作者/ 李峰 是德科技無線通信資深技術(shù)顧問

摘要：本文介紹了5G通信對測試提出的需求，并就是德科技的Signal Optimizer寬帶測試平臺進(jìn)行了應(yīng)用和實例分析。

引言

　　目前5G已經(jīng)成為整個無線通信行業(yè)的發(fā)展方向，5G將給無線通信帶來革命性的飛躍。5G的主要應(yīng)用場景是eMBB，即增強(qiáng)的移動寬帶，核心目標(biāo)是要實現(xiàn)超高速的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)在4G的水平，要達(dá)到10Gbps~100Gbps，從而徹底解決現(xiàn)在移動通信的速率瓶頸問題。為了實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)，5G需要采用全新的無線傳輸技術(shù)，由于頻率資源和帶寬問題，傳統(tǒng)無線通信所使用的6GHz以下的低頻段無法達(dá)到這個目標(biāo)，需要使用更高的頻段，即毫米波頻段，調(diào)制帶寬會從現(xiàn)在的幾十M跨越到500M，再到3GHz，而且還會使用新的物理層技術(shù)包括調(diào)制編碼和多址接入，這也對無線通信設(shè)備的射頻測試提出了更高的要求。

5G測試的需求

　　為了更有力地推動5G毫米波技術(shù)試驗和開發(fā)，工信部已經(jīng)發(fā)布了關(guān)于5G頻段的官方文件，其中毫米波頻段包括24.75~27.5GHz和37~42.5GHz，而主流廠商所測試的信號調(diào)制帶寬要求達(dá)到800MHz，這將大大加快5G毫米波技術(shù)在中國的發(fā)展進(jìn)程。但是現(xiàn)在無線通信行業(yè)也面臨著極大的挑戰(zhàn)，由于缺乏用于基站和終端的能夠支持毫米波和超寬帶的射頻器件，尤其是功率放大器PA，這使得國內(nèi)5G毫米波技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用受到極大地限制。因此國內(nèi)主要運營商、系統(tǒng)廠商以及半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)開始全力開發(fā)支持中國5G毫米波頻段和800MHz帶寬的PA產(chǎn)品。針對最先應(yīng)用于基站的大功率PA需求，傳統(tǒng)的CMOS工藝功率放大器無法提供足夠高的輸出功率，而砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)工藝的功率放大器能夠在毫米波頻段支持更高的發(fā)射功率和更大的調(diào)制帶寬，所以受到行業(yè)的青睞。

　　由于5G毫米波和超寬帶功率放大器還處于起步階段，為了驗證和確保新型的功率放大器能夠滿足5G無線傳輸?shù)囊?，無論是器件廠商還是基站系統(tǒng)廠商都需要在調(diào)試和最終系統(tǒng)測試階段對產(chǎn)品進(jìn)行大量射頻參數(shù)測試，主要包括兩類，第一類是傳統(tǒng)的針對PA自身的器件參數(shù)，包括輸出功率 、增益、噪聲系數(shù)和S參數(shù)/X參數(shù)等;第二類是根據(jù)無線通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)針對5G寬帶調(diào)制信號所要求的矢量誤差EVM和鄰道泄漏比ACLR等。而后者對測試平臺的功能和性能要求更高更復(fù)雜，不僅需要支持各種靈活定義的數(shù)字調(diào)制格式和5G候選波形，支持靈活的信號產(chǎn)生和復(fù)雜的矢量信號分析，而且對儀表在毫米波和超寬帶條件下的精度和動態(tài)范圍提出了很大的挑戰(zhàn)，其中超寬帶條件下的EVM測試就是目前的一個難點。

Signal Optimizer寬帶測試平臺

　　我們通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，針對5G毫米波和超寬帶PA的EVM測試與傳統(tǒng)的3G/4G有很大不同，主要原因是毫米波和超寬帶條件對儀表和附件所構(gòu)成的測試平臺的要求大大提高，由測試平臺所引入的失真和誤差會嚴(yán)重影響最終的測試結(jié)果。圖1是一個通過是德科技M8190A+E8267D矢量信號源產(chǎn)生的超寬帶信號的例子。

