這五大5G測試挑戰(zhàn)你必須拿下

目前，全球新冠肺炎疫情形勢嚴(yán)峻，不過中國疫情在政府和人民的齊心努力下已經(jīng)取得了階段性成果，很多生產(chǎn)活動已經(jīng)開始恢復(fù)，近期中國政府聯(lián)系連續(xù)出臺了多項(xiàng)政策推動疫情后的新基建，據(jù)統(tǒng)計，全國各省市投資多達(dá)37萬億元，這其中，5G是熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)，5G投資持續(xù)加碼，最新信息顯示中國移動年內(nèi)將建設(shè)30萬5G基站，中國聯(lián)通與中國電信將在三季度末新建設(shè)25萬5G基站。2020年三大運(yùn)營商資本開支總額約3348億元，5G相關(guān)投資約1800億，占資本開支總投資5成以上！

圖1 三大運(yùn)營商開支 資料來源:wind、三大運(yùn)營商推介資料，東吳證券研究所。 隨著5G基礎(chǔ)建設(shè)加速，5G應(yīng)用和終端市場也將走熱，拉動5G相關(guān)設(shè)計、測試走熱，不過由于5G技術(shù)頻率高，帶寬寬以及采用多天線應(yīng)用，5G產(chǎn)品設(shè)計異常復(fù)雜，因此5G測試成為為5G設(shè)計保駕護(hù)航的關(guān)鍵，5G測試中，這五大測試挑戰(zhàn)你必須攻克。

圖2 5G建設(shè)產(chǎn)業(yè)鏈 數(shù)據(jù)來源:“新基建” 發(fā)展白皮書，東吳證券研究所 挑戰(zhàn)1：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(bǔ)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)。 考慮到信號在毫米波和低于10GHz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，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)100MHz，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(yùn)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(shí)現(xiàn)高達(dá)800MHz的聚合帶寬。未來規(guī)范可能會將這一聚合帶寬提高至超過1GHz。

表1.寬帶5G波形的各種物理層配置 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新挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些信號相比以往具有更多配置、選項(xiàng)和更寬的帶寬。

圖3 5G毫米波上行鏈路和下行鏈路OFDM操作靈活的5G.NumerologyNI解決方案為了幫助工程師在驗(yàn)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。 挑戰(zhàn)2：更寬的頻率范圍 為了實(shí)現(xiàn)5G增強(qiáng)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10,000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。

圖4 5G新空口的頻率范圍 毫米波系統(tǒng)以前是在軍用和航天領(lǐng)域使用，目前尚未有合適的民用毫米波測試系統(tǒng)。由于各種新設(shè)備不斷出現(xiàn)及未知的未來需求，開發(fā)更有效的驗(yàn)證平臺對測試工程師而言是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)。 傳統(tǒng)的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。工程師很難集成、擴(kuò)展或優(yōu)化其儀器來實(shí)現(xiàn)自動化設(shè)備驗(yàn)證。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(diǎn):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解決方案利用NI的PXIe-5831毫米波矢量信號收發(fā)儀，可以將頻率范圍擴(kuò)展至毫米波，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(shí)現(xiàn)。低相位 噪音、高線性度和獲得專利的I/Q校準(zhǔn)的結(jié)合，意味即使在最窄的5G子載波間隔下，VST也可利用 256-QAM等高階調(diào)制方案來精準(zhǔn)地測量誤差矢量幅度(EVM)。

圖5基于毫米波VST的5G測試臺，適用于毫米波應(yīng)用 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(kuò)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)。 挑戰(zhàn)3：與其他標(biāo)準(zhǔn)/技術(shù)兼容性測試 很多地區(qū)的5G初始部署采用非獨(dú)立組網(wǎng)模式(NSA)模式，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。因此，工程師需要驗(yàn)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(jī)制來實(shí)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(yàn)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。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。某個標(biāo)準(zhǔn)的諧波、非線性頻譜增生以及各種 雜散會影響5G.NR設(shè)備的靈敏度。

圖6 WLAN帶外泄漏導(dǎo)致的5G.NR減敏現(xiàn)象 此外，工程師在開發(fā)發(fā)射/接收系統(tǒng)時還必須考慮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P(yáng)A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)。還有移相器、可變衰減器和增益控制放大器以及其他器件的容差也可能導(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)。 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(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。

