解析4G至5G無線通信測試及射頻儀器的那些事

　　一、無線通信測試概要

　　無線通信測試技術與測試儀器是通信產業(yè)的重要支撐力量，它滲透于通信芯片、模塊、終端、基站、無線網絡等幾乎所有的產業(yè)鏈環(huán)節(jié)，貫穿于設計研發(fā)、認證驗收、生產、網絡建設與優(yōu)化等幾乎完整產業(yè)生命周期。

　　設計與研發(fā)是使用測試儀器種類最多最廣的階段，主要有示波器、信號源、頻譜儀（信號分析儀）、矢量網絡分析儀等通用測量儀器，以及信道模擬器、終端模擬器、基站模擬器等專用高端測試儀器；在認證與驗收階段，主要測試設備包括RF一致性測試系統(tǒng)、協議一致性測試系統(tǒng)、RRM一致性測試系統(tǒng)；通信企業(yè)生產階段的常用儀器是大家熟悉的終端綜測儀、以及前面提到的信號源、頻譜儀等通用測試儀器；在網絡建設與優(yōu)化階段，發(fā)射機、掃頻儀、手持頻譜儀等各類工程儀表是常用的測量工具。

　　二、4G無線通信測試現狀

　　接下來從系統(tǒng)設備測試、芯片與終端測試、射頻測試和網規(guī)網優(yōu)測試四個角度談談4G無線通信測試現狀。

　　1、4G系統(tǒng)設備測試——矢量信號源與信號分析儀

　　矢量信號源與矢量信號分析儀是基站等通信設備研發(fā)、生產和一致性測試的高端通用電子測量儀器，它們的技術特點主要體現在以下幾個方面。

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

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

　　第三，矢量性能方面，隨著3G到5G時代帶寬需求的大幅提升，實現大帶寬面臨幅相一致性的補償、ADC的高采樣率與高位寬的矛盾、FPGA在高時鐘頻率下設計難度成倍的提升、幾十Gbps高速數據傳輸如何保障等一系列技術難點；

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

　　第五，應用開發(fā)方面，矢量信號源與分析儀通?；诮y(tǒng)一的平臺來支持多種通信制式下的多重應用，如無線通信（2G/3G/4G/4.5G/5G，IEEE 802.11xx），衛(wèi)星導航、無線電等。新的應用也驅動著儀表的技術演進。

　　第六、通道數方面，隨著MIMO技術的應用，多通道MIMO信號源與分析儀也是技術演進的方向之一，當然也對儀表系統(tǒng)的可靠性、電磁兼容設計等帶來挑戰(zhàn)。

　　2、4G系統(tǒng)設備測試——無線信道模擬器

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

　　信道是無線通信物理層技術研究的基礎之一，MIMO信道近些年來一直是學術界的研究熱點。MIMO信道模擬器是在實驗室條件下精確可重復地模擬復雜的無線信道環(huán)境的儀器。它與信號源、信號分析儀有一些類似的技術特點，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和多通道射頻一致性提出了很高要求；由于MIMO信道的復雜性，數學模型的實現對于基帶運算資源、數據交互速率等等要求很高，因此，基帶與算法架構的設計極為重要。

　　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也在逐步演進。

　　3、4G芯片與終端測試——綜測儀

　　4G時期，隨著芯片制造工藝的發(fā)展進步，芯片的主流工藝已經從28nm進入到新的技術階段，芯片的處理器核數也發(fā)展到64位應用處理器芯片或者8核處理方案。

　　4G時代的手機，多模多頻的能力持續(xù)加強，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，手機的Bluetooth/GPS/WIFI以及NFC的通信需求也在不斷增加；射頻方面，手機的頻點和帶寬能力覆蓋了2/3/4G技術各個版本的需求，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。

　　為了適應這些芯片與終端的發(fā)展，傳統(tǒng)的綜測技術也需要進行相應的革新：為了滿足多樣化的測試需求，單臺終端測試儀表需要具備各種通信制式（2G/3G/4G和BWG）的空口協議棧模擬能力，以適應終端研發(fā)過程對于網絡側模擬的要求，同時終端測試儀表應具備通過集成和開放接口搭建射頻/協議/RRM一致性測試系統(tǒng)的能力；

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

　　針對終端生產過程中對于效率和成本的要求，手機綜測儀的產線測試技術已經從傳統(tǒng)的信令綜測轉為速度更快的非信令模式，而且手機的全頻段校準和全制式綜測一站式成為手機產線測試的普遍方案。

