解析4G至5G無線通信測(cè)試及射頻儀器的那些事

　　一、無線通信測(cè)試概要

　　無線通信測(cè)試技術(shù)與測(cè)試儀器是通信產(chǎn)業(yè)的重要支撐力量，它滲透于通信芯片、模塊、終端、基站、無線網(wǎng)絡(luò)等幾乎所有的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，貫穿于設(shè)計(jì)研發(fā)、認(rèn)證驗(yàn)收、生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與優(yōu)化等幾乎完整產(chǎn)業(yè)生命周期。

　　設(shè)計(jì)與研發(fā)是使用測(cè)試儀器種類最多最廣的階段，主要有示波器、信號(hào)源、頻譜儀（信號(hào)分析儀）、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等通用測(cè)量儀器，以及信道模擬器、終端模擬器、基站模擬器等專用高端測(cè)試儀器；在認(rèn)證與驗(yàn)收階段，主要測(cè)試設(shè)備包括RF一致性測(cè)試系統(tǒng)、協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)、RRM一致性測(cè)試系統(tǒng)；通信企業(yè)生產(chǎn)階段的常用儀器是大家熟悉的終端綜測(cè)儀、以及前面提到的信號(hào)源、頻譜儀等通用測(cè)試儀器；在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與優(yōu)化階段，發(fā)射機(jī)、掃頻儀、手持頻譜儀等各類工程儀表是常用的測(cè)量工具。

　　二、4G無線通信測(cè)試現(xiàn)狀

　　接下來從系統(tǒng)設(shè)備測(cè)試、芯片與終端測(cè)試、射頻測(cè)試和網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)測(cè)試四個(gè)角度談?wù)?G無線通信測(cè)試現(xiàn)狀。

　　1、4G系統(tǒng)設(shè)備測(cè)試——矢量信號(hào)源與信號(hào)分析儀

　　矢量信號(hào)源與矢量信號(hào)分析儀是基站等通信設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)和一致性測(cè)試的高端通用電子測(cè)量儀器，它們的技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

　　第一，頻率方面，通過PLL、DDS、小數(shù)分頻、分頻倍頻來支持從數(shù)kHz-數(shù)GHz的寬頻帶連續(xù)覆蓋，頻率分辨率能達(dá)到0.01Hz，此外頻譜純度高，諧波抑制、雜散與噪聲處理能達(dá)到較高的指標(biāo)要求；

　　第二，幅度方面，矢量信號(hào)源與分析儀通常具備了150dB以上的大動(dòng)態(tài)范圍，0.01dB的高分辨率，以及《±1dB的精度指標(biāo)，線性度好、大幅度衰減少、串?dāng)_及噪聲抑制性能優(yōu)異，并采用自動(dòng)電平控制和溫度補(bǔ)償；

　　第三，矢量性能方面，隨著3G到5G時(shí)代帶寬需求的大幅提升，實(shí)現(xiàn)大帶寬面臨幅相一致性的補(bǔ)償、ADC的高采樣率與高位寬的矛盾、FPGA在高時(shí)鐘頻率下設(shè)計(jì)難度成倍的提升、幾十Gbps高速數(shù)據(jù)傳輸如何保障等一系列技術(shù)難點(diǎn)；

　　第四，工程化開發(fā)方面，為了保障測(cè)試的高可靠性，操作系統(tǒng)、數(shù)字電路、射頻電路所組成的混合系統(tǒng)較為復(fù)雜；

　　第五，應(yīng)用開發(fā)方面，矢量信號(hào)源與分析儀通常基于統(tǒng)一的平臺(tái)來支持多種通信制式下的多重應(yīng)用，如無線通信（2G/3G/4G/4.5G/5G，IEEE 802.11xx），衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電等。新的應(yīng)用也驅(qū)動(dòng)著儀表的技術(shù)演進(jìn)。