圖7 包絡(luò)測試的系統(tǒng)圖 還有，工程師還要面臨來自包絡(luò)測試、新型毫米波操設(shè)備測試、RF-RF波束成形器測試、IF-RF波束成形器測試、數(shù)字控制測試的一系列挑戰(zhàn)，要解決這些挑戰(zhàn)需要一套完整的系統(tǒng)級測試方案。NI解決方案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(shí)現(xiàn)自動化RFIC特性分析、驗(yàn)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(shí)時執(zhí)行自定義算法，從 而快速可視化PA性能結(jié)果。 挑戰(zhàn)4：大規(guī)模MIMO測試 Massive MIMO（大規(guī)模天線技術(shù)）是5G中提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)。它最早由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研究人員提出，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小區(qū)的基站天線數(shù)目趨于無窮大時，加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負(fù)面影響全都可以忽略不計，數(shù)據(jù)傳輸速率能得到極大提高。 MIMO指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量。

圖8 通過波束成形實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用

在大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)中，基站天線的數(shù)量遠(yuǎn)超用戶終端數(shù)量。因此，5G標(biāo)準(zhǔn)納入了多用戶 MIMO(MU-MIMO)技術(shù)，其中基站向有源天線系統(tǒng)饋送預(yù)編碼信號，然后在空間上將多路同步數(shù) 據(jù)流發(fā)送給多個用戶，用戶端的每個接收器均可選擇其所需的數(shù)據(jù)流。為了實(shí)現(xiàn)該空間多路復(fù)用，gNB需要將輻射能量通過波束成形技術(shù)集中至各個接收器?；诓ㄊ尚渭夹g(shù)，工程師可以 實(shí)現(xiàn)MU-MIMO，以提高gNB容量并減少發(fā)射過程中的能量消耗。 隨著5G商業(yè)化的逐步實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢是使用片上天線(AoC)和封 裝天線(AiP)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)毫米波頻率下的波束成形，但這種設(shè)備沒有可用的RF測試端口，迫使業(yè)界亟需尋找可以使用OTA輻射測試方法來進(jìn)行設(shè)備特性分析的測試系統(tǒng)。 隨著工程師從傳統(tǒng)的RF半導(dǎo)體傳導(dǎo)測試轉(zhuǎn)向OTA測試方法，他們面臨的挑戰(zhàn)是建立動態(tài)OTA測試系統(tǒng)來準(zhǔn)確測試RF性能。因此，工程師將DUT放置在電波暗室內(nèi)受控的RF環(huán)境中，與測量系統(tǒng)呈 一定距離和角度，進(jìn)行OTA特性分析和驗(yàn)證測試。 此外，工程師還面臨溫度測試挑戰(zhàn)、空間掃描測試挑戰(zhàn)、接收器測試挑戰(zhàn)以及毫米波測試的不確定性挑戰(zhàn)如系統(tǒng)誤差、校準(zhǔn)測量誤差、DUT測量誤差等，此外，要減小OTA測量不確定性，還要面臨來自將不確定性來自系統(tǒng)子組件中測量設(shè)備、暗室、定位器、測量和基準(zhǔn)天線的挑戰(zhàn)，面對這些挑戰(zhàn)必須用系統(tǒng)性的軟硬件方案來應(yīng)對。NI解決方案對于需要進(jìn)行RF-RF或IF-RF OTA性能分析或AiP器件或天線模塊設(shè)計驗(yàn)證的毫米波半導(dǎo)體工程師而言，NI毫米波OTA參考設(shè)計使其能夠準(zhǔn)確測量DUT在所有傳輸方向上的完整輻射場。

