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[技術(shù)白皮書]靈活的5G 波形及超寬帶信號生成和分析測試臺 在第四代蜂窩系統(tǒng)――LTE 和 LTE-Advanced――剛剛開始部署之際，對第五代（5G）系統(tǒng)的研究已經(jīng)展開。5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的愿景是實(shí)現(xiàn)“隨時(shí)隨地萬物接入”。 關(guān)鍵特性包括一個(gè)高密度和高度集成的網(wǎng)絡(luò)，組成該網(wǎng)絡(luò)的小微基站能夠支持 10 Gbps 級的數(shù)據(jù)速率和 1 ms 或更短的往返時(shí)延。大部分研究都假設(shè)使用多個(gè)工作在微波和毫米波波段工作的空中接口。使用 MIMO 等高級空間復(fù)用技術(shù)，可以進(jìn)一步擴(kuò)充容量。 這個(gè)綜合性的網(wǎng)絡(luò)將能夠支持從簡單的機(jī)對機(jī)（M2M）通信到虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)流等所有應(yīng)用。它將能夠監(jiān)控?cái)?shù)十億的傳感器和多種同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)流的業(yè)務(wù)，并支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的海量數(shù)據(jù)收集和分配需求。在這種環(huán)境中，預(yù)計(jì)到 2030 年無線數(shù)據(jù)流量將增加 5000 倍。1 為了讓這個(gè)驚人預(yù)測成為現(xiàn)實(shí)，首先應(yīng)創(chuàng)建、生成和分析信號原型。由于 5G 研究啟動(dòng)之時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化工作尚未開始。業(yè)界尚未對物理層信號給出定義，而且對使用何種波形也有爭議，所以正在考察多種候選波形：濾波器組多載波（FBMC）、廣義頻分復(fù)用（GFDM）、通用濾波多載波（UFMC）、濾波正交頻分復(fù)用（F-OFDM）等等。 靈活性為什么至關(guān)重要的一個(gè)原因是：它支持工程師執(zhí)行“假設(shè)”分析法評測早期的概念和可能使用的 5G 波形，包括可能會(huì)使用多種調(diào)制方法，在多種不同頻率和調(diào)制帶寬條件下進(jìn)行分析。對于開發(fā)人員來說，如果路線選擇錯(cuò)誤會(huì)帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)，因此他們需要更高的靈活性，尤其是靈活的信號生成和分析工具。當(dāng) 5G 演進(jìn)中出現(xiàn)更好的候選信號時(shí)，這些工具使開發(fā)人員能夠迅速轉(zhuǎn)變研究方向。 本白皮書詳細(xì)說明了一款靈活的 5G 測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)由經(jīng)過驗(yàn)證的現(xiàn)成的軟件和硬件組成。在信號開發(fā)階段有兩個(gè)關(guān)鍵的軟件：一個(gè)是 SystemVue 軟件，用于實(shí)施仿真、假設(shè)分析和算法開發(fā)；另一個(gè)是 SignalStudio 軟件，用于在研發(fā)測試初期生成測試信號。生成測試信號的硬件使用 M8190A 任意波形發(fā)生器（AWG），它可以生成信號來驅(qū)動(dòng) E8267D PSG 矢量信號發(fā)生器的寬帶 I/Q 調(diào)制輸入。使用 89600 VSA 軟件、X 系列信號分析儀和寬帶 Infiniium 示波器執(zhí)行信號解調(diào)和分析任務(wù)。 設(shè)計(jì)與測試面臨的挑戰(zhàn) 5G 給研發(fā)工作帶來多方面的新挑戰(zhàn)。許多重要的討論都可以劃歸為六大技術(shù)特性2：
– 每個(gè)地區(qū)的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增加 1000 倍 – 連接的設(shè)備數(shù)量增加 10 到 100 倍 – 典型的用戶數(shù)據(jù)速率提高 10 到 100 倍 – 能耗降低 10 倍 – 端到端時(shí)延 < 1=""> – 5G 接入無所不在，覆蓋低密度區(qū)域
