5G測(cè)試中，這五大測(cè)試挑戰(zhàn)你必須攻克

目前，全球新冠肺炎疫情形勢(shì)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(dòng)已經(jīng)開始恢復(fù)，近期中國政府聯(lián)系連續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)政策推動(dòng)疫情后的新基建，據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dòng)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(chǎng)也將走熱，拉動(dòng)5G相關(guān)設(shè)計(jì)、測(cè)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(jì)異常復(fù)雜，因此5G測(cè)試成為為5G設(shè)計(jì)保駕護(hù)航的關(guān)鍵，5G測(cè)試中，這五大測(cè)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(gè)信道寬帶。除了這些參數(shù)外，5G波形還包括用于信道估計(jì)、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(hào)。5G波形引入了自包含(self-contained)集成子幀 設(shè)計(jì)，同一個(gè)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(hào)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(gè)RF規(guī)范的要求會(huì)因兩種不同頻率范圍而有所不同。低頻范圍內(nèi)(FR1)的信號(hào)可以使用頻分雙工(FDD)和時(shí)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(hào)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(hào)還可以將多個(gè)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(huì)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(duì)應(yīng)的新波形帶來了更大難度。他們?cè)趧?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(hào)方面面臨新挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些信號(hào)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(shí)能更輕松地創(chuàng)建多個(gè)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(gè)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(dòng)測(cè)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(dòng)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(gè)基本頻率范圍內(nèi)不同信道帶寬下的寬帶場(chǎng)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(cè)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(tái)對(duì)測(cè)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(cè)試方法需要工程師使用一系列昂貴的大型臺(tái)式儀器進(jìn)行手動(dòng)測(cè)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(dòng)化設(shè)備驗(yàn)證。工程師亟需經(jīng)濟(jì)高效的測(cè)試設(shè)備來針對(duì)新設(shè)備類型配置大量測(cè)試平臺(tái)，這些測(cè)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(cè)試是否共存。為了適應(yīng)快速變化的測(cè)試要求，他們需要基于軟件的模塊化測(cè)試和測(cè)量平臺(tái)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(hào)收發(fā)儀，可以將頻率范圍擴(kuò)展至毫米波，PXI矢量信號(hào)收發(fā)儀(VST)結(jié)合了RF和基帶矢量信號(hào)分析儀，具有1GHz瞬時(shí)RF分析帶寬或復(fù)雜I/Q 帶寬。VST不僅具備生產(chǎn)測(cè)試儀器的快速測(cè)量速度和小巧的外形結(jié)構(gòu)，同時(shí)也兼具研發(fā)級(jí)臺(tái)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(cè)試平臺(tái)，并適用于各種具有挑戰(zhàn)性的 測(cè)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(tái)的亞納秒級(jí)同步功能，測(cè)試臺(tái)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(cè)量誤差矢量幅度(EVM)。

圖5基于毫米波VST的5G測(cè)試臺(tái)，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(tái)儀器即可進(jìn)行IF(5-21.GHz)和射頻(23-44.GHz). 測(cè)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(cè)試新技術(shù)。每個(gè)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(gè)毫米波VST可集成到一個(gè)PXI系統(tǒng)中，從而進(jìn)一步增加了測(cè)試臺(tái)的功能來測(cè)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(cè)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(hào)的載波共享， 因而工程師需要使用間隔非常小的信號(hào)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(cè)試其設(shè)備對(duì)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(gè)無線電收發(fā)器時(shí)，工程師必須進(jìn)一步關(guān)注帶內(nèi)和帶外信號(hào) 的濾波和抗擾設(shè)計(jì)，以確保設(shè)備內(nèi)不同標(biāo)準(zhǔn)的共存。某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的諧波、非線性頻譜增生以及各種 雜散會(huì)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(shí)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(dòng)發(fā)射功率放大器(PA)完全進(jìn)入壓縮區(qū)時(shí)，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(duì)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(cè)量挑戰(zhàn)。 隨著市場(chǎng)需求的變化和行業(yè)的發(fā)展，對(duì)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(cè)試也日益困難，這些器件需要能夠快速切換的多信道測(cè)試臺(tái)以測(cè)試不同路徑和頻段組合的性能，有時(shí)可能需要并行測(cè)量不同的組合。此外，典型的測(cè)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(cè)試的系統(tǒng)圖

