驗證5G組件

與其他標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)共存

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署，會考慮采用獨立5G系統(tǒng)單獨進(jìn)行組網(wǎng)，這種情況下，雖然5G可以提供高速業(yè)務(wù)和更高的業(yè)務(wù)質(zhì)量，但是在某些覆蓋不足的地方，仍可以借助LTE系統(tǒng)來提供覆蓋和容量，因此雙連接仍將是一個不可或缺的技術(shù)手段。

5G的初始部署可能采用非獨立組網(wǎng)模式(NSA)，在這種模式下UE仍需要依賴LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鏈路控制，并使用5G連接作為高帶寬數(shù)據(jù)傳輸通道。

LTE系統(tǒng)中，處于雙連接模式下的UE，只在MeNB與MME之間存在一個S1-MME連接。提供S1-MME連接的eNodeB稱為主eNodeB(即MeNB)，另一個eNodeB用于提供額外的資源，稱為次eNodeB(即SeNB)。每個eNodeB都能夠獨立管理UE和各自的小區(qū)中的無線資源。MeNB與SeNB之間的資源協(xié)調(diào)工作經(jīng)由X2接口上的信令消息來傳送。

圖：雙連接模式下的UE的控制面連接示意圖，其中，S1-MME終結(jié)在MeNB，MeNB與SeNB之間經(jīng)由X2-C來互連。

因此，工程師需要驗證5G新空口(NR)與帶內(nèi)和鄰帶 LTE的共存性。5G系統(tǒng)將采用帶寬分塊(bandwidth parts)機制來實現(xiàn)5G和LTE信號的載波共享， 因而工程師需要使用間隔非常小的信號來驗證其設(shè)備的性能。

未來的NR規(guī)范將納入未授權(quán)頻譜的輔助授權(quán)接入(LAA)技術(shù)，作為聚合輔助信道。這意味著工程師必須測試其設(shè)備對特定未授權(quán)頻段的影響情況，以確保兩者之間的共存。同樣地，當(dāng)UE包含符合各種標(biāo)準(zhǔn)的多個無線電收發(fā)器時，工程師必須進(jìn)一步關(guān)注帶內(nèi)和帶外信號的濾波和抗擾設(shè)計，以確保設(shè)備內(nèi)不同標(biāo)準(zhǔn)的共存。

TX/RX 互易性

工程師在開發(fā)發(fā)射/接收系統(tǒng)時必須考慮的另一項重要因素是TX和RX路徑之間的互易性。例如， 當(dāng)系統(tǒng)驅(qū)動發(fā)射功率放大器(PA)完全進(jìn)入壓縮區(qū)時，該PA引入的幅移和相移(AM-AM和AM-PM 相應(yīng) )以及其他熱效將超過接收器路徑中低噪聲放大器(LNA)所引入的這些效應(yīng)。另外，移相器、可變衰減器和增益控制放大器以及其他器件的容差可能導(dǎo)致信道之間的相移不均勻，從而 影響系統(tǒng)的預(yù)期相位相干性。

因此對前端模塊(PA和LNA)、雙工器、混頻器和濾波器等RF通信組件進(jìn)行特性分析將面臨著一系列新的測量挑戰(zhàn)。為在較大帶寬下實現(xiàn)更高的能效和線性度，5G PA引入了數(shù)字預(yù)失真(DPD) 等線性化技術(shù)。由于電路模型難以預(yù)測記憶效應(yīng)，因此降低記憶效應(yīng)唯一有效方法是測試PA并在時域信號通過DUT后采集該信號，并應(yīng)用DPD技術(shù)。現(xiàn)有的DPD技術(shù)要求測試設(shè)備生成并測量3到5倍帶寬的信號。這對于需要對帶寬為100、200和400 MHz的5G信號進(jìn) 行預(yù)失真的測試設(shè)備來說是一個很大的挑戰(zhàn)。

圖：發(fā)射器和接收器的互易性分析

測試多頻段設(shè)備

5G NR大致可分為兩種非常不同的頻率范圍。其中FR1的頻段低于6GHz，與目前我們使用的4G LTE網(wǎng)絡(luò)使用的2至3GHz頻段相差的距離并不遠(yuǎn)。然后FR2，它使用的是24GHz范圍以上的頻段，基本上可以說進(jìn)入到了非常高的范圍，而這種頻段通常被稱為毫米波（mmWave）。簡單的說，F(xiàn)R1的傳輸距離更遠(yuǎn)，有助于幫助5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋更廣泛的范圍。而另一方面FR2則更具有挑戰(zhàn)性：它能提供巨大的帶寬，但傳輸距離很近，并且也很難通過像墻壁這樣的障礙物。

以下是目前主流運營商采用FR1和FR2頻段的匯總：

隨著市場需求的變化和行業(yè)的發(fā)展，對多頻段前端模塊(front-end module，F(xiàn)EM)和PAMiD(power amplifier modules with integrated duplexer，帶集成雙工器的功率放大器模塊)進(jìn)行特性分析和測試也日益困難。這些器件需要能夠快速切換的多信道測試臺，以測試不同路徑和頻段組合的性能，有時可能需要并行測量不同的組合。此外，典型的測試還需要在不同的電壓電平；不同的載荷條件；有或無DPD情況下的輸出功率電平、線性度和調(diào)制精度；不同的頻段組合以及不同的溫度下進(jìn)行全面測試。