圖9NI毫米波OTA參考解決方案簡圖 與通過軟件來指示DUT定位器在空間采樣網(wǎng)格上的每個點(diǎn)進(jìn)行加速、停止和測量的測量系統(tǒng)不同，NI系統(tǒng)提供了亞納秒定時和觸發(fā)功能，可顯著縮短測試時間。NI OTA參考解決方案實(shí)現(xiàn)了基于硬件的實(shí)時運(yùn)動控制系統(tǒng)，可以更加快速地驅(qū)動DUT定位器，更加迅速地掃描空間網(wǎng)格，同時觸發(fā)5G RF快速測量。 挑戰(zhàn)5：5G量產(chǎn)測試 隨著5G大規(guī)模商用，市場對5G產(chǎn)品的需求會指數(shù)級增大，這就要求5G終端產(chǎn)品測試要大大縮短，以提高產(chǎn)量以及降低資本和運(yùn)營費(fèi)用。 目前傳統(tǒng)上采用OTA測試設(shè)備的方法，但談到OTA測試解決方案，就要說RF暗室，好的RF暗室可提供安靜的RF環(huán)境，確保設(shè)計滿足所有性能和法規(guī)要求，并具有足夠的裕量和可重復(fù)性。不過對于量產(chǎn)產(chǎn)品來說，微波暗室會占用大量的生產(chǎn)空間，并增加資本支出。 為了解決這些問題，市場上出現(xiàn)了具有OTA功能的IC測試插座(帶有集成天線的小型RF外殼)， 從而將半導(dǎo)體OTA測試功能小型化，不過，小型測試插座存在反射問題，另外，采用小型RF外殼也帶來新的測試挑戰(zhàn)。如在28GHz 時，DUT和天線之間即便僅僅是10cm的距離也會導(dǎo)致自由空間路徑損耗超過30dB(包括發(fā)射和接收 天線的增益)，而如果使用同等長度的同軸電纜，損耗僅為1dB左右。 還有一種OTA測試方法是生產(chǎn)測試系統(tǒng)采用更長的RF機(jī)箱，DUT會使用整個天線陣列啟用波束成形功能，并在關(guān)鍵波束成形方向上尋找聚合RF性能。這里的測試挑戰(zhàn)在于識別芯片和封裝基板之間的連接是否斷開或很弱，同時還要測量封裝內(nèi)天線的質(zhì)量。NI解決方案NI用于特性分析和驗(yàn)證任務(wù)的模塊化測試平臺可完全滿足生產(chǎn)車間的測試需求，它與最新的5G NR PHY層要求保持同步，包含了構(gòu)建多通道測試系統(tǒng)所需的測量科技和瞬時帶寬，這些基于PXI的測試系統(tǒng)可以使用PXle-5840 VST測量FR1頻段的5GNR寬分量載波或載波聚合信號，也可以使用毫米波VST對FR2頻段進(jìn)行測量。

圖10基于半導(dǎo)體測試系統(tǒng)的毫米波生產(chǎn)解決方案 該解決方案結(jié)合了數(shù)十個雙向RF端口，可直接用于5G測試，并與高端臺式儀器的寬帶性能相匹配,同時每分鐘可以測試更多設(shè)備。NI將所有這些功能集成到單平臺測試解決方案中，不僅可直接用于量產(chǎn)環(huán)境，而且還能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式快速、可靠地進(jìn)行5G測試，同時最大限度地降低費(fèi)用和占地面積要求，從而讓投資回報最大化。 總結(jié) NI是全球最早介入5G研究的企業(yè)之一，NI的測試設(shè)備確保了5G系統(tǒng)的研發(fā)和規(guī)模量產(chǎn)，早在2016年，諾基亞就與NI合作，共同研究毫米波頻譜下的移動接 入技術(shù)，為下一代無線通信奠定了集成。在那次合作中，NI和諾基亞網(wǎng)絡(luò)公司聯(lián)合開發(fā)了傳輸 、速率超過10.Gb/s的毫米波通信鏈路，這是迄今為止公開展示的最快速的移動接入無線系統(tǒng)。 全球眾多5G企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)都在與NI合作，推進(jìn)5G的商用，基于5G測試方面的積累，NI編撰了《5G半導(dǎo)體測試工程師指南》白皮書，這本白皮書介紹了寬帶5G應(yīng)用在半導(dǎo)體器件測試方面所面臨的新挑戰(zhàn)以及詳細(xì)的應(yīng)對措施，工程師盆友只要掃一掃二維碼即可輕松下載該白皮書！