李 峰 是德科技無線通信高級技術(shù)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(shù)專家

第五代移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)超高數(shù)據(jù)傳輸目標的核心技術(shù)是采用毫米波頻段和高達500M～ 4GHz的超寬帶信號調(diào)制，遠遠超過目前最新的4G和WLAN技術(shù)所使用的頻率范圍和調(diào)制帶寬，給目前的5G研究和產(chǎn)品開發(fā)提出了很大的挑戰(zhàn)，需要研發(fā)全新的器件、模塊、基帶、和射頻微波系統(tǒng)，但是目前針對無線通信技術(shù)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(nèi)的調(diào)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(chǎn)生和信號分析手段。本文介紹了專門為5G先進技術(shù)研究開發(fā)而設(shè)計的驗證測試平臺，基于是德科技SystemVue系統(tǒng)設(shè)計仿真軟件，M8190A超寬帶任意波發(fā)生器，E8267D微博矢量信號發(fā)生器，N9040BUXA寬帶矢量信號分析儀或63G實時示波器，可以直接產(chǎn)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(jīng)經(jīng)歷了4代，最早出現(xiàn)的是模擬通信，只能傳輸語音業(yè)務(wù)，2G以GSM為主，主要傳輸語音和低速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，3G包括WCDMA和TD-SCDMA等，初步實現(xiàn)了移動互聯(lián)網(wǎng)操作，推動了智能手機的普及，4GLTE實現(xiàn)了高速無線接入和豐富的多媒體應(yīng)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(xiàn)超高速的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率達到幾個G甚至10G比特率，從而徹底解決現(xiàn)在移動通信的速率瓶頸。為了實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕耍?G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，需要使用更高的頻段，例如毫米波，調(diào)制帶寬會從現(xiàn)在的幾十M跨越到500M～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），所以針對5G關(guān)鍵技術(shù)的研究和驗證是目前的主要任務(wù)。

目前，針對5G的研究和測試驗證主要面臨三大挑戰(zhàn)：首先，軟件方面如何簡便、快捷地產(chǎn)生和分析5G格式信號；其二，硬件能否實現(xiàn)在毫米波頻段，500M～3GHz超寬帶信號的發(fā)射和接收；其三，需要全面的驗證和測試能力，如系統(tǒng)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(yīng)對5G帶來的挑戰(zhàn)，幫助客戶快速進入5G先進技術(shù)研究開發(fā)，是德科技已經(jīng)構(gòu)建了一套5G驗證測試平臺，基于是德科技SystemVue系統(tǒng)設(shè)計軟件，M8190A超寬帶任意波形發(fā)生器，E8267D微波矢量信號發(fā)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(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)了目前業(yè)界最佳5G發(fā)射信號質(zhì)量；該平臺可以用于協(xié)助5G物理層算法開發(fā)和驗證，毫米波和超寬帶器件和模塊的設(shè)計和調(diào)試，5G信道建模和驗證，初期的發(fā)射機和接收機測試和驗證，應(yīng)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(shù)研究提供可立即使用的參考信號處理用戶專利設(shè)計，借助這個基帶程序庫，基帶物理層設(shè)計人員可以大幅節(jié)省時間提升工作效率；系統(tǒng)架構(gòu)師、算法開發(fā)人員和基帶硬件設(shè)計人員可以充分利用集成仿真環(huán)境，應(yīng)用動態(tài)鏈路級場景研究、實現(xiàn)和驗證通信物理層信號處理設(shè)計，也可以非常方便地重新設(shè)計參考發(fā)射機和接收機，以獲得最佳性能，并于其他候選技術(shù)設(shè)計進行比較。W1906BEL5G基帶程序庫包括源代碼、模型、子系統(tǒng)、仿真實例和基礎(chǔ)組件，可以提供用于5G候選波形技術(shù)FBMC的數(shù)字信號處理模塊，端到端物理層發(fā)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(shè)計，系統(tǒng)級性能驗證和BER/FER測試，以及連接是德科技硬件儀表構(gòu)建實物仿真和測試平臺的能力。

圖1 FBMC與OFDM在實現(xiàn)上的區(qū)別

圖1所示為FBMC與OFDM在實現(xiàn)上的區(qū)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(zhuǎn)換等過程，與OFDM比較主要區(qū)別就在于OQAM和濾波器組處理。

OQAM處理將QAM信號轉(zhuǎn)換為OffsetQAM，主要包含2個步驟，首先將QAM符號從復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)為實部和虛部兩個實數(shù)，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(xù)的Sub-channel，假定為m（偶數(shù)序號）和m+1（奇數(shù)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(shù)K決定，混疊系數(shù)K可以表述為濾波器的沖激響應(yīng)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(shù)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(shù)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(fā)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(xiàn)與硬件儀表連接構(gòu)建實際的發(fā)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(jié)構(gòu)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(fā)射和接收能力結(jié)合在一起，從而為業(yè)界提供完整的驗證5G系統(tǒng)級性能的能力，同時也可以將正在研發(fā)的5G軟件或硬件與平臺結(jié)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(chǎn)生（發(fā)射機）和信號接收分析（接收機）。