圖: 基于VST的多通道前端模塊測試系統(tǒng)

許多多頻段設(shè)備必須支持E-UTRAN New Radio Dual Connectivity(EN-DC)技術(shù)，即4G和5G標(biāo)準(zhǔn)雙連接技術(shù)。因此，需要覆蓋的測試用例也不斷增加，包括單載波和載波聚合信號的多種組合。此外，這些用例不僅需要在低于6GHz的頻段下進(jìn)行測試，現(xiàn)在也需要在7GHz左右的頻段下進(jìn)行測試，以考慮工作于非授權(quán)頻譜的5G NR(NR-U)。由于這些設(shè)備具有更高的集成度和組件密度， 因此分析LTE和NR信號傳輸時的熱管理和散熱就變得非常重要。

圖: FEM的測試用例數(shù)量隨著NR標(biāo)準(zhǔn)的演變不斷增加

包絡(luò)跟蹤

隨著蜂窩技術(shù)發(fā)展，調(diào)制的復(fù)雜度提高，對 RF 組件的要求也變得越來越嚴(yán)格。在 RF 功率和線性度需求持續(xù)上升的同時，人們強烈要求降低電流消耗，這對電池壽命和熱性能產(chǎn)生了直接影響。5G 也不例外，5G規(guī)范讓困難度成倍增加?，F(xiàn)在包絡(luò)跟蹤技術(shù)被越來越廣泛地運用于優(yōu)化射頻功率放大器(PA)的功率附加效率(PAE)，而射頻功率放大器射頻PA正是電池電量最主要的消耗源之一。

包絡(luò)跟蹤技術(shù)的原理在于使放大器盡可能地在壓縮區(qū)運行。該項技術(shù)基于這一事實：功率放大器的效率峰值點和輸出功率峰值點都會隨著供電電壓(Vcc)的變化而變化. 如下圖顯示了不同供電電壓值下，功率附加效率與輸出功率的函數(shù)關(guān)系。我們可以看出峰值效率的輸出功率隨著供電電壓的增大而增大。

圖：不同供電電壓下PAE與輸出功率之間的關(guān)系

包絡(luò)跟蹤測試使得原本就復(fù)雜的系統(tǒng)變得愈加復(fù)雜。為了讓功率放大器成功地執(zhí)行一項包絡(luò)跟蹤計劃，射頻基帶波形和供給電壓之間必須緊密同步。如下圖所示，一個典型的包絡(luò)跟蹤測試系統(tǒng)包括一個射頻信號發(fā)生器和分析儀、用于控制功率放大器的高速數(shù)字波形發(fā)生器以及一個用于為放大器供電的電源。

圖:典型的包絡(luò)跟蹤測試裝置

高效5G前端的測試工程師需要測試其設(shè)備在5G信道帶寬下的包絡(luò)或更高頻率。將包絡(luò)跟蹤技術(shù)擴展到5G NR所需的100 MHz上行帶本不太可能，因為測試臺必須能夠觸發(fā)并生成極寬的基帶包絡(luò)信號大型波形基本完全對齊。然而，工程師也在努力嘗試實現(xiàn)這一性能效率和電池壽命，從而滿足用戶需求。此外，可精確部署包絡(luò)跟蹤覆蓋范圍和容量，這兩個參數(shù)均是網(wǎng)絡(luò)運營商的重要指標(biāo)。

圖:包絡(luò)跟蹤測試系統(tǒng)圖

新型毫米波操設(shè)備

5G為了進(jìn)一步提高頻譜效率、克服傳播損耗等問題，5G大規(guī)模天線基站普遍采用波束成形技術(shù)。基站要通過波束掃描找到手機，然后手機和基站之間通過業(yè)務(wù)波束信號建立業(yè)務(wù)交互。這是一個很吸引人的設(shè)計，當(dāng)然實現(xiàn)起來也是非常復(fù)雜的。波束使用同頻還是異頻，波束參數(shù)，信號質(zhì)量、端到端性能，OTA射頻性能等看起來簡單幾個問題，其實從系統(tǒng)設(shè)計與仿真階段就要考慮進(jìn)來，一個成功的系統(tǒng)設(shè)計能夠顯著降低產(chǎn)品生命周期各階段的風(fēng)險。

高級波束成形技術(shù)需要系統(tǒng)級的設(shè)計

為了避免大量傳播損耗，5G需要采用波束成形子系統(tǒng)和天線陣列。測試新的波束成形IC需要采用快速可靠的多端口測試方案。這些測試方案必須測試每條路徑的信號增益和相位控制，以確保適當(dāng)?shù)男盘柤?xì)窄/尖銳程度(level tapering)和相位調(diào)整，從而減少旁瓣和正確控制波束的方向。但是，由于這些測試方案需要朝著毫米波方向設(shè)計，因此本振引入的系統(tǒng)相位噪音會成倍增加，甚至可能占據(jù)主導(dǎo)地位，從而給組件測試帶來了極大的挑戰(zhàn)。測試儀器必須在FR1和FR2范圍內(nèi)均提供足夠的動態(tài)范圍，以分析和驗證這兩個5G頻段內(nèi)的組件性能是否一致。

