5G NR終端SEM測試優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：隨著5G NR網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模的投入商用，如何快速高效的對5G終端進(jìn)行測量越來越讓業(yè)界關(guān)注。由于大規(guī)模MIMO和毫米波技術(shù)的引入使得對5G NR終端信號分析成為了終端射頻一致性測試的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。本文在分析了5G NR終端頻譜發(fā)射模板測量原理的基礎(chǔ)上，提出了一種快速測量方法和硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并進(jìn)行了實(shí)際測量實(shí)驗(yàn).測量結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞：5G NR;頻譜發(fā)射模板（SEM）

0 引言

第五代移動通信技術(shù)（英語：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，簡稱5G或5G技術(shù)）是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，也是繼4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統(tǒng)之后的延伸。5G網(wǎng)絡(luò)正在發(fā)生深刻變化，旨在滿足高數(shù)據(jù)速率、最低保證數(shù)據(jù)速率、大容量、低時(shí)延等方面的需求[1]。5G的性能目標(biāo)是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。所以，在通信產(chǎn)在通信產(chǎn)業(yè)鏈中，終端和通信芯片的生產(chǎn)和測試推動通信技術(shù)的成熟和通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是5G NR終端測試已成為通信測試行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)，尤其在終端設(shè)備的研發(fā)和產(chǎn)線測試上。不同芯片和不同廠商生產(chǎn)的終端在性能方面也會表現(xiàn)不一致，從而影響了運(yùn)營商對網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化定位以及終端和芯片自身的運(yùn)行性能。5G NR終端測試包括三個(gè)方面：射頻一致性測試、RRM資源一致性測試以及協(xié)議一致性測試[2]。目前業(yè)內(nèi)5G NR終端測試射頻一致性測試技術(shù)并未完全成熟，本文結(jié)合3GPP測試協(xié)議，針對射頻一致性測試中的頻譜發(fā)射模板測試提出了一種快速測量方法和硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

1 5G NR頻譜發(fā)射模板測試設(shè)計(jì)

1.1測試平臺設(shè)計(jì)

5G NR規(guī)范包括了兩種已獲得批準(zhǔn)的正交頻分多路復(fù)用（OFDM）、各種調(diào)制和代碼集、靈活的參數(shù)配置（numerology）和多個(gè)信道寬帶等新技術(shù)[3]，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(gè)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(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(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)范可能會將這一聚合帶寬提高至超過1GHz[3]。

由于5G NR技術(shù)新增了5G Massive MIMO（NR MIMO）技術(shù)，其基站側(cè)的天線數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用戶段的天線數(shù)量，使得終端射頻一致性測試與TD-LTE技術(shù)有所不同[4]。在5G Massive MIMO下表現(xiàn)明顯的就是信號帶寬變大和信號帶寬類型組合增多，對射頻器件和中頻分析帶寬均提出了新的要求，同時(shí)增加了數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度。綜合考慮到多方面因素，本文提出了一種硬件總體設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

其中射頻頻率范圍為70 MHz-7100 MHz，首先將1.47456GHz中頻輸入信號經(jīng)過帶通濾波器后和7GHz固定本振混頻到8.47456GHz中頻，8.47456GHz中頻信號和8.54456GHz～15.57456GHz掃頻本振混頻后實(shí)現(xiàn)70MHz～7100MHz射頻信號輸出。因?yàn)楦哌_(dá)-135dB/Hz@10MHz的整機(jī)相位噪聲指標(biāo)要求，5G NR終端綜合測試平臺射頻前端和發(fā)射通道本振電路采用多環(huán)方案。小數(shù)分頻鎖相環(huán)產(chǎn)生高分辨率頻率信號，給主環(huán)提供參考信號，取樣環(huán)輸出高純信號與主環(huán)反饋信號混頻后送入鑒相器，最終產(chǎn)生寬頻帶高性能本振信號。整機(jī)軟件主要包括FPGA+ARM組成的核心基帶軟件、整機(jī)控制與數(shù)據(jù)顯示接口軟件。其中中頻處理模塊的采樣率為30.72 Mbps，分析帶寬為30.72 MHz;高速基帶處理模塊采用了多核DSP+FPGA實(shí)現(xiàn)基帶信號物理層處理過程。每個(gè)射頻通道配置各自的中心頻率且每個(gè)通道之間的頻率間隔為采樣時(shí)鐘頻率，目的是在有限射頻通道帶寬和有限中頻分析帶寬的情況下，提高信號分析帶寬，以滿足載波聚合下上行帶寬測試要求。多路射頻信號經(jīng)過射頻通道模塊到達(dá)中頻模塊，中頻模塊采用寬帶調(diào)制器對每一路信號處理為低頻信號再經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號;中頻模塊中的FPGA通過幀同步與終端上行信號進(jìn)行同步，并對無線幀中子幀2的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集長度為1ms，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器對每個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)為，其中。在FPGA內(nèi)部對所有碼元的采樣點(diǎn)進(jìn)行長度為的復(fù)數(shù)快速傅里葉變換，輸出FFT后的數(shù)據(jù)長度為，每個(gè)點(diǎn)功率值為：

其中，為每個(gè)碼元采樣點(diǎn)的功率值，為FFT變換后的功率值，為整個(gè)射頻通道的通道增益功率值。

1.2 測試方法

帶外雜散是落在通信載波之外的干擾雜散，通常源于信號調(diào)制過程和發(fā)射機(jī)的非線性，但不包括雜散發(fā)射[5]。頻譜發(fā)射模板主要用于逐點(diǎn)驗(yàn)證終端的帶外雜散性能。終端發(fā)射機(jī)射頻頻譜如圖2所示，其中為帶外雜散。

