5G毫米波和超宽带信号的验证和测试

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 摘要：第五代移动通信系统实现超高数据传输目标的核心技术是采用毫米波频段和高达500MHz-4GHz的超宽带信号调制，远远超过目前最新的4G和WLAN技术所使用的频率范围和调制带宽，给目前的5G研究和产品开发提出了很大的挑战，需要研发全新的器件、模块、基带、和射频微波系统，但是目前针对无线通信技术的标准以及验证和测试方法都是在6GHz以下的RF频段以及160MHz以内的调制带宽，缺乏成熟有效同时具备一流性能指标的毫米波和超宽带信号产生和信号分析手段。本文介绍专门为5G先进技术研究开发而设计的验证测试平台，基于是德科技SystemVue系统设计仿真软件，M8190A超宽带任意波发生器，E8267D微博矢量信号发生器，N9040B UXA宽带矢量信号分析仪或63G实时示波器，可以直接产生和分析高达4GHz带宽的5G物理层信号，如FBMC等。该系统提供一种渐变快速的超宽带硬件线性失真校正方法，使测量系统实现了目前业界最佳的矢量误差特性。该系统可用于协助5G物理层算法开发和验证、毫米波和超宽带器件和模块的设计和调试，5G信道建模和验证，初期的发射机和接收机测试也验证，也可用过国防和航空航天、电子战、雷达等超宽带信号产生与分析，具备良好的灵活性和可扩展性。

　　1、引言： 目前5G面临的技术研究和测试验证的挑战

　　无线通信的演进已经经历了4代，最早出现的是模拟通信，只能传输语音业务，2G以GSM为主，主要传输语音和低速的数据业务，3G包括WCDMA和TD-S等，初步实现了移动互联网操作，推动了智能手机的普及，4G LTE实现了高速无线接入和丰富的多媒体应用，而5G将给无线通信带来革命性的飞跃，5G的核心目标就是要实现超高速的数据传输，传输速率达到几个G甚至10G比特率，从而彻底解决现在移动通信的速率瓶颈。为了实现超高速数据传输的目标，5G需要采用全新的无线传输技术，由于频率资源和带宽问题，需要使用更高的频段，例如毫米波，调制带宽会从现在的几十M跨越到 500 M到3GHz，而且还会使用新的物理层技术包括调制编码和多址接入，所以针对5G关键技术的研究和验证是目前的主要任务。

　　目前针对5G的研究和测试验证主要面临3大挑战，首先是软件方面如何简便快捷地产生和分析5G格式信号，第2是硬件能否实现在毫米波频段， 500 M到3GHz超宽带信号的发射和接收，第3是需要全面的验证和测试能力，比如系统级验证和软件硬件甚至模块的验证和测试。

　　2、5G毫米波和超宽带信号验证测试平台

　　为了应对5G带来的挑战，帮助客户快速进入5G先进技术研究开发，是德科技已经构建了一套5G验证测试平台，基于是德科技SystemVue系统设计软件，M8190A超宽带任意波形发生器，E8267D微波矢量信号发生器，N9040B UXA超宽带信号分析仪以及90000系列高带宽示波器，可以直接产生和分析毫米波频段超过500M带宽的5G物理层信号，如FBMC等，进行系统级和软硬件模块的验证和测试。该平台提供一种简便快速的超宽带硬件线性失真校正方法，使测试系统实现了目前业界最佳5G发射信号质量。该平台可以用于协助5G物理层算法开发和验证，毫米波和超宽带器件和模块的设计和调试，5G信道建模和验证，初期的发射机和接收机测试和验证，应用非常广泛，具备良好的灵活性和可扩展性。

　　2.1 基于SystemVue的5G FBMC参考库

　　基于SystemVue的W1906BEL 5G 基带程序库能够为 5G 技术研究提供可立即使用的参考信号处理用户专利设计，借助这个基带程序库，基带物理层设计人员可以大幅节省时间提升工作效率，系统架构师、算法开发人员和基带硬件设计人员可以充分利用集成仿真环境，应用动态链路级场景研究、实现和验证通信物理层信号处理设计，也可以非常方便地重新设计参考发射机和接收机，以获得最佳性能，并于其他候选技术设计进行比较。W1906BEL 5G 基带程序库包括源代码、模型、子系统、仿真实例和基础组件，可以提供用于 5G 候选波形技术FBMC的数字信号处理模块，端到端物理层发射和接收仿真模型，频率和时间同步，信道估计和修正，生成参考波形以验证射频电路设计，系统级性能验证和 BER/FER 测试，以及连接是德科技硬件仪表构建实物仿真和测试平台的能力。

