为实现下一个无线技术的突破铺平道路

作者：是德科技公司产品营销经理Eric Hsu

无线创新的步伐越来越快，从而在全球范围内实现了更快、更灵敏、更可靠的互联。无线通信行业已经准备就绪，迎接多个系统中的重大技术变革。为提高数据吞吐量，蜂窝通信从 4G 升级到 5G，而卫星通信提供商则在太空建设网络，志在为全球每一个角落提供高速通信。无线工程师希望在技术层面实现突破，从而最大限度提高系统吞吐量，打造稳健的链路和数据处理能力。对于无线系统物理层而言，关键技术涉及更大的带宽、更高阶的调制方案以及无线系统中的多天线技术。

更大的信号带宽

由于可供分配的频谱有限，标准开发组织希望在更高频段提供更大带宽。例如，5G 新空口（NR）Rel-15 中规定的频率范围 2（FR2）为 24.25 GHz 至 52.6 GHz，最大信道带宽为 400 MHz。Rel-16 在 5 GHz 和 6 GHz 频率范围引入了免许可频段。到 2022 年年中，3GPP Rel-17 将把免许可频段的频谱范围扩展到 71 GHz。

卫星通信为电视、电话、宽带互联网业务和军事通信提供连通性。卫星可以在 L 频段到 Ka 频段之间许多频段运行。国际电信联盟（ITU）将 W 频段中的 71 至 76 GHz 以及 81 至 86 GHz 分配给了卫星业务。商业卫星运营商希望在这些频段获得更大带宽。2021 年 6 月 30 日，一颗搭载 W 频段无线发射机的卫星成功发射上天。在不远的将来，我们有望见证 W 频段的更多商业项目。

毫米波频段可提供更多可用带宽。大带宽可以实现高吞吐量数据和低时延，但增加的带宽也会带来更多噪声，从而影响系统性能。无线工程师需要管理宽带通信的噪声问题。除了产生更多系统噪声外，在更高频段扩大带宽还会给设计和测试带来路径损耗、频率响应和相位噪声等其他挑战。

更高阶的调制方案

更高阶的调制方案能够在不增加信号带宽的情况下提高数据速率，而各符号间隔更近，从而对噪声也更敏感。随着调制密度增加，器件需要更好的调制质量。表 1 列出了 3GPP Rel-16 技术规范 38.141 中针对 5G NR 基站规定的误差矢量幅度（EVM）要求。3GPP 也在考虑采用对设计和测试裕量有更严格要求的 1,024 QAM。

表 1. 5G NR 基站发射机测试中的调制质量要求。

     调制方案  要求的误 EVM（%）
  QPSK  18.50%
  16QAM  13.50%
  64QAM  9%
  256QAM  4.50%

更大的信号带宽和更高阶的调制方案都能提高吞吐量。但是，更大带宽并不一定意味着更高的系统容量。您必须考虑通信系统的信噪比（SNR）。适当的 SNR 对于维护通信链路非常关键。带宽越大，带给系统的噪声就越多；调制方案越高阶，则越容易受到噪声的影响。您需要传输没有失真的大功率信号并降低系统噪声，才能维持通信链路的性能。要想对设计进行测试，您需要准确表征图 1 中所示的每一个元器件和每一个子系统。


图 1. 通过激励响应测量准确验证射频元器件。

多天线技术

商业应用以及航空航天与国防采用的大多数无线系统都通过在接收机和/或发射机上应用多天线技术来提高系统整体性能。这些技术包括空间分集、空间复用和波束赋形。工程师采用多天线技术来实现分集、多路复用或天线增益。这样的技术有助于提高无线系统接收机的数据吞吐量和 SNR。例如，5G NR 在 FR1 中就使用了 8 个空间流，从而在不增加信号带宽的情况下提高频谱效率。3GPP 因此在技术规范（TS）38.141-1 中针对 5G NR 基站定义了如何使用多空间流进行性能测试。测试需要多达两根发射机天线和八根接收机天线，每个测试例均应用特定的传播条件、相关矩阵和 SNR。图 2 展示了一个用于两根发射机天线和四根接收机天线的 5G 基站性能多路输入多路输出（MIMO）测试配置，可以提供混合自动重复请求（HARQ）反馈。


图 2. 使用四通道信号发生器测试 5G NR 基站性能的测试设置。

与 IEEE 802.11ax 相比，新一代 Wi-Fi 标准 IEEE 802.11be（Wi-Fi 7）可提供两倍信号带宽、16 个空间流和四倍的调制方案密度。它们共同提供高达 40 Gbps 的数据速率。表 2 列出了 IEEE 802.11 物理层的重大变更。

表 2. IEEE 802.11 标准。

       IEEE 802.11标准  最大信号带宽  调制方案  空间流数量
  802.11be (Wi-Fi 7)  320 MHz  OFDM，高达 4,096 QAM  多达 16 个
  802.11ax (Wi-Fi 6)  160 MHz  OFDM，高达 1,024 QAM  多达 8 个

要想对使用空间分集、空间复用和多个天线阵列技术的多天线系统进行测试，您需要一个能够提供多通道信号并且信号之间具有稳定相位关系的测试系统。然而，商用信号发生器采用单独的合成器将中频（IF）信号上变频为射频信号。测试系统必须在通道之间提供精确的时序同步，才能仿真多通道测试信号。测试信号之间的相位必须相干且可控。图 3 展示了一个完全集成并经过校准和同步的信号生成和分析解决方案，可以帮助您最大限度降低多天线测试的测量不确定度。


图 3. 采用 Keysight M9484C VXG 四通道矢量信号发生器和四端口示波器的多通道测试解决方案。

总结

5G、卫星和 Wi-Fi 等新一代无线通信系统需要更高的频率、更大的带宽、更复杂的调制方案和多天线设计。这将帮助您应对新的设计和测试挑战，例如增加的测试复杂性、测量不确定度、过多的路径损耗和噪声，而这些都会影响设备性能。

为了应对这些挑战，您需要一个可扩展的测试解决方案，从而准确、轻松地支持更大频率覆盖范围、更大带宽和多通道应用。借助完全集成并经过校准和同步的解决方案，您能够降低测试复杂性，迅速获得可重复的准确结果。