5G毫米波和超寬帶信號的驗證和測試

李 峰 是德科技無線通信高級技術專家

5G毫米波和超寬帶信號的驗證和測試

李 峰 是德科技無線通信高級技術專家

第五代移動通信系統實現超高數據傳輸目標的核心技術是采用毫米波頻段和高達500M～ 4GHz的超寬帶信號調制，遠遠超過目前最新的4G和WLAN技術所使用的頻率范圍和調制帶寬，給目前的5G研究和產品開發提出了很大的挑戰，需要研發全新的器件、模塊、基帶、和射頻微波系統，但是目前針對無線通信技術的標準以及驗證和測試方法都是在6GHz以下的RF頻段以及160MHz以內的調制帶寬，缺乏成熟有效同時具備一流性能指標的毫米波和超寬帶信號產生和信號分析手段。本文介紹了專門為5G先進技術研究開發而設計的驗證測試平臺，基于是德科技SystemVue系統設計仿真軟件，M8190A超寬帶任意波發生器，E8267D微博矢量信號發生器，N9040BUXA寬帶矢量信號分析儀或63G實時示波器，可以直接產生和分析高達4GHz帶寬的5G物理層信號，如FBMC等。

5G毫米波 超寬帶

1 引言

無線通信的演進已經經歷了4代，最早出現的是模擬通信，只能傳輸語音業務，2G以GSM為主，主要傳輸語音和低速的數據業務，3G包括WCDMA和TD-SCDMA等，初步實現了移動互聯網操作，推動了智能手機的普及，4GLTE實現了高速無線接入和豐富的多媒體應用，而5G將給無線通信帶來革命性的飛躍，5G的核心目標就是要實現超高速的數據傳輸，傳輸速率達到幾個G甚至10G比特率，從而徹底解決現在移動通信的速率瓶頸。為了實現超高速數據傳輸的目標，5G需要采用全新的無線傳輸技術，由于頻率資源和帶寬問題，需要使用更高的頻段，例如毫米波，調制帶寬會從現在的幾十M跨越到500M～3GHz，而且還會使用新的物理層技術（包括調制編碼和多址接入），所以針對5G關鍵技術的研究和驗證是目前的主要任務。

目前，針對5G的研究和測試驗證主要面臨三大挑戰：首先，軟件方面如何簡便、快捷地產生和分析5G格式信號；其二，硬件能否實現在毫米波頻段，500M～3GHz超寬帶信號的發射和接收；其三，需要全面的驗證和測試能力，如系統級驗證和軟件硬件甚至模塊的驗證和測試。

2 5G毫米波和超寬帶信號驗證測試平臺

為了應對5G帶來的挑戰，幫助客戶快速進入5G先進技術研究開發，是德科技已經構建了一套5G驗證測試平臺，基于是德科技SystemVue系統設計軟件，M8190A超寬帶任意波形發生器，E8267D微波矢量信號發生器，N9040BUXA超寬帶信號分析儀以及90000系列高帶寬示波器，可以直接產生和分析毫米波頻段超過500M帶寬的5G物理層信號，如FBMC等，進行系統級和軟硬件模塊的驗證和測試。該平臺提供一種簡便、快速的超寬帶硬件線性失真校正方法，使測試系統實現了目前業界最佳5G發射信號質量；該平臺可以用于協助5G物理層算法開發和驗證，毫米波和超寬帶器件和模塊的設計和調試，5G信道建模和驗證，初期的發射機和接收機測試和驗證，應用非常廣泛，具備良好的靈活性和可擴展性。

2.1 基于SystemVue的5GFBMC參考庫

基于SystemVue的W1906BEL5G基帶程序庫能夠為5G技術研究提供可立即使用的參考信號處理用戶專利設計，借助這個基帶程序庫，基帶物理層設計人員可以大幅節省時間提升工作效率；系統架構師、算法開發人員和基帶硬件設計人員可以充分利用集成仿真環境，應用動態鏈路級場景研究、實現和驗證通信物理層信號處理設計，也可以非常方便地重新設計參考發射機和接收機，以獲得最佳性能，并于其他候選技術設計進行比較。W1906BEL5G基帶程序庫包括源代碼、模型、子系統、仿真實例和基礎組件，可以提供用于5G候選波形技術FBMC的數字信號處理模塊，端到端物理層發射和接收仿真模型，頻率和時間同步，信道估計和修正，生成參考波形以驗證射頻電路設計，系統級性能驗證和BER/FER測試，以及連接是德科技硬件儀表構建實物仿真和測試平臺的能力。