以前的移動(dòng)技術(shù)通常是經(jīng)過逐步的改進(jìn)而提升性能的。您現(xiàn)在很難想象一種新技術(shù)能夠同時(shí)滿足上面列出的所有六個(gè)特性。研究人員更有可能會(huì)采用不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)圖 1 所列出的部分特性。
從圖中可知，新波形可能能夠支持更高密度的用戶群、更高的數(shù)據(jù)吞吐量以及對所分配頻譜更高效的利用。這些波形可能需要先進(jìn)的信號處理能力、自適應(yīng)信道評測和均衡，以加強(qiáng)穩(wěn)定性和抗擾性；可能使用全雙工通信以改善頻譜效率，最大限度減少自干擾將會(huì)提高接收機(jī)的靈敏度；可能需要應(yīng)用 MIMO 等多天線技術(shù)以支持高數(shù)據(jù)吞吐量，還要研究大規(guī)模 MIMO 和自適應(yīng)波束賦形等先進(jìn)技術(shù)。MIMO 和自適應(yīng)波束賦形等技術(shù)可能還需要非常復(fù)雜的算法。它必須支持傳統(tǒng)和全新無線接入技術(shù)（RAT）的多個(gè)頻段，包括用于高數(shù)據(jù)吞吐量應(yīng)用的 5G 毫米波頻段擴(kuò)展。需要支持多種接入模式，包括非正交多址接入（NOMA）模式，以及隨機(jī)、定期和混合模式。 最后，新的波形、多頻段、寬帶寬和更高階調(diào)制可能對功率放大器（PA）設(shè)計(jì)提出全新挑戰(zhàn)，并可能需要應(yīng)用新的 PA 數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)。如果能夠在研發(fā)初期靈活地轉(zhuǎn)變設(shè)計(jì)驗(yàn)證和測試方式，將有助于研發(fā)人員更好地應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。 探索候選新波形 無線標(biāo)準(zhǔn)在演進(jìn)過程中對更高數(shù)據(jù)速率的追求永不停頓。在 5G 標(biāo)準(zhǔn)中，追求的目標(biāo)變成使用多載波波形、微波頻率、毫米波頻率和更寬調(diào)制帶寬。下面是一些期待實(shí)現(xiàn)的特性：
– 靈活和可擴(kuò)展 – 經(jīng)優(yōu)化的多址接入 – 高效地利用分配的頻譜 – 能夠抵御窄帶干擾和脈沖噪聲 – 短時(shí)延 – 同時(shí)傳輸同步和異步流量 – 高頻譜和時(shí)間碎片 – 與傳統(tǒng) OFDM 波形共存
圖 2 總結(jié)了目前正在考慮實(shí)施的波形, 部分波形值得認(rèn)真研究。 圖 2. 5G 候選波形覆蓋多種可能實(shí)施的方法。 候選波形： OFDM 正交頻分復(fù)用（OFDM）正在 4G 中使用，再加上其他一些原因，所以 5G 也在考慮使用濾波 OFDM（F-OFDM）。F-OFDM 提供良好的頻譜效率和多徑干擾抑制能力。其子載波空值對應(yīng)鄰近子載波的峰值，從而確保載波間干擾為零（圖 3）。 圖 3. OFDM 提供頻譜效率、抗多徑干擾性和零載波間干擾等優(yōu)勢。 候選波形： FBMC 為提供更出色的帶外頻譜特性，FBMC 對每個(gè)子載波實(shí)施濾波。圖 4 顯示了它使用多相網(wǎng)絡(luò)（polyphase）或擴(kuò)展 IFFT 靈活執(zhí)行基帶濾波的方法。
濾波可以使用不同的重疊系數(shù)（即 K 系數(shù)）提供各種水平的帶外抑制。圖 5 中，紅色、藍(lán)色和綠色軌跡分別顯示了 K 系數(shù)為 4、3、2 時(shí)的 FMBC 頻譜。隨著 K 系數(shù)減小，帶外特性具有與 OFDM 類似的頻譜抑制特征。
候選波形：UFMC 此方案對每個(gè)子頻段實(shí)施濾波（圖 6），UFMC 的一大優(yōu)點(diǎn)是可以降低基帶算法的復(fù)雜性。圖 7 顯示的是使用 SystemVue 仿真的 UFMC 頻譜實(shí)例。