　　第六、通道數(shù)方面，隨著MIMO技術(shù)的應(yīng)用，多通道MIMO信號(hào)源與分析儀也是技術(shù)演進(jìn)的方向之一，當(dāng)然也對(duì)儀表系統(tǒng)的可靠性、電磁兼容設(shè)計(jì)等帶來挑戰(zhàn)。

　　2、4G系統(tǒng)設(shè)備測(cè)試——無線信道模擬器

　　除了大家熟悉的信號(hào)源、信號(hào)分析儀這樣的通用儀表，通信測(cè)試中還有一種重要的高端測(cè)試儀器：無線信道模擬器。

　　信道是無線通信物理層技術(shù)研究的基礎(chǔ)之一，MIMO信道近些年來一直是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。MIMO信道模擬器是在實(shí)驗(yàn)室條件下精確可重復(fù)地模擬復(fù)雜的無線信道環(huán)境的儀器。它與信號(hào)源、信號(hào)分析儀有一些類似的技術(shù)特點(diǎn)，比如寬頻帶、大帶寬等。

　　除此之外，由于信道模擬器的雙向鏈路特性，給寬頻帶射頻前端的通道隔離指標(biāo)和多通道射頻一致性提出了很高要求；由于MIMO信道的復(fù)雜性，數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)對(duì)于基帶運(yùn)算資源、數(shù)據(jù)交互速率等等要求很高，因此，基帶與算法架構(gòu)的設(shè)計(jì)極為重要。

　　另外，隨著3D MIMO/Massive MIMO以及高頻信道特性研究的不斷深入，信道模擬的方法與架構(gòu)也在逐步演進(jìn)。

　　3、4G芯片與終端測(cè)試——綜測(cè)儀

　　4G時(shí)期，隨著芯片制造工藝的發(fā)展進(jìn)步，芯片的主流工藝已經(jīng)從28nm進(jìn)入到新的技術(shù)階段，芯片的處理器核數(shù)也發(fā)展到64位應(yīng)用處理器芯片或者8核處理方案。

　　4G時(shí)代的手機(jī)，多模多頻的能力持續(xù)加強(qiáng)，2G/3G以及LTE（TDD/FDD）的全模支持能力需求也持續(xù)在增長；同時(shí)，手機(jī)的Bluetooth/GPS/WIFI以及NFC的通信需求也在不斷增加；射頻方面，手機(jī)的頻點(diǎn)和帶寬能力覆蓋了2/3/4G技術(shù)各個(gè)版本的需求，如R10版本要求終端支持5CC最大100M的下行帶寬，后續(xù)版本中需要終端支持對(duì)MIMO和跨頻段載波聚合以及TDD-FDD不同制式的載波聚合。

　　為了適應(yīng)這些芯片與終端的發(fā)展，傳統(tǒng)的綜測(cè)技術(shù)也需要進(jìn)行相應(yīng)的革新：為了滿足多樣化的測(cè)試需求，單臺(tái)終端測(cè)試儀表需要具備各種通信制式（2G/3G/4G和BWG）的空口協(xié)議棧模擬能力，以適應(yīng)終端研發(fā)過程對(duì)于網(wǎng)絡(luò)側(cè)模擬的要求，同時(shí)終端測(cè)試儀表應(yīng)具備通過集成和開放接口搭建射頻/協(xié)議/RRM一致性測(cè)試系統(tǒng)的能力；

　　此外，由于測(cè)試頻段、帶寬、通道數(shù)大幅擴(kuò)展，綜測(cè)儀表射頻能力需要支持從400M到6GHz的測(cè)試頻率， 滿足各個(gè)工作頻段下的精度以及性能的一致性和穩(wěn)定性，并通過功能擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)多載波聚合以及多通路MIMO的驗(yàn)證能力；

　　針對(duì)終端生產(chǎn)過程中對(duì)于效率和成本的要求，手機(jī)綜測(cè)儀的產(chǎn)線測(cè)試技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的信令綜測(cè)轉(zhuǎn)為速度更快的非信令模式，而且手機(jī)的全頻段校準(zhǔn)和全制式綜測(cè)一站式成為手機(jī)產(chǎn)線測(cè)試的普遍方案。