　　是德科技于2015年開始創(chuàng)建5G毫米波和超寬帶無線通信的原型試驗平臺，基于SystemVue仿真軟件進(jìn)行了當(dāng)時業(yè)界最早的超高速數(shù)據(jù)吞吐率試驗，圖1是這個原型機(jī)試驗的實例，采用基于5G候選波形FBMC調(diào)制，通過是德科技M8190A+E8267D矢量信號源輸出調(diào)制信號，載波頻率為20GHz，調(diào)制帶寬達(dá)到了4GHz，其物理層調(diào)制的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了10~20Gbps。但是從圖1的頻譜曲線可以看出，整個4GHz范圍不同頻率成分的幅度有很大波動，遠(yuǎn)離中心頻率的頻率分離衰減增大，呈現(xiàn)明顯的幅度不平坦，因為信號是由很多個子載波構(gòu)成，這些幅度衰減的頻率成分將使其所在的子載波的信噪比降低，導(dǎo)致EVM下降，雖然原型機(jī)平臺可以依靠接收機(jī)信道均衡和糾錯等措施仍然可以實現(xiàn)較高的吞吐率，但是如果用于PA或基站的射頻測試，就會嚴(yán)重影響測試EVM的準(zhǔn)確度圖2是通過是德科技Signal Optimizer寬帶測試平臺測量寬度系統(tǒng)幅相特性的例子。

　　我們采用是德科技最新推出的Signal Optimizer平臺可以非常方便地測量超寬帶系統(tǒng)的幅度和相位特性，在圖2的例子里面，載波頻率是26GHz，Signal Optimizer軟件產(chǎn)生接近1GHz帶寬的Multitone信號，然后通過分析儀測量1GHz帶寬內(nèi)的幅度和相位變化，可以看到未經(jīng)過寬度校正的系統(tǒng)在1GHz帶寬內(nèi)的幅度波動超過4dB，相位群時延波動超過2ns，信號EVM是比較差的。

　　所以針對5G毫米波和超寬帶PA射頻測試中非常關(guān)鍵的一點就是測試平臺本身必須具備寬帶校正以確保在測試PA之前儀表和所有附件所引入的失真和誤差達(dá)到最小。目前測試儀表采用的寬帶校正方法主要有兩種：

　　第一種方法是內(nèi)置校正數(shù)據(jù)，即在出廠前已經(jīng)對儀表自身的寬帶失真進(jìn)行測量并且將校正數(shù)據(jù)存儲在儀表里面，在測試時儀表根據(jù)頻率和帶寬自動應(yīng)用校正數(shù)據(jù)，無需額外的校正操作即可進(jìn)行測試。這種方法的優(yōu)點是操作簡單，缺點是校正數(shù)據(jù)只應(yīng)用到儀表的測試端口，而不是被測件DUT的輸入或輸出端口，測試中使用的外部附件或射頻器件模塊都沒有覆蓋，其他現(xiàn)場環(huán)境條件或工作條件也可能影響儀表達(dá)到最佳的EVM特性。

　　第二種方法是外部校正，這種方法需要使用校準(zhǔn)器在現(xiàn)場對儀表進(jìn)行寬度校正，實時產(chǎn)生校正數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)絻x表中，使儀表的EVM達(dá)到最優(yōu)。這種方法其實是非常類似射頻器件測試常用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)校準(zhǔn)操作，具有非常突出的優(yōu)點，可以對信號源和分析儀以及外部器件進(jìn)行獨立的校正，校正數(shù)據(jù)即可以應(yīng)用到儀表測試端口，也可以包含測試中使用的外部附件或射頻器件模塊一起校正，校正數(shù)據(jù)可以應(yīng)用到被測件的輸入或輸出端口，而且現(xiàn)場的各種環(huán)境和工作條件產(chǎn)生的影響也會被包括在校正操作中，所以目前應(yīng)用這種方式總是能在現(xiàn)場實現(xiàn)儀表最佳的EVM特性;這種方法的缺點是需要現(xiàn)場操作寬帶校正。