頻譜發(fā)射模板由信道帶寬（channel bandwidth）、帶外輻射（）和雜散輻射區(qū)域（spurious emission）組成。在不同的帶外輻射（）、信道帶寬（channel bandwidth）下和測量帶寬下，對5G頻譜發(fā)射模板的功率指標(biāo)有著不同的要求，具體參考3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2條。由于國內(nèi)市場上支持毫米波的5G NR終端尚處于驗(yàn)證階段且難以購買，因此在毫米波條件下的測試不在本文論述中。

初始測試配置包括基于3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2中規(guī)定的NR工作帶的環(huán)境條件、測試頻率、測試信道帶和子載波間距。

測試方法如下：

（1）同步信號通過PDCCH DCI格式0_1為C_RNTI發(fā)送每個(gè)UL HARQ進(jìn)程的上行調(diào)度信息，以根據(jù)3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2中規(guī)定的參數(shù)調(diào)度ULRMC。由于UL沒有有效載荷，也沒有環(huán)回?cái)?shù)據(jù)來發(fā)送，因此UE會在ULRMC（上行參考測量通道）上發(fā)送上行MAC填充位。

（2）連續(xù)向UE發(fā)送功率控制“向上”命令，直到UE在PUMAX級傳輸。允許UE至少有200ms達(dá)到PUMAX級別。

（3）根據(jù)測試配置測量無線接入模式信道帶寬中UE的平均功率，應(yīng)滿足3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2中規(guī)定的指標(biāo)要求。測量周期應(yīng)至少在連續(xù)活動上行槽上持續(xù)1ms。對于TDD，僅測試包含UL符號的插槽。

（4）配置測試儀中頻采樣時(shí)鐘頻率為30.72Mbps，用于A/D數(shù)據(jù)采樣。

（5）配置測試儀本振頻率，相對于左偏移30.72MHz即，存儲采樣后的數(shù)據(jù)，再設(shè)置本振頻率，相對于右偏移30.72MHz即，同樣對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

（6）采樣的數(shù)據(jù)通過中頻處理模塊進(jìn)行FFT、RMS檢波之后送到數(shù)據(jù)與圖像顯示處理模塊合并、數(shù)據(jù)擬合、計(jì)算和繪制跡線，并根據(jù)協(xié)議給出測試要求進(jìn)行測試結(jié)果的判斷。

（7）對于下一幀數(shù)據(jù)重復(fù)步驟（4）（6）進(jìn)行測量。

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和測試方法相比，本文提出的測試方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）5G NR終端綜合測試平臺射頻前端和發(fā)射通道本振電路采用多環(huán)方案，來實(shí)現(xiàn)高達(dá)-135dB/Hz@10MHz的整機(jī)相位噪聲指標(biāo)要求。

（2）由FPGA+ARM組成的核心基帶軟件，共同完成物理層解調(diào)和解碼過程，通過硬件加速模式提高了物理層解析速度，從而提高了儀器的測試處理效率。

（3）在測試中要觀測帶外輻射，本文采取依靠控制本振頻率左右偏移量使得在頻域上可以完全覆蓋最大值，這樣做的目的在于利用有限的射頻帶寬和中頻帶寬提高信號總分析帶寬，減少了硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜性以及成本。

2 測試結(jié)果

本文選擇中心頻率1GHz作為測試?yán)K端測試時(shí)的參數(shù)配置完全按照3GPP TS 38.522協(xié)議中表6.5.2.2.3-1測試初始條件規(guī)定進(jìn)行配置，系統(tǒng)帶寬選擇100MHz，發(fā)射功率設(shè)置為-10dBm，對FDD_CP_OFDM_30kHz_16QAM_273RBs信號進(jìn)行頻譜發(fā)射模板測試。整個(gè)測試過程完全按照本文設(shè)計(jì)的測試方法進(jìn)行，具體的測試結(jié)果如下：

圖3中的紅色跡線表示按照3GPP TS 38.522協(xié)議規(guī)定測試要求規(guī)定的頻譜模板上限值，具體區(qū)間有九部分組成，分別為偏離中心頻率±105MHz-100MHz、±100MHz-5MHz、±5MHz-1MHz、±1MHz-0MHz以及帶內(nèi)的-50MHz-+50MHz。從圖中可以看出頻譜跡線均在頻譜模板線以內(nèi)，并有較大余量，占用帶寬100MHz，所有測試結(jié)果完全滿足協(xié)議規(guī)定的測試要求。

結(jié) 論

本文提出的硬件平臺設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)高性能本振信號的產(chǎn)生、多路射頻信號的收發(fā)、基帶信號的高速處理，從而滿足對5G NR終端信號測量分析帶寬要求，同時(shí)配合高效的測試方法和校準(zhǔn)軟件以及數(shù)據(jù)處理方法極大地提高了5G NR終端綜合測試儀的測試效率。本文所提方法可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活性高，可以運(yùn)用到其他制式測試中，僅憑單臺儀器就可以完成多模（2/3/4/5G）、多制式、多頻段終端測試需求。

參考文獻(xiàn)

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[5]王振世，一本書讀懂5G技術(shù)[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018，P299-P303

[6]3GPP TS 36.521-1 V11.1.0 User Equipment （UE） conformance specification Radio transmission and reception （Release 11） [S]， 2013.

[7]3GPP TS 38.522 V11.1.0 User Equipment （UE） conformance specification; Applicability of RF andrrm TEST[S] ， 2017

作者簡介：

崔琦 （1981.6-），男，漢族，安徽省蚌埠市，通信作者，碩士，工程師，主要研究方向：5G NR移動通信系統(tǒng)開發(fā)