候選波形： GFDM 這是另一種多載波系統(tǒng)，它通過數(shù)字方式實(shí)施典型的濾波頻段方法。GFDM 信號基于來自特定星座圖映射的 KM 總數(shù)據(jù)符號（dk，m）的數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)。M 符號插入一個(gè)循環(huán)前綴（CP）以提高頻譜效率并減少接收機(jī)端的復(fù)雜均衡。 OFDM 和 FBMC 的對比 OFDM 有兩個(gè)明顯缺點(diǎn)：一個(gè)是插入循環(huán)前綴降低了頻譜效率，另一個(gè)是存在極大的帶外發(fā)射。相比之下，FBMC 的優(yōu)勢在于能夠高效利用所分配的頻譜，以及能夠?yàn)轭l譜感知應(yīng)用生成或占用頻譜“空洞”。 使用 SystemVue 及其 5G 基帶探測程序庫可以證明這一點(diǎn)。圖 8 顯示了 OFDM（橙色軌跡）和 FBMC（藍(lán)色、綠色和黑色）頻譜的仿真結(jié)果。FBMC 頻譜有從 2（藍(lán)色）到 4（黑色）不同的重疊系數(shù)，與 OFDM（橙色）相比，FBMC 在帶外頻譜功率方面有所改善。 圖 8. 與 OFDM 相比，FBMC 的重疊更多，因此帶外功率得到改善。 組裝推薦的測試系統(tǒng) 當(dāng)開發(fā)人員使用這些波形和其他波形進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，極其靈活的測試系統(tǒng)可以為他們提供高性能的原型算法和硬件，幫助他們更好地測試推薦的波形。在假設(shè)分析的場景下，它還可以在原型算法及原型硬件的仿真和實(shí)際測試中更加容易和快速地過渡。
具體而言，5G 研究和早期測試的三個(gè)重要領(lǐng)域都需要出色的靈活性：
– 生成和分析新波形 – 支持從幾 MHz 到幾 GHz 的廣泛調(diào)制帶寬 – 支持從射頻到微波再到毫米波的廣泛的頻率范圍
推薦的測試臺通過其軟件和硬件元素提供這種靈活性。軟件用于創(chuàng)建和分析 5G 波形及定制波形。該信號生成軟件與兩個(gè)硬件――精密型 AWG 和具有寬帶 I/Q 輸入的矢量信號發(fā)生器――相結(jié)合，能夠生成調(diào)制帶寬高達(dá) 2 GHz、頻率高達(dá) 44 GHz（使用上變頻器可以達(dá)到更高）的寬帶測試信號。另外，VSA 軟件也能夠駐留在仿真軟件中使用，或在信號分析儀、示波器以及負(fù)責(zé)控制各種儀器或數(shù)字轉(zhuǎn)換器的 PC 上運(yùn)行，以實(shí)施信號解調(diào)和分析。圖 9 顯示了軟件和硬件元素的概念性配置。 圖 9. 硬件＋軟件＋經(jīng)驗(yàn)豐富的開發(fā)人員可以開辟 5G 研究的新視野。 組裝推薦的測試系統(tǒng)（續(xù)） 圖 10 顯示了是德科技推薦的軟件和硬件組合。
軟件 在測試臺硬件中，M8190A AWG 任意波性發(fā)生器與嵌入式控制器一起安裝在 AXIe 機(jī)箱中。有兩個(gè)軟件在該控制器上運(yùn)行：SystemVue（配有 W1906 5G 基帶探測程序庫）和用于定制調(diào)制的 N7608BSignal Studio 軟件。
SystemVue 支持仿真候選的 5G 波形以及定制的 OFDM 和I/Q 波形，這些定制波形可以用于測試定制算法或?qū)Ｓ兴惴āｋm然 SystemVue 主要用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法開發(fā)，但它也能下載波形至 M8190A AWG。
Signal Studio 定制調(diào)制軟件具有參數(shù)化的圖形用戶界面（GUI），使用戶可以非常輕松地創(chuàng)建定制的 FBMC、I/Q 和 OFDM 波形。定制 OFDM 和定制 I/Q VSA 設(shè)置文件可以保存到存儲設(shè)備中，以便在使用各種是德科技信號分析儀和示波器執(zhí)行 EVM 測試時(shí)調(diào)用。Signal Studio 還可用于為 M8190A AWG 生成波形，并下載波形至三個(gè)矢量信號發(fā)生器中：E8267D 微波 PSG、N5182B 射頻 MXG 和 N5172B 射頻 EXG。 89600 VSA 軟件提供定制 I/Q（選件 BHK）和定制 OFDM（選件 BHF）解調(diào)分析。前面提到過，它可以在 SystemVue 中使用，或在各種是德科技信號分析儀和示波器中運(yùn)行，或在連接各種是德科技儀器的獨(dú)立 PC 上運(yùn)行。Signal Studio 定制調(diào)制軟件可以作為信號生成和分析工具的伴侶，與 89600/BHK 配合執(zhí)行定制 I/Q 調(diào)制分析，或與 89600/BHF 配合執(zhí)行定制 OFDM 分析。 