RF-RF波束成形器

測試5G波束成形設(shè)備時，如下圖中的波束成形設(shè)備，工程師需要在多個寬頻段下測試最大線性輸 出以及各個路徑的壓縮行為。他們還必須檢查衰減器的步進(jìn)誤差以及每個步進(jìn)的相位偏差。對于接收路徑，他們還需要對噪聲系數(shù)與頻率之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

鑒于信號是雙向的，因此最簡單的測試方法是反轉(zhuǎn)與測試儀器之間的連接，但對于水平和垂直極 化的多端口設(shè)備(8個、16個甚至更多)來說，這個方法并不可行。測試儀器必須包括專為多端口測 試而設(shè)計的快速雙向切換解決方案。

圖:水平和垂直極化的波束成形器IC

IF-RF波束成形器

其他類型的波束成形設(shè)備(即IF-RF波束成形器)可將中頻(IF)信號上變頻為RF信號。反之，這些設(shè) 備也可以將接收到的RF信號下變頻為IF信號(見下圖)。正如上述針對RF-RF波束形成器的討論， 工程師還需要在不同頻率范圍內(nèi)分析這些組件的性能，測量每個步進(jìn)的幅度和相位變化，并檢查 頻率變化是否適當(dāng)，同時最小化鏡像信號和高階諧波干擾。IF-RF波束成形器還帶來了其他測量 挑戰(zhàn)，因為它們需要在不同中頻下生成IF信號并進(jìn)行分析，具體頻率取決于特定設(shè)備的頻率設(shè)計。例如，部分DUT在 8或12 GHz的IF下工作，而有些DUT則將其IF設(shè)置為18GHz。

圖：IF-RF波束成形器設(shè)備

工程師需要分析和校正5G波束成形器設(shè)備的誤差源，以確保正確的傳輸功率、精確的方向控制和可靠的靈敏度。這些誤差源包括：IQ減損和信號平坦度，模塊之間的LO相位噪聲和頻移，天線元件之間的相位差，信號細(xì)窄/尖銳程度(tapering)控制以及隔離和互耦。

這需要測量信號從一個路徑傳輸?shù)搅硪粋€路徑的變化是否最小，這是因為天線元件和信號路徑之間的互耦會影響MIMO操作和信號解調(diào)性能。

數(shù)字控制挑戰(zhàn)

自動分析多頻帶FEM和多通道波束成形器還需要快速且簡單的數(shù)字DUT控制。很多時候，工程師需要串行外設(shè)接口(SPI)和MIPI等數(shù)字協(xié)議在超頻狀態(tài)下進(jìn)行測試，以便在真實應(yīng)用場景中運行其DUT。例如，如果是波束成形器，則該設(shè)備必須滿足5G技術(shù)對波束靈活性的要求(波束搜索、匹配、跟蹤和波束成形等)。這需要在極短時間內(nèi)更改狀態(tài)。為了滿足這一需求，測試臺需要的數(shù)字儀器必須能夠更快速實現(xiàn)數(shù)字協(xié)議。

NI測試解決方案基于PXI儀器和靈活的測試軟件，使工程師能夠快速配置時間同步且相位相干的多通道測試系統(tǒng)，以實現(xiàn)自動化RFIC特性分析、驗證和生產(chǎn)測試。

最新的多核處理器可幫助用戶更快速地生成并行測量結(jié)果，以應(yīng)對不斷增加的測試用例。此外， 該解決方案還集成了各種快速的數(shù)字預(yù)失真算法，使用戶能夠部署和實時執(zhí)行自定義算法，從而快速可視化PA性能結(jié)果。

圖：集成式PXI工作臺采用DPD和包絡(luò)跟蹤技術(shù)進(jìn)行FEM測試

此外，針對需要控制和測試IC的半導(dǎo)體工程師，NI PX平臺還提供了專用的高速數(shù)字I/O儀器。這些數(shù)字儀器基于drive format和time set概念，其中NI 數(shù)字pattern編輯器提供了豐富的軟件體驗，包含了各種調(diào)試和特性分析工具，比如數(shù)字示波器。

2019年是中國5G商用元年，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要考慮多種建設(shè)場景。為了滿足市場對5G技術(shù)的迫切需求，研究人員和工程師需要依賴于更快、更具成本效益的測試系統(tǒng)來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

雖然測試系統(tǒng)和測量系統(tǒng)在設(shè)計上必須能夠測試目前的AiP設(shè)備，它們還必須能夠適應(yīng)未來的波束成形和OTA的測試要求。這意味著，測試系統(tǒng)必須具備靈活性，不僅可以測試當(dāng)前的設(shè)備，而且也可以適應(yīng)未來的半導(dǎo)體技術(shù)。由模塊化硬件和靈活軟件組成的NI平臺使工程師能夠利用新的儀器功能來加快并簡化5G設(shè)備的特性分析、驗證和生產(chǎn)測試。