　　图1所示为FBMC与OFDM在实现上的区别。FBMC主要包括符号映射，子载波映射，OQAM处理，IFFT，滤波器组处理，并串行转换等过程，与OFDM比较主要区别就在于OQAM和滤波器组处理。

　　处理将QAM信号转换为Offset QAM，主要包含2个步骤，首先是将QAM符号从复数转为实部和虚部两个实数，并且采样率变成2倍，然后与序列相乘，m代表Sub-channel，n代表离散时间变量，OQAM处理是将QAM符号的实部或虚部做1/2符号周期的时间偏移，对于连续的Sub-channel，假定为m（偶数序号）和m+1（奇数序号），对Sub-channel m，QAM符号的实部做1/2符号周期的时间偏移，对Sub-channel m+1，QAM符号的虚部做1/2符号周期的时间偏移。OQAM处理的主要好处是可以降低信号的峰均比PAR。

　　上式为滤波器组输出S[m]表达式，其中也包含了OQAM处理的部分。

　　滤波器组的含义是指第1个滤波器为原型滤波器，其它滤波器是通过对原型滤波器进行频移得到的。原型滤波器的特性由混叠系数K决定，混叠系数K可以表述为滤波器的冲激响应时间与子载波符号周期T的比值，也是子载波符号在时域上混叠的数目，从图2中可以看到，K值越大，滤波器滚降越陡峭，但是混叠子载波旁瓣数量也越大，所以FBMC子载波之间存在干扰，不是正交的，而OFDM可以看作是K=1的情况

　　在FBMC的发射机模型中还插入了Preamble和Pilot信号，在接收机模型中基于Preamble和Pilot提供了时间和频率同步，信道估计和均衡修正，Pilot相位跟踪修正等功能，这样就可以实现与硬件仪表连接构建实际的发射机和接收机

　　2.2验证测试平台的结构和组成仪表介绍

　　图3所示的5G验证测试平台是将5G FBMC软件处理与毫米波和超宽带的硬件发射和接收能力结合在一起，从而为业界提供完整地验证5G系统级性能的能力，同时也可以将正在研发的5G软件或硬件与平台结合，或替代平台中的模块，进行验证和测试

　　SystemVue和前面介绍的W1906BEL程序库组成了软件处理的部分，硬件平台分成信号产生（发射机）和信号接收分析（接收机）。

　　发射机硬件由M8190A宽带任意波形发生器和E8267D PSG微波矢量信号源构成。M8190A是基于AXIe架构的模块化仪表，每个M8190A可以提供两个通道差分信号输出，每个通道具备8GHz采样率14bit量化或12GHz采样率12bit量化，5GHz模拟带宽，采样率可以灵活调整，并内置数字上变频DUC功能。为了实现毫米波频段信号产生，采用两通道IQ输出模式。M8190A输出的两路IQ差分信号送到E8267D PSG，调制到微波/毫米波的载波频率。E8267D PSG具备从250KHz到最高44GHz的频率范围，不仅具备内置的基带信号发生器，同时可以包含宽带IQ信号调制器，标称宽带IQ调制带宽为2GHz，实际测试表明E8267D PSG输出的IQ调制带宽实际超出2GHz，因此M8190A与E8267D PSG的组合是目前业界唯一能完全满足5G关键技术要求的5G毫米波和超宽带信号发射平台。

　　接收机硬件可以选择N9040B UXA或90000系列高带宽示波器两种类型仪表，N9040B UXA是最新型信号分析仪，覆盖3Hz到26.5GHz频率范围，IQ解调分析带宽和实时频谱测量带宽都达到业界最高的510MHz，具备全带宽内14bit量化，IQ带宽内无失真动态范围超过75dBc，相噪指标也达到了业界最高的-136dBm/Hz（1GHz载波，20KHz偏移），是兼顾5G宽带信号接收测量和射频微波测量精度动态范围的最佳选择，90000系列高带宽示波器可以提供最高达63GHz的接收和分析带宽，可以满足更高带宽的需要。

