了解矢量信號(hào)發(fā)生器輕松應(yīng)對(duì)毫米波寬帶、多通道Massive MIMO和5G

1. SMW200A主要特點(diǎn)

圖1、R&S SMW200A矢量信號(hào)發(fā)生器外觀

R&S高端矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A于2013年正式面世，其功能經(jīng)過(guò)三年來(lái)不斷豐富和完善，已經(jīng)成為集毫米波寬帶信號(hào)發(fā)生器、多通道射頻信號(hào)發(fā)生器和MIMO信道衰落模擬器于一體的矢量信號(hào)產(chǎn)生平臺(tái)。SMW200A單臺(tái)儀器就能覆蓋100kHz到40GHz的頻率范圍，內(nèi)部基帶的調(diào)制帶寬高達(dá)2000MHz。

SMW200A通過(guò)外置上變頻器（例如SGS100A或SGT100A）可以外部擴(kuò)展最高六條射頻通道，加上本身具有的兩條射頻通道，總共八條。配置2個(gè)基帶模塊和4個(gè)信道模擬模塊后，可以實(shí)現(xiàn)4x4、8x2、2x8、8x4、4x8等MIMO信道衰落模擬，或者LTE-Advanced載波聚合模式下的4x4 MIMO場(chǎng)景模擬。在SMW200A面世之前，上述場(chǎng)景的模擬都需要多臺(tái)儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

SMW200A內(nèi)置各種重要的數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)選件，包括LTE、LTE-Advanced、5G、3GPP FDD/HSPA/HSPA+、GSM/EDGE/EDGE Evolution、TD-SCDMA、CDMA2000/1xEV-DO和WLAN IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ad等。這些數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)選件均為儀器內(nèi)置，所有操作和配置都在儀器界面上簡(jiǎn)單、快速的完成，無(wú)需外部電腦，從而簡(jiǎn)化調(diào)試，節(jié)省時(shí)間。由于R&S SMW200A可以配置成多通道，可以快速、方便的產(chǎn)生多制式調(diào)制信號(hào)，對(duì)于目前熱門的多?；緶y(cè)試十分方便。

SMW200A射頻性能良好，例如在1GHz頻點(diǎn)，偏離載波20KHz位置，單邊帶相位噪聲典型值為-139dBc。160MHz的WLAN IEEE 802.11ac信號(hào)，調(diào)制質(zhì)量實(shí)測(cè)EVM值可到-49dB，其帶內(nèi)頻響僅為0.05dB。因此可作為模塊級(jí)開(kāi)發(fā)和測(cè)試中所需的高質(zhì)量信號(hào)激勵(lì)源，如發(fā)射機(jī)調(diào)制器、混頻器、小信號(hào)放大器、功放，接收機(jī)低噪放，IQ解調(diào)器、濾波器、ADC需要高性能的射頻/中頻信號(hào)源進(jìn)行分析驗(yàn)證。SMW200A信號(hào)輸出功率大，可應(yīng)用于大功率功放測(cè)試、收發(fā)信機(jī)阻塞測(cè)試等需要中、高功率信號(hào)驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)景。SMW200A可應(yīng)用于接收機(jī)系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證中，如靈敏度測(cè)試、模擬遇到阻塞干擾、鄰道干擾、接收互調(diào)影響等。

此外，方便、直觀是R&S SMW200A操作界面的基本理念，使用觸摸屏以及框圖式菜單結(jié)構(gòu)，用戶可以方便直觀的配置信號(hào)，并通過(guò)視圖觀測(cè)生成信號(hào)的整個(gè)流程。