測試案例分析

　　下面我們舉一個實際測試中遇到的案例。在測試大功率PA時經(jīng)常遇到的一個問題就是驅(qū)動放大，由于大功率PA往往需要較高的Pin，而毫米波矢量信號源的最佳線性輸出電平通常低于要求，所以往往需要在被測PA輸入端加一個驅(qū)動放大器，圖3是一個實際測試連接框圖。

　　我們在測試中發(fā)現(xiàn)，實際上除了用于5G寬帶信號產(chǎn)生和分析的信號源和分析儀外，驅(qū)動放大器自身也給測試帶來很大影響。雖然一般采用的驅(qū)動放大器都是寬帶線性放大器，只要設(shè)置合適的輸入和輸出功率區(qū)間，放大器工作在線性區(qū)，非線性失真很小，但是我們不要忽視其仍然存在線性失真，驅(qū)動放大器本身的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)波動仍然對EVM產(chǎn)生較大的影響。實際測試中發(fā)現(xiàn)，在26GHz~29GHz頻率范圍，800MHz調(diào)制帶寬條件下，信號源本身輸出信號的EVM已經(jīng)校正到0.8%，但是經(jīng)過驅(qū)動放大器之后，EVM會惡化到最大3%~4%，這不僅導(dǎo)致最終被測PA輸出信號的EVM很高，而且甚至超過了廠家對系統(tǒng)級EVM的要求。所以這次測試采用了圖4所示是德科技Signal Optimizer平臺的外部校正方法。

　　首先通過校準(zhǔn)器對信號分析儀進(jìn)行寬帶校正，然后信號分析儀應(yīng)用補(bǔ)償校正數(shù)據(jù)后，再使用信號分析儀進(jìn)行源的校正，但是這個源校正是將信號源與驅(qū)動放大器連接起來一起校正，使信號源加驅(qū)動放大器的整體EVM達(dá)到1%左右，這樣再連接被測PA進(jìn)行EVM測試，就獲得了比較理想的結(jié)果，因為這時驅(qū)動放大器的線性失真不會對測試產(chǎn)生影響。

　　在毫米波超寬帶PA測試中，除了前面提到的驅(qū)動放大器的例子，還發(fā)現(xiàn)測試附件等也都會產(chǎn)生影響，比如毫米波頻段使用的線纜和接頭，相對于6GHz以下的低頻段，一般存在更大的線性失真和不平坦性，如果是儀表內(nèi)置校正方式，也很難應(yīng)對，但是現(xiàn)場外部校正方式就可以把它們包含在校正數(shù)據(jù)里面，去除這些部分的影響。

　　是德科技5G測試平臺集合了高性能硬件平臺，M8190A和E8267D組成毫米波超寬帶矢量信號源，M8190A是新一代AXIe模塊化超寬帶任意波形發(fā)生器，每個通道5GHz帶寬，14bit DAC輸出，具備很好的動態(tài)范圍;M8190A的2個通道輸出連接到E8267D，E8267D是經(jīng)典的微波矢量信號源，最高頻率到44GHz，通過毫米波混頻擴(kuò)展也可以支持如110GHz的更高頻率范圍，E8267D的寬帶IQ調(diào)制可以支持2-4GHz調(diào)制帶寬。N9040B/N9041B UXA是是德科技最新的超寬帶X系列信號分析儀，支持最高到110GHz的連續(xù)掃描頻率范圍，內(nèi)置1GHz分析帶寬，IF輸出支持最高5GHz分析帶寬，可以支持各種5G信號的解調(diào)和分析，以及各種針對5G信號的射頻參數(shù)測試，比如功率，ACP，SEM和雜散等。

　　Signal Optimizer軟件平臺是一個集合5G信號產(chǎn)生和分析，以及超寬帶系統(tǒng)校正于一體的綜合測試平臺，支持各種5G候選波形和自定義OFDM等靈活調(diào)制信號，并且采用U9391C/F/G系列校準(zhǔn)器實現(xiàn)業(yè)界獨特的外部寬度校正，由于U9391是可溯源至NIST的計量級校準(zhǔn)器，因此Signal Optimizer可以實現(xiàn)目前業(yè)界最佳的寬帶校正EVM特性。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第10期第31頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。