　　3、5G平台实现的验证和测试

　　3.1 毫米波超宽带信号产生和线性失真校正

　　目前在这个5G毫米波和超宽带验证测试平台上已经构建了覆盖5G主要带宽要求的发射信号模型，包括基于FBMC调制的500MHz带宽，1GHz带宽，2GHz带宽，3GHz带宽和4GHz带宽信号，子载波调制方式包括QPSK，16QAM和64QAM，载波频率最高可达44GHz，如果使用外混频方式，还可以支持更高的毫米波频段，例如E Band。图4所示的例子是该验证测试平台产生的载波频率为20GHz，调制带宽为4GHz，调制方式为16QAM的FBMC信号，使用信号分析仪测量OBW占用带宽，测量得到的信号99%累积功率占用带宽约为3.9GHz。

 

 

　　但是也可以看到图4所示的4GHz调制带宽信号明显存在带内不平坦现象，主要是宽带IQ调制器存在的线性失真，会明显影响发射信号的矢量误差。为提高超宽带发射机的调制质量，该平台采用了一种简便直接的矢量校正方法，首先产生一个可以覆盖工作带宽的宽带调制信号，调制方式可以选择QPSK或16QAM，其中16QAM效果较好，然后采用矢量信号分析仪解调测量EVM，并通过均衡器计算并提取频率响应曲线的矢量值，然后再对基带信号进行预失真处理。典型的宽带16QAM信号解调和均衡器计算频率响应的曲线如下图5所示

　　经过宽带校正最终产生出来的信号如图6所示，可以看到除了子载波数字调制引起的峰均比外，整个带宽内信号分布比较平坦。

　　3.2 5G收发信机系统级吞吐率验证

　　验证测试平台的核心是通过软件和硬件构建了完整5G发射机和接收机，因此可以完成比较全面的5G验证和测试，既可以做系统级性能验证，算法验证，也可以测试发射机和接收机指标，还可以验证和调试5G元器件。系统级验证主要是通过误码率BER或吞吐率等指标来反映5G系统在各种参数条件和传播条件下的性能，下面是两种典型调制带宽和调制格式参数系统在AWGN信道条件下的验证结果，其中使用的指标是吞吐率，系统物理层理论的峰值吞吐率计算方法如下：

　　考虑误码率BER后的实际数据吞吐率计算方法如下：

　　第1个实例是在20GHz载波频率和500MHz调制带宽验证了系统级吞吐率，信号载波频率为20GHz，调制带宽为500MHz，调制方式为FBMC 64QAM，AWGN信道，信噪比从0-20dB变化，图7所示为系统级吞吐率Throughput与信噪比SNR的关系曲线，可以看到吞吐率Throughput约为1.06Gbps到1.63Gbps

 

 

　　第2个实例是在20GHz载波频率和4GHz调制带宽验证了系统级吞吐率，信号载波频率为20GHz，调制带宽为4GHz，调制方式为FBMC 16QAM，AWGN信道，信噪比从10-35dB变化，图8所示为系统级吞吐率Throughput与信噪比SNR的关系曲线，可以看到吞吐率Throughput约为7.4Gbps到9.3Gbps

 

 

 

　　结束语

　　我们已经通过5G验证测试平台实现了基于5G FBMC调制技术，使用毫米波频率，超过500M甚至高达4GHz的超宽带信号的发射和接收，实现了接近10G比特率的数据吞吐率。这套5G测试验证平台可以完全满足5G毫米波和超宽带技术要求。

　　是德科技是目前行业唯一提供5G全面解决方案，能够帮助客户应对5G测试和系统验证的挑战。是德科技在软件方面推出了业界第1个5G仿真库，支持FBMC和Massive MIMO，在硬件方面已经全面支持毫米波频段， 510 M以上的超宽带的信号发射和接收，同时提供系统级验证和测试能力，包括误码率，EVM和吞吐率等。