　　4、4G射頻測試—矢量網絡分析儀

　　矢量網絡分析儀主要用來測量射頻器件的S參數，具備高性能、大動態(tài)、低噪聲的優(yōu)勢，廣泛應用于移動通信、軍工雷達、半導體、廣播電視、科研教育等領域射頻器件、組件的研發(fā)和生產測試。

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

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

　　5、4G網絡規(guī)劃與優(yōu)化測試

　　掃頻儀、發(fā)射機、手持式頻譜儀和手持式天饋線分析儀等儀表廣泛應用于室外模擬測試和室內覆蓋測試。其中，室外模擬測試包括傳播模型校正和基站覆蓋測試；室內覆蓋測試則主要包含了室分系統(tǒng)設計驗證及系統(tǒng)驗收。

　　掃頻儀具有掃描速度快、靈敏度高、動態(tài)范圍大和獨立于網絡進行測試等突出特點；發(fā)射機則經歷了從發(fā)射連續(xù)波到發(fā)射簡單導頻再到模擬基站的發(fā)展歷程，支持遠程可控；手持式頻譜儀用于頻譜分析、干擾排查等，能夠解調參數從而進行各種信道的分析，具有寬頻帶、高動態(tài)、便攜性等突出優(yōu)勢；手持式天饋線分析儀用于查找天饋線的問題，測量距離大，方便靈活。

　　網規(guī)網優(yōu)測試屬于工程測試領域，對儀表的要求，除了滿足基本的測試功能以外，正向著便攜化、易操作、大數據傳感的方向發(fā)展。

　　三、5G及IoT測試技術發(fā)展

　　關于5G及IoT測試技術的發(fā)展，下面我將分別談談5G信號源與分析儀、5G大規(guī)模MIMO數字多波束測試、Massive MIMO 陣列天線測試、NB-IoT測試以及5G信道模擬器。

　　1、5G信號源與分析儀

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

　　實現數GHz帶寬的信號發(fā)生與分析，主要技術難點包括射頻、微波、毫米波技術的綜合開發(fā)，高動態(tài)高采樣率的ADC，高速FPGA和DSP信號處理平臺，以及高吞吐量數據交換。頻率覆蓋方面，國外高端矢量信號源頻率已達到44GHz，矢量信號分析儀工作頻率可達85GHz；調制帶寬方面，RS公司的矢量信號源SMW200A內調制帶寬最高可達2GHz。

　　目前，國內儀表廠商在這一領域尚未取得重大進展，希望未來能通力合作，突破技術瓶頸，彌補市場空白。

　　2、5G大規(guī)模MIMO數字多波束陣測試

　　針對5G大規(guī)模MIMO的數字多波束陣基于數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，具有靈活的空間復用能力和較低的用戶間干擾。

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

　　3、Massive MIMO陣列天線測試

　　作為5G的關鍵使能技術之一，大規(guī)模天線技術不可避免地為天線測試帶來一系列挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的多端口測試大多基于單臺矢網分步測試或多臺矢網級聯測試，普遍存在著測試速度慢與通道校準復雜的弊端，此外由于矩陣開關的引入，導致動態(tài)范圍等性能惡化。

　　Massive MIMO天線測試需要真正的多端口矩陣矢網。多端口矢網能夠同時測試多端口的S參數，有效減少了測量時間；同時，每個測試端口都配備獨立的源、參考接收機和測量接收機，可并行測試多個被測件。

　　多端口矢量網絡分析儀的主要技術難點包括大規(guī)模多端口幅相一致性的快速校準問題、多通道間的串擾抑制問題以及并行多路信號實時同步的處理方法等。

　　4、NB-IoT測試

　　隨著2016年7月標準凍結，NB-IoT作為新一代物聯網，具有廣泛的應用前景。

　　目前國內支持NB-IoT 技術的測試設備相對較少，亟需低成本、高指標的NB-IoT測試儀器完善產業(yè)鏈發(fā)展。一些潛在的關鍵技術將大大加速NB-IoT測試儀器的研發(fā)進程，例如：小型化、低噪聲的本振合成技術，寬帶脈內穩(wěn)幅技術可用來實現寬帶信號的穩(wěn)定輸出，變頻跟蹤濾波技術可用來實現全頻段雜散大幅度抑制，寬帶小數內插技術能夠實現矢量信號精確測量。

　　5、5G信道模擬器

　　5G信道模擬器將在多通道（64、128甚至更多）的基礎上，實現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。目前國際上現有信道模擬器在工作頻率、通道數和帶寬等關鍵指標上無法滿足5G需求。

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