圖1 FBMC與OFDM在實現上的區別

圖1所示為FBMC與OFDM在實現上的區別。FBMC主要包括符號映射、子載波映射、OQAM處理、IFFT、濾波器組處理、并串行轉換等過程，與OFDM比較主要區別就在于OQAM和濾波器組處理。

OQAM處理將QAM信號轉換為OffsetQAM，主要包含2個步驟，首先將QAM符號從復數轉為實部和虛部兩個實數，并且采樣率變成2倍，然后與序列相乘，m代表Sub-channel，n代表離散時間變量，OQAM處理是將QAM符號的實部或虛部做1/2符號周期的時間偏移，對于連續的Sub-channel，假定為m（偶數序號）和m+1（奇數序號），對Sub-channelm，QAM符號的實部做1/2符號周期的時間偏移，對Sub-channel m+1，QAM符號的虛部做1/2符號周期的時間偏移。OQAM處理的主要好處是可以降低信號的峰均比PAR。

公式（1）為濾波器組輸出S[m]表達式，其中也包含了OQAM處理的部分。

濾波器組的含義是指第1個濾波器為原型濾波器，其它濾波器是通過對原型濾波器進行頻移得到的。原型濾波器的特性由混疊系數K決定，混疊系數K可以表述為濾波器的沖激響應時間與子載波符號周期T的比值，也是子載波符號在時域上混疊的數目。從圖2可以看到，K值越大，濾波器滾降越陡峭，但是混疊子載波旁瓣數量也越大，所以FBMC子載波之間存在干擾，不是正交的，而OFDM可以看作是K=1的情況。

W1906BEL在FBMC的發射機模型中還插入了Preamble和Pilot信號，在接收機模型中基于Preamble 和Pilot提供了時間和頻率同步，信道估計和均衡修正，Pilot相位跟蹤修正等功能，這樣就可以實現與硬件儀表連接構建實際的發射機和接收機。

圖2 濾波器組示意圖

2.2 驗證測試平臺的結構和組成儀表介紹

圖3 所示的5G驗證測試平臺是將5GFBMC軟件處理與毫米波和超寬帶的硬件發射和接收能力結合在一起，從而為業界提供完整的驗證5G系統級性能的能力，同時也可以將正在研發的5G軟件或硬件與平臺結合，或替代平臺中的模塊，進行驗證和測試。

SystemVue和前面介紹的W1906BEL程序庫組成了軟件處理的部分，硬件平臺分成信號產生（發射機）和信號接收分析（接收機）。

圖3 5G驗證測試平臺

發射機硬件由M8190A寬帶任意波形發生器和E8267DPSG微波矢量信號源構成。M8190A是基于AXIe架構的模塊化儀表，每個M8190A可以提供兩個通道差分信號輸出，每個通道具備8GHz采樣率14bit量化或12GHz采樣率12bit量化，5GHz模擬帶寬，采樣率可以靈活調整，并內置數字上變頻DUC功能。為了實現毫米波頻段信號產生，采用兩通道IQ輸出模式。M8190A輸出的兩路IQ差分信號送到E8267DPSG，調制到微波/毫米波的載波頻率。E8267D PSG具備從250kHz到最高44GHz的頻率范圍，不僅具備內置的基帶信號發生器，同時可以包含寬帶IQ信號調制器，標稱寬帶IQ調制帶寬為2GHz，實際測試表明E8267D PSG輸出的IQ調制帶寬實際超出2GHz，因此M8190A 與E8267DPSG的組合是目前業界唯一能完全滿足5G關鍵技術要求的5G毫米波和超寬帶信號發射平臺。

接收機硬件可以選擇N9040BUXA或90000系列高帶寬示波器兩種類型儀表，N9040BUXA是最新型信號分析儀，覆蓋3Hz～26.5GHz頻率范圍，IQ解調分析帶寬和實時頻譜測量帶寬都達到業界最高的510MHz，具備全帶寬內14bit量化，IQ帶寬內無失真動態范圍超過75dBc，相噪指標也達到了業界最高的-136dBm/Hz（1GHz載波、20kHz偏移），是兼顧5G寬帶信號接收測量和射頻微波測量精度動態范圍的最佳選擇，90000系列高帶寬示波器可以提供最高達63GHz的接收和分析帶寬，可以滿足更高帶寬的需要。