硬件 M8190A 是一款雙通道精密任意波性發(fā)生器，它擁有 14 位分辨率和 8 GSa/s 采樣率或 12 位分辨率和 12 GSa/s 采樣率兩種工作模式，以及 5 GHz 模擬帶寬和每通道 2 GSa 存儲器。 該 AWG 用于驅(qū)動(dòng)配有寬帶差分外部 I/Q 輸入（選件 016）的 E8267D PSG 矢量信號發(fā)生器。寬帶輸入能夠在高達(dá) 44 GHz 的載波信號上產(chǎn)生高達(dá) 2 GHz 的調(diào)制帶寬。對于毫米波頻率的信號生成，可以使用是德科技（58-64 GHzN5152A）和 VirginiaDiodes Inc.（60 GHz 至 90 GHz）的上變頻器。使用 MXG 微波模擬信號發(fā)生器（N5183B）為毫米波上變頻器提供本振。 使用 KeysightN9040B UXA 或 N9030A PXA 信號分析儀執(zhí)行頻譜分析和解調(diào)分析。使用配有 89600 VSA 軟件的 Keysight Infiniium 高性能示波器執(zhí)行高達(dá)幾個(gè)GHz到幾十個(gè)GHz 解調(diào)分析。 這個(gè)實(shí)例配置可以用于射頻、微波和毫米波信號生成與分析。適用于特定應(yīng)用的最佳硬件配置取決于您所關(guān)注的實(shí)際頻率、帶寬和波形。有時(shí)，推薦的解決方案可能還包括經(jīng)簡化的儀器配置和較少的儀器。 應(yīng)用：三個(gè)案例研究 測試系統(tǒng)的通用性使它適用于各種可能的射頻、微波和毫米波頻率應(yīng)用場景。下面的案例有助于說明測試系統(tǒng)的通用性。
射頻案例研究：探索 LTE 和 FBMC（< 6="">）的共存 LTE 和 FBMC 信號的生成可以通過圖 11 所示的 SystemVue 原理圖實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)信號經(jīng)過重采樣后結(jié)合到一個(gè)復(fù)合波形中，該復(fù)合波形而后下載到 M8190A AWG 中。使用 PXA 信號分析儀和 89600 VSA 軟件分析 AWG 的輸出。
圖 12 顯示了 PXA 測得的測試信號結(jié)果。請注意 FBMC 頻譜與 LTE 頻譜相比，帶外頻譜的急劇降低。這是由施加到 FBMC 信號的每子載波濾波導(dǎo)致的。
為了評測 LTE 與 FBMC 的共存，我們在 SystemVue 中修改了測試場景，使 FBMC 信號中存在部分有效子載波陷波。而后設(shè)置 LTE 中心頻率以匹配陷波的中心頻率（圖 13）。注釋：使用 M8190A 的單一輸出通道生成復(fù)合的 LTE/FBMC 波形；它不需要兩個(gè)獨(dú)立的信號發(fā)生器。 圖 13. LTE 信號位于凹陷的 FBMC 頻譜的中心。
陷波寬度很容易修改，LTE EVM 可以通過寬度（由子載波數(shù)量決定，寬度單位為 MHz）得出。圖 14 顯示了一組與 FBMC 陷波寬度有關(guān)的 LTE EVM 結(jié)果。這個(gè)假設(shè)分析場景實(shí)例可以用測試臺輕松測試。
微波案例研究：寬帶信號生成和分析（28 GHz） 如前所述，測試臺在微波頻率范圍內(nèi)具有高達(dá) 2 GHz 的調(diào)制帶寬，可以用來生成和分析寬帶波形。在此案例中，我們可以使用 M8190A AWG 和 E8267D PSG 矢量信號發(fā)生器（具有寬帶 I/Q 輸入）的組合來生成最高 44 GHz 的寬帶微波測試信號。
1 GHz 調(diào)制帶寬的 28 GHz 寬帶 FBMC 信號用 Signal Studio 定制調(diào)制軟件生成。幀數(shù)、采樣率和過采樣率等參數(shù)通過該軟件的參數(shù)化圖形用戶界面（GUI）設(shè)置。FBMC-OQAM 波形參數(shù)，例如 FFT 長度、上下保護(hù)子載波、多載波符號數(shù)量和空閑間隔等，也可以設(shè)置?；镜?/span> FBMC 濾波器設(shè)置――K 系數(shù)和濾波器組結(jié)構(gòu)――可以由用戶輸入（圖 15）。
圖 16 顯示了測試信號結(jié)果。頻譜中心頻率為 28 GHz，測量掃寬為 1.2 GHz。 圖 16. SignalStudio 定制調(diào)制軟件可以簡化 FBMC 波形的生成。