還有，工程師還要面臨來自包絡(luò)測(cè)試、新型毫米波操設(shè)備測(cè)試、RF-RF波束成形器測(cè)試、IF-RF波束成形器測(cè)試、數(shù)字控制測(cè)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(jí)測(cè)試方案。NI解決方案NI測(cè)試解決方案基于PXI儀器和靈活的測(cè)試軟件，使工程師能夠快速配置時(shí)間同步且相位相干的 多通道測(cè)試系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化RFIC特性分析、驗(yàn)證和生產(chǎn)測(cè)試。 最新的多核處理器可幫助用戶更快速地生成并行測(cè)量結(jié)果，以應(yīng)對(duì)不斷增加的測(cè)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(shí)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(cè)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(shí)，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(jì)，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(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)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(gè)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(hào)，然后在空間上將多路同步數(shù) 據(jù)流發(fā)送給多個(gè)用戶，用戶端的每個(gè)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(gè)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(shì)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(cè)試端口，迫使業(yè)界亟需尋找可以使用OTA輻射測(cè)試方法來進(jìn)行設(shè)備特性分析的測(cè)試系統(tǒng)。 隨著工程師從傳統(tǒng)的RF半導(dǎo)體傳導(dǎo)測(cè)試轉(zhuǎn)向OTA測(cè)試方法，他們面臨的挑戰(zhàn)是建立動(dòng)態(tài)OTA測(cè)試系統(tǒng)來準(zhǔn)確測(cè)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(cè)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(cè)試。 此外，工程師還面臨溫度測(cè)試挑戰(zhàn)、空間掃描測(cè)試挑戰(zhàn)、接收器測(cè)試挑戰(zhàn)以及毫米波測(cè)試的不確定性挑戰(zhàn)如系統(tǒng)誤差、校準(zhǔn)測(cè)量誤差、DUT測(cè)量誤差等，此外，要減小OTA測(cè)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(cè)量設(shè)備、暗室、定位器、測(cè)量和基準(zhǔn)天線的挑戰(zhàn)，面對(duì)這些挑戰(zhàn)必須用系統(tǒng)性的軟硬件方案來應(yīng)對(duì)。NI解決方案對(duì)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(jì)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(jì)使其能夠準(zhǔn)確測(cè)量DUT在所有傳輸方向上的完整輻射場(chǎng)。

圖9NI毫米波OTA參考解決方案簡(jiǎn)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(gè)點(diǎn)進(jìn)行加速、停止和測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)不同，NI系統(tǒng)提供了亞納秒定時(shí)和觸發(fā)功能，可顯著縮短測(cè)試時(shí)間。NI OTA參考解決方案實(shí)現(xiàn)了基于硬件的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以更加快速地驅(qū)動(dòng)DUT定位器，更加迅速地掃描空間網(wǎng)格，同時(shí)觸發(fā)5G RF快速測(cè)量。 挑戰(zhàn)5：5G量產(chǎn)測(cè)試 隨著5G大規(guī)模商用，市場(chǎng)對(duì)5G產(chǎn)品的需求會(huì)指數(shù)級(jí)增大，這就要求5G終端產(chǎn)品測(cè)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(cè)試設(shè)備的方法，但談到OTA測(cè)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(jì)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(duì)于量產(chǎn)產(chǎn)品來說，微波暗室會(huì)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(chǎng)上出現(xiàn)了具有OTA功能的IC測(cè)試插座(帶有集成天線的小型RF外殼)， 從而將半導(dǎo)體OTA測(cè)試功能小型化，不過，小型測(cè)試插座存在反射問題，另外，采用小型RF外殼也帶來新的測(cè)試挑戰(zhàn)。如在28GHz 時(shí)，DUT和天線之間即便僅僅是10cm的距離也會(huì)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(cè)試方法是生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)采用更長的RF機(jī)箱，DUT會(huì)使用整個(gè)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(cè)試挑戰(zhàn)在于識(shí)別芯片和封裝基板之間的連接是否斷開或很弱，同時(shí)還要測(cè)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(cè)試平臺(tái)可完全滿足生產(chǎn)車間的測(cè)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(cè)試系統(tǒng)所需的測(cè)量科技和瞬時(shí)帶寬，這些基于PXI的測(cè)試系統(tǒng)可以使用PXle-5840 VST測(cè)量FR1頻段的5GNR寬分量載波或載波聚合信號(hào)，也可以使用毫米波VST對(duì)FR2頻段進(jìn)行測(cè)量。

圖10基于半導(dǎo)體測(cè)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(gè)雙向RF端口，可直接用于5G測(cè)試，并與高端臺(tái)式儀器的寬帶性能相匹配,同時(shí)每分鐘可以測(cè)試更多設(shè)備。NI將所有這些功能集成到單平臺(tái)測(cè)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(cè)試，同時(shí)最大限度地降低費(fèi)用和占地面積要求，從而讓投資回報(bào)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(cè)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(dòng)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(dòng)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(cè)試方面的積累，NI編撰了《5G半導(dǎo)體測(cè)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(cè)試方面所面臨的新挑戰(zhàn)以及詳細(xì)的應(yīng)對(duì)措施