圖4 5G毫米波和超寬帶驗證測試平臺

3 5G平臺實現的驗證和測試

3.1 5G毫米波超寬帶信號產生和線性失真校正

目前，在這個5G毫米波和超寬帶驗證測試平臺上已經構建了覆蓋5G主要帶寬要求的發射信號模型，包括基于FBMC調制的500MHz、1GHz、2GHz、3GHz和4GHz帶寬信號，子載波調制方式包括QPSK、16QAM 和64QAM，載波頻率最高可達44GHz，如果使用外混頻方式，還可以支持更高的毫米波頻段，例如EBand。圖4所示的例子是該驗證測試平臺產生的載波頻率為20GHz，調制帶寬為4GHz，調制方式為16QAM的FBMC信號，使用信號分析儀測量OBW占用帶寬，測量得到的信號99%累積功率占用帶寬約為3.9GHz。

也可以看到圖4所示的4GHz調制帶寬信號明顯存在帶內不平坦現象，主要是寬帶IQ調制器存在的線性失真，會明顯影響發射信號的矢量誤差。為提高超寬帶發射機的調制質量，該平臺采用了一種簡便直接的矢量校正方法，首先產生一個可以覆蓋工作帶寬的寬帶調制信號，調制方式可以選擇QPSK或16QAM，其中16QAM效果較好，然后采用矢量信號分析儀解調測量EVM，并通過均衡器計算并提取頻率響應曲線的矢量值，然后再對基帶信號進行預失真處理。典型的寬帶16QAM信號解調和均衡器計算頻率響應的曲線如圖5所示。

圖5 典型的寬帶16QAM信號解調和均衡器計算頻率響應的曲線

圖6 經過寬帶校正最終產生出來的信號

經過寬帶校正最終產生出來的信號如圖6所示，可以看到除了子載波數字調制引起的峰均比外，整個帶寬內信號分布比較平坦。

3.2 5G收發信機系統級吞吐率驗證

5G驗證測試平臺的核心是通過軟件和硬件構建了完整5G發射機和接收機，因此可以完成比較全面的5G驗證和測試，既可以做系統級性能驗證和算法驗證，也可以測試發射機和接收機指標，還可以驗證和調試5G元器件。系統級驗證主要是通過誤碼率BER或吞吐率等指標來反映5G系統在各種參數條件和傳播條件下的性能，下面是兩種典型調制帶寬和調制格式參數系統在AWGN信道條件下的驗證結果，其中使用的指標是吞吐率，系統物理層理論的峰值吞吐率計算方法如下：

Throughput（bit/s）=Numberofbitsperframe/Frame duration

考慮誤碼率BER后的實際數據吞吐率計算方法如下：

Throughput（bit/s）=（Numberofbitsperframe/Frame duration）×（1-BER%）

實例1是在20GHz載波頻率和500MHz調制帶寬驗證了系統級吞吐率，信號載波頻率為20GHz，調制帶寬為500MHz，調制方式為FBMC 64QAM，AWGN信道，信噪比從0～20dB變化，圖7所示為系統級吞吐率Throughput與信噪比SNR的關系曲線，可以看到吞吐率Throughput約為1.06～1.63Gbit/s。

實例2是在20GHz載波頻率和4GHz調制帶寬驗證了系統級吞吐率，信號載波頻率為20GHz，調制帶寬為4GHz，調制方式為FBMC16QAM，AWGN信道，信噪比從10～35dB變化。圖8所示為系統級吞吐率Throughput與信噪比SNR的關系曲線，可以看到吞吐率Throughput約為7.4～9.3Gbit/s。

圖7 系統級吞吐率Throughput與信噪比SNR的關系曲線1

4 結束語

通過5G驗證測試平臺實現了基于5GFBMC調制技術，使用毫米波頻率，超過500M甚至高達4GHz的超寬帶信號的發射和接收，實現了接近10G比特率的數據吞吐率。這套5G測試驗證平臺可以完全滿足5G毫米波和超寬帶技術要求。

是德科技是目前行業唯一提供5G全面解決方案，能夠幫助客戶應對5G測試和系統驗證的挑戰。是德科技在軟件方面推出了業界第1個5G仿真庫，支持FBMC和MassiveMIMO，在硬件方面已經全面支持毫米波頻段，510M以上超寬帶的信號發射和接收，同時提供系統級驗證和測試能力，包括誤碼率、EVM和吞吐率等。

圖8 系統級吞吐率Throughput與信噪比SNR的關系曲線2

2015-04-30）