SMW200A技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)：

? 工作頻率范圍：100kHz ～40GHz

? 高功率輸出（無(wú)需選件）：保證值+18dBm，典型輸出+26dBm

? 極優(yōu)異的信號(hào)質(zhì)量：-139dBc/Hz @ 1GHz，20kHz offset

? 內(nèi)置基帶源可最大支持2GHz射頻帶寬

? 具有極優(yōu)異的幅度平坦響應(yīng)：≤0.4dB （2GHz帶寬內(nèi)）

? 支持實(shí)時(shí)產(chǎn)生矢量調(diào)制信號(hào)，同時(shí)支持波形文件播放的方式

? 內(nèi)部ARB存儲(chǔ)空間最大可擴(kuò)展至2G Samples

? 支持無(wú)線信道衰落模擬功能，可模擬真實(shí)環(huán)境對(duì)信號(hào)的影響

? 友好的操作界面，模塊化菜單接口，且支持觸摸操作

2. SMW200A主要應(yīng)用

下一代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)5G預(yù)計(jì)在2020年實(shí)現(xiàn)商用。目前為止，5G技術(shù)還處在預(yù)研階段，其技術(shù)規(guī)范還沒(méi)有統(tǒng)一定義，所以各大公司都在對(duì)5G技術(shù)進(jìn)行積極的研究和討論，還需要完成許多研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。5G不僅僅是LTE-A的簡(jiǎn)單演進(jìn)，還會(huì)創(chuàng)造一個(gè)全新的技術(shù)框架體系，以滿足高速數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和容納爆發(fā)式增長(zhǎng)的無(wú)線終端。5G滿足系統(tǒng)容量和高數(shù)據(jù)率的方法之一就是把頻譜擴(kuò)展到毫米波頻段、采用Massive MIMO技術(shù)以及新型空中接口和多址技術(shù)。羅德與施瓦茨公司已經(jīng)為開(kāi)發(fā)者評(píng)估5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供了有力的技術(shù)支撐，主要包括以下三個(gè)方面：

（1） 毫米波頻段寬帶信號(hào)產(chǎn)生

微波頻段是5G對(duì)無(wú)線移動(dòng)通信顛覆式的創(chuàng)新。傳統(tǒng)的移動(dòng)通信工作頻段主要集中在3GHz以下，使得頻譜資源已經(jīng)十分擁擠。而在毫米波頻段可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀。為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)10Gbps級(jí)的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)也需要更大的帶寬。矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A單臺(tái)儀表可以實(shí)現(xiàn)最高40GHz載波2GHz帶寬信號(hào)的產(chǎn)生。由于內(nèi)置梳狀信號(hào)發(fā)生器作為校準(zhǔn)源，SMW200A內(nèi)置基帶電路產(chǎn)生的2GHz帶寬的信號(hào)無(wú)須額外的校準(zhǔn)，即可達(dá)到優(yōu)于0.4dB的帶內(nèi)平坦度。

目前，已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的毫米波寬帶通信標(biāo)準(zhǔn)是802.11ad，主要用于實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部無(wú)線高清音視頻信號(hào)的傳輸，為家庭多媒體應(yīng)用帶來(lái)更完備的高清視頻解決方案。802.11ad拋棄了擁擠的2.4GHz和5GHz頻段，使用高頻載波的60GHz頻譜。由于60GHz頻譜在大多數(shù)國(guó)家有大段的頻率可供使用，因此802.11ad可以在波束賦型技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)多信道的同時(shí)傳輸，最大數(shù)據(jù)率可達(dá)速度是7Gbps。SMW200A通過(guò)外置的毫米波上變頻器可將內(nèi)部2GHz帶寬的802.11ad基帶信號(hào)上變頻到60GHz頻段，0.4dB的帶內(nèi)平坦度使得EVM在60GHz頻率仍然保持在-32.2dB。

圖2、SMW200A內(nèi)置基帶信號(hào)源頻率響應(yīng)平坦度（上）和802.11ad 2GHz帶寬信號(hào)解調(diào)質(zhì)量（下）

由于毫米波頻段的信道模型不同于傳統(tǒng)的6GHz以下移動(dòng)通信頻段，所以針對(duì)該頻段的信道特性探測(cè)需求也越來(lái)越突出。R&S公司可以提供完整的信道探測(cè)方案，使用SMW200A和高頻寬帶頻譜儀FSW，頻率最高可達(dá)110GHz，帶寬最高可達(dá)2GHz。配合R&S最新發(fā)布的信道測(cè)量軟件TS-5GCS可以進(jìn)行信道沖擊響應(yīng)、功率時(shí)延特性（PDP）、多普勒時(shí)延特性等參數(shù)測(cè)試。測(cè)試組網(wǎng)如下圖所示。

圖3、SMW200A和FSW信道測(cè)量測(cè)試組網(wǎng)