圖3 5G驗證測試平臺

發(fā)射機硬件由M8190A寬帶任意波形發(fā)生器和E8267DPSG微波矢量信號源構(gòu)成。M8190A是基于AXIe架構(gòu)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(diào)整，并內(nèi)置數(shù)字上變頻DUC功能。為了實現(xiàn)毫米波頻段信號產(chǎn)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(diào)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(nèi)置的基帶信號發(fā)生器，同時可以包含寬帶IQ信號調(diào)制器，標稱寬帶IQ調(diào)制帶寬為2GHz，實際測試表明E8267D PSG輸出的IQ調(diào)制帶寬實際超出2GHz，因此M8190A 與E8267DPSG的組合是目前業(yè)界唯一能完全滿足5G關(guān)鍵技術(shù)要求的5G毫米波和超寬帶信號發(fā)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(diào)分析帶寬和實時頻譜測量帶寬都達到業(yè)界最高的510MHz，具備全帶寬內(nèi)14bit量化，IQ帶寬內(nèi)無失真動態(tài)范圍超過75dBc，相噪指標也達到了業(yè)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(tài)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(xiàn)的驗證和測試

3.1 5G毫米波超寬帶信號產(chǎn)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(jīng)構(gòu)建了覆蓋5G主要帶寬要求的發(fā)射信號模型，包括基于FBMC調(diào)制的500MHz、1GHz、2GHz、3GHz和4GHz帶寬信號，子載波調(diào)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(chǎn)生的載波頻率為20GHz，調(diào)制帶寬為4GHz，調(diào)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(diào)制帶寬信號明顯存在帶內(nèi)不平坦現(xiàn)象，主要是寬帶IQ調(diào)制器存在的線性失真，會明顯影響發(fā)射信號的矢量誤差。為提高超寬帶發(fā)射機的調(diào)制質(zhì)量，該平臺采用了一種簡便直接的矢量校正方法，首先產(chǎn)生一個可以覆蓋工作帶寬的寬帶調(diào)制信號，調(diào)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(diào)測量EVM，并通過均衡器計算并提取頻率響應(yīng)曲線的矢量值，然后再對基帶信號進行預(yù)失真處理。典型的寬帶16QAM信號解調(diào)和均衡器計算頻率響應(yīng)的曲線如圖5所示。

圖5 典型的寬帶16QAM信號解調(diào)和均衡器計算頻率響應(yīng)的曲線

圖6 經(jīng)過寬帶校正最終產(chǎn)生出來的信號

經(jīng)過寬帶校正最終產(chǎn)生出來的信號如圖6所示，可以看到除了子載波數(shù)字調(diào)制引起的峰均比外，整個帶寬內(nèi)信號分布比較平坦。

3.2 5G收發(fā)信機系統(tǒng)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(gòu)建了完整5G發(fā)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(tǒng)級性能驗證和算法驗證，也可以測試發(fā)射機和接收機指標，還可以驗證和調(diào)試5G元器件。系統(tǒng)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(tǒng)在各種參數(shù)條件和傳播條件下的性能，下面是兩種典型調(diào)制帶寬和調(diào)制格式參數(shù)系統(tǒng)在AWGN信道條件下的驗證結(jié)果，其中使用的指標是吞吐率，系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(diào)制帶寬驗證了系統(tǒng)級吞吐率，信號載波頻率為20GHz，調(diào)制帶寬為500MHz，調(diào)制方式為FBMC 64QAM，AWGN信道，信噪比從0～20dB變化，圖7所示為系統(tǒng)級吞吐率Throughput與信噪比SNR的關(guān)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(diào)制帶寬驗證了系統(tǒng)級吞吐率，信號載波頻率為20GHz，調(diào)制帶寬為4GHz，調(diào)制方式為FBMC16QAM，AWGN信道，信噪比從10～35dB變化。圖8所示為系統(tǒng)級吞吐率Throughput與信噪比SNR的關(guān)系曲線，可以看到吞吐率Throughput約為7.4～9.3Gbit/s。

圖7 系統(tǒng)級吞吐率Throughput與信噪比SNR的關(guān)系曲線1

4 結(jié)束語

通過5G驗證測試平臺實現(xiàn)了基于5GFBMC調(diào)制技術(shù)，使用毫米波頻率，超過500M甚至高達4GHz的超寬帶信號的發(fā)射和接收，實現(xiàn)了接近10G比特率的數(shù)據(jù)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(shù)要求。

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

圖8 系統(tǒng)級吞吐率Throughput與信噪比SNR的關(guān)系曲線2

2015-04-30）