　　4、4G射頻測(cè)試—矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

　　矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主要用來測(cè)量射頻器件的S參數(shù)，具備高性能、大動(dòng)態(tài)、低噪聲的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、軍工雷達(dá)、半導(dǎo)體、廣播電視、科研教育等領(lǐng)域射頻器件、組件的研發(fā)和生產(chǎn)測(cè)試。

　　4G時(shí)代的射頻器件形態(tài)多樣，有半導(dǎo)體芯片、濾波器、RF連接器以及天線等。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀也不再局限于S參數(shù)的測(cè)量，還具備插入損耗IL、駐波比VSWR、Smith圖的測(cè)量功能，為RF器件、半導(dǎo)體及終端天線提供最基本的性能檢測(cè)。

　　近年來，矢網(wǎng)主要發(fā)展方向包括：非線性測(cè)量、多端口并行測(cè)試、毫米波甚至THz頻段滲透等。

　　5、4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化測(cè)試

　　掃頻儀、發(fā)射機(jī)、手持式頻譜儀和手持式天饋線分析儀等儀表廣泛應(yīng)用于室外模擬測(cè)試和室內(nèi)覆蓋測(cè)試。其中，室外模擬測(cè)試包括傳播模型校正和基站覆蓋測(cè)試；室內(nèi)覆蓋測(cè)試則主要包含了室分系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證及系統(tǒng)驗(yàn)收。

　　掃頻儀具有掃描速度快、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大和獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試等突出特點(diǎn)；發(fā)射機(jī)則經(jīng)歷了從發(fā)射連續(xù)波到發(fā)射簡單導(dǎo)頻再到模擬基站的發(fā)展歷程，支持遠(yuǎn)程可控；手持式頻譜儀用于頻譜分析、干擾排查等，能夠解調(diào)參數(shù)從而進(jìn)行各種信道的分析，具有寬頻帶、高動(dòng)態(tài)、便攜性等突出優(yōu)勢(shì)；手持式天饋線分析儀用于查找天饋線的問題，測(cè)量距離大，方便靈活。

　　網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)測(cè)試屬于工程測(cè)試領(lǐng)域，對(duì)儀表的要求，除了滿足基本的測(cè)試功能以外，正向著便攜化、易操作、大數(shù)據(jù)傳感的方向發(fā)展。

　　三、5G及IoT測(cè)試技術(shù)發(fā)展

　　關(guān)于5G及IoT測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，下面我將分別談?wù)?G信號(hào)源與分析儀、5G大規(guī)模MIMO數(shù)字多波束測(cè)試、Massive MIMO 陣列天線測(cè)試、NB-IoT測(cè)試以及5G信道模擬器。

　　1、5G信號(hào)源與分析儀

　　信號(hào)源與分析儀仍將是5G時(shí)代最重要的通用測(cè)量儀器。5G信號(hào)源與分析儀，工作頻段需要覆蓋從低頻到微波毫米波的范圍，同時(shí)支持500MHz甚至數(shù)GHz的矢量信號(hào)帶寬。

　　實(shí)現(xiàn)數(shù)GHz帶寬的信號(hào)發(fā)生與分析，主要技術(shù)難點(diǎn)包括射頻、微波、毫米波技術(shù)的綜合開發(fā)，高動(dòng)態(tài)高采樣率的ADC，高速FPGA和DSP信號(hào)處理平臺(tái)，以及高吞吐量數(shù)據(jù)交換。頻率覆蓋方面，國外高端矢量信號(hào)源頻率已達(dá)到44GHz，矢量信號(hào)分析儀工作頻率可達(dá)85GHz；調(diào)制帶寬方面，RS公司的矢量信號(hào)源SMW200A內(nèi)調(diào)制帶寬最高可達(dá)2GHz。