（2）Massive MIMO和多通道波束賦型信號(hào)產(chǎn)生

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，當(dāng)基站側(cè)天線數(shù)遠(yuǎn)大于用戶天線數(shù)時(shí)，基站到各個(gè)用戶的信道將趨于正交，用戶間的干擾將趨于消失，而巨大的陣列增益也能夠有效的提升每個(gè)用戶的信噪比，從而在相同的時(shí)頻資源上支持更多的用戶。作為近年來(lái)備受關(guān)注的技術(shù)之一，多天線技術(shù)經(jīng)歷了從無(wú)源到有源，從二維到三維（3D），從高階MIMO到大規(guī)模天線陣列（例如64、128天線陣列）的發(fā)展。Massive MIMO通常和波束賦型技術(shù)結(jié)合在一起使用，可以在三維空間形成具有高空間分辨能力的高增益窄細(xì)波束，能夠提供更靈活的空間復(fù)用能力，改善接收信號(hào)強(qiáng)度并更好的抑制用戶間干擾，從而實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量和頻譜效率。

這在測(cè)試過(guò)程中就需要產(chǎn)生對(duì)應(yīng)每根天線的多通道信號(hào)。矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A為MIMO系統(tǒng)測(cè)試提供了理想的選擇，它可以產(chǎn)生滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的無(wú)線移動(dòng)通信MIMO和波束賦型信號(hào)，目前單臺(tái)SMW200A通過(guò)擴(kuò)展外置上變頻器最多可支持八根發(fā)射天線用于接收機(jī)測(cè)試。SMW200A配合外置上變頻器頻率可達(dá)到6GHz/20GHz/40GHz，帶寬160MHz或2000MHz。使用多臺(tái)SMW200A組合，可模擬天線數(shù)量沒(méi)有上限。同時(shí)，SMW200A還可以模擬完整的MIMO傳輸信道，最大支持32條衰落通道。

圖4、SMW200A外接6臺(tái)上變頻器擴(kuò)展射頻輸出通道

（3）新型空中接口技術(shù)

為了進(jìn)一步的提高頻譜利用率以及應(yīng)用的靈活性，業(yè)界普遍認(rèn)為在5G系統(tǒng)中會(huì)采用不同于4G的空中接口技術(shù)。目前被廣泛研究的主要包括：濾波組多載波技術(shù)（FBMC）、通用濾波器多載波技術(shù)（UFMC）、廣義頻分復(fù)用技術(shù)（GFDM）、基于濾波的正交頻分復(fù)用技術(shù)（f-OFDM）等。各個(gè)廠家都在積極的推動(dòng)各自主導(dǎo)的新技術(shù)，希望能夠在5G標(biāo)準(zhǔn)中脫穎而出成為5G標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，不過(guò)這些技術(shù)是否能夠在5G系統(tǒng)中發(fā)揮更有效的作用，還有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

R&S公司基于矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A，結(jié)合矢量信號(hào)分析儀FSW實(shí)現(xiàn)了典型的新型空中接口技術(shù)的信號(hào)產(chǎn)生和分析，可以幫助各廠家進(jìn)一步驗(yàn)證其技術(shù)的可行性和射頻指標(biāo)。下圖為SMW200A產(chǎn)生f-OFDM信號(hào)的配置和參數(shù)選擇。

圖5、SMW200A內(nèi)置5G新波形產(chǎn)生功能f-OFDM

3. 小結(jié)

根據(jù)IMT-2020推進(jìn)組的最新進(jìn)展，5G已經(jīng)通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，正在進(jìn)行技術(shù)方案驗(yàn)證階段。需要針對(duì)不同廠商的技術(shù)方案，基于統(tǒng)一頻率，統(tǒng)一規(guī)范，開(kāi)展單基站性能測(cè)試和無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)增強(qiáng)技術(shù)的功能、性能和流程測(cè)試。各個(gè)設(shè)備廠家對(duì)于5G技術(shù)的測(cè)試需求已經(jīng)越來(lái)越明顯。本文針對(duì)5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)，簡(jiǎn)要介紹了羅德與施瓦茨公司的矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A在毫米波寬帶信號(hào)產(chǎn)生、多通道射頻信號(hào)產(chǎn)生和MIMO信道衰落模擬等方面的應(yīng)用方案和簡(jiǎn)要參數(shù)指標(biāo)。