同樣，SignalStudio 定制調(diào)制軟件可以用于創(chuàng)建具有 1 GHz 調(diào)制帶寬、頻率為 28 GHz 的 OFDM 波形。使用 GUI 可以設(shè)置基本的參數(shù)（例如幀數(shù)等）。而且可以針對前導(dǎo)碼、導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)子載波設(shè)置資源映射參數(shù)，包括每個(gè)資源塊的位置和功率提升（boosting）。針對導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)的前導(dǎo)碼、調(diào)制以及凈荷設(shè)置 I/Q 值。
測試信號結(jié)果在圖 17 中的六條軌跡屏幕中顯示：
– 左上：星座圖 – 中上：EVM 與子載波 – 右上：搜索時(shí)間 – 左下：28 GHz 中心頻率處的 ~1 GHz 寬頻譜 – 中下：誤碼摘要 – 右下：OFDM 均衡信道頻率響應(yīng)
毫米波案例研究：寬帶單載波調(diào)制（60 GHz） 本例使用了圖 18 所示的硬件配置。用 SystemVue 以 2 GHz 符號率、4 倍過采樣和 8 GSa/s 采樣率生成寬帶波形。波形隨后下載至 M8190A AWG，M8190A 的輸出連接至 PSG 矢量信號發(fā)生器的寬帶 I/Q 輸入端。PSG 產(chǎn)生一個(gè) 5 GHz 信號，再通過 Keysight N5152A 60 GHz 上變頻器轉(zhuǎn)換為 60 GHz。MXG 模擬信號發(fā)生器（右下）為上變頻器提供本振信號。
圖 18. 此版本的推薦測試臺能夠生成毫米波信號。
對于帶寬高達(dá) 2 GHz 的5G 應(yīng)用，最重要的是應(yīng)考慮到幅度和相位可能發(fā)生的變化，這些變化對信號質(zhì)量有不利影響。在這種情況下，使用 Infiniium 示波器來直接測量 60 GHz 測試信號，并使用已安裝的 89600 VSA 軟件解調(diào)和分析該信號。能夠不依賴外部下變頻器完成這些操作的優(yōu)勢，可以對減少因系統(tǒng)未正確校準(zhǔn)而產(chǎn)生的幅度和相位誤差提供很大幫助。
信號鏈內(nèi)部（M8190A、PSG、電纜、上變頻器、電纜和互連）有可能在這些頻率上產(chǎn)生幅度和相位線性誤差。使用 89600 VSA 軟件中的自適應(yīng)均衡器加以必要的矢量校正，可以減少這些誤差。均衡器會(huì)產(chǎn)生復(fù)數(shù)值的頻率響應(yīng)，用它們可以最大限度地減少幅度和相位誤差。具體做法是，將頻率響應(yīng)讀數(shù)輸入 SystemVue 軟件，使用它校正波形響應(yīng)（圖 19）。
圖 20 顯示了經(jīng)矢量校正的 60.48 GHz 信號的解調(diào)分析結(jié)果。注意，不使用自適應(yīng)均衡，通常很難解調(diào) 2 GHz 寬帶信號，因?yàn)橛布趯拵捝蠒?huì)導(dǎo)致信號減損。不過在本例中沒有使用自適應(yīng)均衡，幅度和相位線性誤差在仿真過程中得到校正，從而生成經(jīng)校正而具有低 EVM 的波形。
通過用 60-90 GHzVDI 上變頻器代替 N5152A 60GHz 上變頻器，并添加濾波器和隔離器，相同的測試臺配置可以在 72 GHz 頻率上使用。對于信號分析，使用 60-90 GHzVDI 下變頻器將信號降頻到 4 GHz IF（圖 21）。在此情況下，使用 MXG 模擬信號發(fā)生器（右下）為上變頻器和下變頻器提供本振信號。
展望 5G 的愿景設(shè)定了一系列雄心勃勃但實(shí)施難度極大的特性目標(biāo)。為幫助開發(fā)人員解決這些固有的挑戰(zhàn)并針對研究方向的變化快速做出反應(yīng)，是德科技推薦的測試臺集軟件和硬件于一身，以靈活地探索各種波形、算法和技術(shù)的應(yīng)用。由于測試系統(tǒng)是利用現(xiàn)成的儀器和軟件構(gòu)成，所以能夠在設(shè)計(jì)的假設(shè)仿真和原型設(shè)備的實(shí)際測量中提供精確和可復(fù)驗(yàn)的結(jié)果。
5G 正處于不斷發(fā)展的階段，是德科技推薦的測試臺同樣如此。如欲了解 5G 技術(shù)的最新發(fā)展，請與是德科技公司聯(lián)系，或訪問我們的網(wǎng)站：www.keysight.com/5G， 關(guān)注我們5G專題微信號：Hello-5G |
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