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5G射频测试技术与趋势

摘要：从5G性能分析入手,介绍了eMBB、mMTC、uRLLC及其关键技术,分析了传统射频测试项目和5G射频测试的新要求,指出了目前5G射频测试存在的挑战和进一步研究方向.

关键词：5G；射频；空口传输；宽带

1 引言

5G作为面向未来的新一代通信系统,将使信息突破时空限制,提供极佳的交互体验,便捷地实现人与万物的智能互联.5G标准的制定分为R15 和R16 两个阶段,R15 主要面向eMBB 和URLLC 需求设计,2017 年12 月完成非独立组网版本,预计2018 年6 月形成独立组网版本,R16 中将考虑mMTC需求,以满足产业链在2019年实现5G初步商用的强烈需求.

射频技术作为无线信号传播的基本技术,其研究、验证和最终应用水平直接制约着5G 系统的发展.5G 射频技术包括毫米波工作频段、数百兆赫兹的信号带宽、多达128 或256 个阵子的Massive-MIMO系统、更高阶调制方式以及HPUE 的进一步演进等技术,这些都对测试系统提出了更严格的要求.天线尺寸减小以及集成度的进一步提高更会使得传统传导射频测试难以进行,辐射OTA 测试将会成为主要形式.本文将逐一讨论这些变化、已有测试方法及亟待深入探索的方向.

2 5G概述及关键技术

5G通信服务可以概括为高数据速率的eMBB、海量数以百亿计的机器类通信mMTC以及提供超可靠低时延通信连接的uRLLC通信.

（1）eMBB 提供极高的数据速率以及极端的覆盖能力

每用户达到数吉比特每秒量级的速率,满足增强现实、虚拟现实或超高清视频的要求.系统将采用更高阶的调制方式、更宽的载波带宽、更多数量的载波聚合、MassiveMIMO以及波束赋形等技术,这些技术对测试系统提出更为严格的技术要求.测试系统需要更好的相位噪声水平,相位噪声直接影响发射机EVM以及接收机解调测试的误差水平.同时,也要求测试系统能支持数百兆赫兹信号带宽,覆盖从较低频段到毫米波多个频段.而且对测试系统通道间幅相一致性的校准、宽带信号的精确测量、数字与模拟波束赋形新型测量等方面也有很多新的技术要求.

（2）机器型通信（mMTC）提供多至数百亿的机器型终端和数以万亿的连接

物联网领域的低成本、低能量射频（RF）组件必须非常紧凑,制造这些器件给RF设计人员带来了许多挑战——功率放大器（PA）、滤波器、开关、天线和数字处理必须全部装入小型封装中.封装的小型化对测试点选择以及测试参数的分析带来更多的困难.

（3）超可靠的低延迟通信（uRLLC）

主要应用场景包括自动驾驶汽车、无人机,还包括公共交通系统、工业自动化、远程医疗（如监测、治疗和护理）以及智能电网监测和控制.如何评价一个超可靠系统的性能,减小测试中的不确定度会成为一个很重要的研究方向.

3 5G射频测试的新变化

在高频段以及MIMO测试方面,因为天线的尺寸和集成度会有颠覆性的变化.大规模天线技术使天线密度增高、模块化程度加大,传统用射频线缆进行的传导射频性能测试将会难以完成,采用OTA技术在暗室中进行射频性能测试将成为主要的测试方法.3.1 现有OTA测试方案以及5G射频测试新要求对于OTA测试,一方面可以衡量天线本身的辐射性能,即无源测试,包括以下参数：

●线驻波比/回波损耗测试（VSWR/RL）

驻波比定义为波腹电压/波节电压,回波损耗为入射功率/反射功率,为dB数值.一般测量中用S参数来反映回波损耗值,其中S11 为输入反射系数,也就是输入回波损耗；S22 为输出反射系数,即输出回波损耗.驻波比越大,反射功率越高,传输效率越低.

●天线增益测试（Gain）

天线最强辐射方向的天线辐射方向图强度与参考天线的强度之比取对数.天线增益是无源现象,天线并不增加总功率,而是仅重新分配使在某方向上比全向天线辐射更多的能量.如果天线在一些方向上增益为正,由于系统的能量守恒,它在其他方向上的增益则为负.

●天线方向图测试（Radiation Pattern）、方向性（Directivity）、波束宽带/前后比（3dBBW/FBRatio）这几个参数是对天线发射或接受相对场强度的描述.

另一方面需在暗室内测试被测件（包括天线）的辐射功率和接收灵敏度,即有源测试.

●总辐射功率（TRP）

通过对整个辐射球面的发射功率进行面积分并取平均得到.反映被测件整机的发射功率情况,以及被测件的传导发射功率和天线辐射性能有关.

● 接收灵敏度TIS（TotalIsotropic Sensitivity）

反映在整个辐射球面被测件接收灵敏度指标的情况,以及被测件整机的接收灵敏度情况和被测件的传导灵敏度和天线的辐射性能有关.

如图1 所示,有源OTA测试系统主要组成部件及其主要功能包括：

●测试系统和DUT支撑转台

用于放置和控制DUT的转动,实现切割扫描测试和采集测试点数据并计算得到最终测试结果.