　　目前，國內(nèi)儀表廠商在這一領(lǐng)域尚未取得重大進(jìn)展，希望未來能通力合作，突破技術(shù)瓶頸，彌補(bǔ)市場(chǎng)空白。

　　2、5G大規(guī)模MIMO數(shù)字多波束陣測(cè)試

　　針對(duì)5G大規(guī)模MIMO的數(shù)字多波束陣基于數(shù)字域的波束賦形原理，能夠提供高空間分辨率的高增益窄波束，具有靈活的空間復(fù)用能力和較低的用戶間干擾。

　　傳統(tǒng)的天線測(cè)量系統(tǒng)基于信號(hào)源和矢網(wǎng)，而數(shù)字多波束方案從原理和技術(shù)層面都使得傳統(tǒng)的天線測(cè)量系統(tǒng)無法復(fù)用：傳統(tǒng)表征天線性能的指標(biāo)，不再適合描述數(shù)字多波束陣列；未來Tx/Rx組件與天線單元高度集成，無法單獨(dú)測(cè)量; 數(shù)字與模擬的混合導(dǎo)致的非線性特性使得天線測(cè)量成為系統(tǒng)性能測(cè)量。

　　3、Massive MIMO陣列天線測(cè)試

　　作為5G的關(guān)鍵使能技術(shù)之一，大規(guī)模天線技術(shù)不可避免地為天線測(cè)試帶來一系列挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的多端口測(cè)試大多基于單臺(tái)矢網(wǎng)分步測(cè)試或多臺(tái)矢網(wǎng)級(jí)聯(lián)測(cè)試，普遍存在著測(cè)試速度慢與通道校準(zhǔn)復(fù)雜的弊端，此外由于矩陣開關(guān)的引入，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍等性能惡化。

　　Massive MIMO天線測(cè)試需要真正的多端口矩陣矢網(wǎng)。多端口矢網(wǎng)能夠同時(shí)測(cè)試多端口的S參數(shù)，有效減少了測(cè)量時(shí)間；同時(shí)，每個(gè)測(cè)試端口都配備獨(dú)立的源、參考接收機(jī)和測(cè)量接收機(jī)，可并行測(cè)試多個(gè)被測(cè)件。

　　多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要技術(shù)難點(diǎn)包括大規(guī)模多端口幅相一致性的快速校準(zhǔn)問題、多通道間的串?dāng)_抑制問題以及并行多路信號(hào)實(shí)時(shí)同步的處理方法等。

　　4、NB-IoT測(cè)試

　　隨著2016年7月標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，NB-IoT作為新一代物聯(lián)網(wǎng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　目前國內(nèi)支持NB-IoT 技術(shù)的測(cè)試設(shè)備相對(duì)較少，亟需低成本、高指標(biāo)的NB-IoT測(cè)試儀器完善產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。一些潛在的關(guān)鍵技術(shù)將大大加速NB-IoT測(cè)試儀器的研發(fā)進(jìn)程，例如：小型化、低噪聲的本振合成技術(shù)，寬帶脈內(nèi)穩(wěn)幅技術(shù)可用來實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)的穩(wěn)定輸出，變頻跟蹤濾波技術(shù)可用來實(shí)現(xiàn)全頻段雜散大幅度抑制，寬帶小數(shù)內(nèi)插技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)矢量信號(hào)精確測(cè)量。

　　5、5G信道模擬器

　　5G信道模擬器將在多通道（64、128甚至更多）的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)500MHz以上的更大帶寬，覆蓋6GHz以上的更高頻段，支持豐富多樣的5G信道模型。目前國際上現(xiàn)有信道模擬器在工作頻率、通道數(shù)和帶寬等關(guān)鍵指標(biāo)上無法滿足5G需求。

　　但這幾年，國內(nèi)已經(jīng)有不少企業(yè)已經(jīng)研制了面向4G測(cè)試的8x8 MIMO信道模擬器，在硬件架構(gòu)、算法體系等方面為5G信道模擬器的研發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。