●开关切换单元

不同模式下,连接不同的设备和射频测试链路.

●功放单元

在系统校准中,需要通过功放单元调整矫正不同连接线路的功率损耗,保证测量系统中的发射信号和接收信号的功率水平误差较小,后续MIMO测试中也需要通过功放单元调整各功率探头的功率水平.

●微波暗室

需配置吸波材料,尺寸根据所需测试DUT的尺寸和频率选择搭建.系统动态范围根据被测件要求设计,常见为80dB以上.

MIMO OTA 的测试在常见的OTA 有源测试基础上有如下几种常见解决方案.

●多探头方案

这是被学术界和工业界最广为接受的一种方案,能够可控地复现信道在时域、频域、空间域的特性,已被多个标准化组织采纳,该方案也可演进支持5GMassiveMIMO场景的测试.

●混响室方案

作为一种相对经济型的方案,其通常采用安装机械调谐器或搅拌器以改变暗室内部电磁场结构分布,内部的电磁波通过无数次反射,实现随机化的均匀多径环境.该方法也可以加入信道模拟器更好地模拟空时信道模型,但是由于此方法在重建信道空间域时存在局限性（对到达角、离开角、角度扩展等特性的控制）,而空间域则是MIMO技术的重点.

●辐射两步法

其理论基础与多探头方案基本一致.只是测量结果较为依赖被测件芯片的支持.需要根据被测件上报的信息,计算矢量方向图然后代入信道模拟器进行第二步的吞吐量测试.其测试精度很大程度上依赖于被测件上报数据的准确性.

为了适应5G 射频测试的新要求,在传统OTA 测试手段基础上还应考虑如下问题：

●测试系统应具备更宽（数百兆赫兹）、更高频率（至毫米波频段）的处理能力、多通道间足够的幅相一致性、更好的相位噪声水平以得到精确的解调性能测量值.

●一些测试项目例如杂散测试以及开关功率测试对OTA测试系统的动态范围有一定的要求,3GPP 对关功率的指标要求为关功率低于- 85dBm/MHz,为了得到较为精确的测试结果,测试系统本身的底噪应低于-95dBm/MHz.在设计OTA射频测试系统的时候需要充分考虑这部分需求.

●在传统传导射频测试中,测试线缆引入的衰减可以通过在测试仪表补偿（通常为测试信号中心频点的路径损耗值）得到真正的测试信号.如图2 所示,在带宽变得很宽的情况下,测试链路在测试信号带宽内的波动幅度较大,单一频点衰减值补偿的方法会引入很大的不确定度.应在测试系统中引入其他算法以得到精确的测试值.

3.2 3GPP射频OTA测试标准进展

针对5G的射频测试,如表1 和2 所示,3GPP 标准初步定义了部分射频辐射能力测试的测试方法.

制造商需申明EIRP 测试所需要的波束方向对和EVM测试的方向集.波束方向对申明包括波束中心方向和波束峰值方向,在这个精度方向集范围内,进行输出辐射功率,功率动态范围等测试.EVM一致性测试的方向集则用于EVM、频率误差、定时误差测试.EVM测试的方向集和EIRP 峰值测试方向集的映射关系还在进一步讨论中.

ACLR临道功率泄露比则是相邻信道频率为中心的总辐射平均功率和基于所分配的信道频率的总辐射平均功率之比.辐射无用杂散OBUE近似为指定频段上DUT周围球体上多个离散方向上的EIRP的总和.

整体来说,在射频一致性测试标准方面,目前辐射测试和传导测试相比有如下的区别和联系：对于辐射射频性能测试,制造商需根据产品实现情况提供标准规定的方向集参数.对于功率准确度,动态范围在对应方向集上进行测试.传导性能通过射频线缆、转接头连接被测件和射频测试仪表,辐射性能测试则需要建立在暗室OTA环境下,被测件发射信号通过参考发射天线辐射出来,再通过参考接收天线采集信号送至射频测试仪表.对于ACLR和杂散类测试项目,目前3GPP 协议要求为TRP 测试,需要在对应频段在DUT周围空间360?积分得到最终功率测试值.

接收机目前确定了等效接收灵敏度需要在制造商申明的方向上满足指标要求.与传导测试的区别在于测试信号通过天线接收代替了射频线缆直接传送信号,需要测试系统设计过程中考虑底噪和测试动态范围.其他测试项目中,例如阻塞信号测试条件为TRP 积分功率或为指定方向功率还有待于进一步研究讨论.

目前,3GPPOTA测试标准仍处于研究阶段.很多问题如发射机互调测试中,干扰信号在测试过程中通过TRP 或是峰值方向测试有待讨论,接收机交调和阻塞也面临同样的问题.辐射OTA测试技术要求和传导测试的映射关系也待进一步研究,在实际研发过程中,电路板本身以及未集成天线的性能如何映射到设备整体OTA辐射性能也是值得研究的方向.

4 结束语

5G射频测试主要将以辐射OTA测试的方式进行,高频率、大信号带宽、Massive-MIMO多端口系统、更高阶调制方式等对指标定义、测试方法、测试平台能力都带来重大挑战,标准化工作以及测试平台研究方面还有很多工作亟待深入探索.

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