測(cè)量解決方案之毫米波無線回程

概述

回程在電信網(wǎng)絡(luò)中具有舉足輕重的的作用，它主要由核心網(wǎng)或骨干網(wǎng)與處于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)末端的小型子網(wǎng)之間的中間鏈路組成。在微波移動(dòng)/ 無線網(wǎng)絡(luò)中有三種類型的回程：宏基站Macrocell、小基站small cell和femtocell。Femtocell 回程通常使用寬帶接入技術(shù)，不在本應(yīng)用指南的討論范圍內(nèi)。Small cell 回程負(fù)責(zé)在室外smallcell 和連接到macro cell 回程網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)或連接到廣域網(wǎng)(WAN)/互聯(lián)網(wǎng)/ 城域網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)。它包括兩端的設(shè)備，以及中間的網(wǎng)格或串行設(shè)備。

目前有許多不同的回程技術(shù)可供運(yùn)營(yíng)商選擇，E-band 就是其中之一。這個(gè)頻段頻譜資源豐富，大氣衰減相對(duì)較低，且在部分國(guó)家已擁有頻譜許可證，因此是目前微波回程的最佳選擇。在全球廣泛部署的E-band點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視距微波無線通信系統(tǒng) —又稱為毫米波(mmWave) 無線通信系統(tǒng) — 在還未獲許可的57-64 GHz 頻段( 數(shù)據(jù)速率高達(dá)1 Gbps)、已獲得許可證的71-86 GHz 頻段和92-95 GHz 頻段( 數(shù)據(jù)速率高達(dá)10 Gbps) 上工作。因此，非常適合在應(yīng)用于人口稠密的城市環(huán)境( 距離小于1 千米) 和郊區(qū)工業(yè)區(qū)環(huán)境( 距離2 到5 千米) 中使用。市場(chǎng)分析師也是基于這個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，預(yù)測(cè)在未來幾年內(nèi)，毫米波回程市場(chǎng)將會(huì)發(fā)生突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其中長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE) small cell 回程越來越多地使用毫米波將起到重要的推動(dòng)作用。

問題

有以下幾個(gè)原因，促使運(yùn)營(yíng)商逐漸過渡到E-band 回程。首先可在更高頻段內(nèi)提供更大帶寬，并可提供一個(gè)具有極強(qiáng)方向性和容易控制的天線波束。此外，E-band 無線通信系統(tǒng)的工作頻段( 即60 GHz 和70-90 GHz)現(xiàn)在對(duì)商用業(yè)務(wù)和產(chǎn)品是開放的。

盡管有這些優(yōu)勢(shì)，但是在向E-band 回程過渡時(shí)可能還會(huì)遇到許多設(shè)計(jì)和測(cè)試挑戰(zhàn)。例如，E-band 的波束寬度極窄，因此信號(hào)非常容易受到建筑物的影響和大氣干擾。系統(tǒng)校準(zhǔn)也極為困難。E-band 的性能還非常容易受到雨水和氧吸收的影響。雨水會(huì)嚴(yán)重影響E-band 的無線電波傳輸，使得E-band 無線通信系統(tǒng)不得不重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，以達(dá)到符合標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)等級(jí); 甚至有可能導(dǎo)致服務(wù)中斷。此外，E-band 回程測(cè)試解決方案的成本也很高。

解決方案

隨著毫米波技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)運(yùn)營(yíng)商從使用傳統(tǒng)回程( 例如光鏈路和微波鏈路) 向E-band 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路轉(zhuǎn)變，盡快找到方案滿足高頻高帶寬需求、且經(jīng)濟(jì)高效的測(cè)試測(cè)量?jī)x器迫在眉睫。這些解決方案對(duì)于確保E-band 回程系統(tǒng)的正常工作至關(guān)重要，同時(shí)還可應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。

一套完整的毫米波測(cè)試和測(cè)量方案必須將用于毫米波元器件測(cè)試和校準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀與最佳的信號(hào)生成和分析系統(tǒng)結(jié)合起來，準(zhǔn)確地對(duì)通信鏈路( 例如發(fā)射機(jī)、信號(hào)路徑和接收機(jī)) 進(jìn)行測(cè)試和測(cè)量。網(wǎng)絡(luò)分析儀必須提供單次掃描能力，支持全方位的毫米波端口功率控制，并支持真正的差分測(cè)量。另一方面，信號(hào)生成和分析解決系統(tǒng)還應(yīng)提供快速的測(cè)量時(shí)間和開關(guān)速度、出色的可擴(kuò)展性( 能夠?qū)ぞ哌M(jìn)行量身定制，滿足用戶不斷變化的測(cè)試需求)和靈活性( 使它們能夠支持現(xiàn)有的和未來的制式)。

是德科技毫米波產(chǎn)品系列可以滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。這些產(chǎn)品包括毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀，以及信號(hào)生成、分析和路徑仿真全套方案。網(wǎng)絡(luò)分析儀適用于對(duì)同軸器件或晶圓中的毫米波器件進(jìn)行表征、建模和參數(shù)提取，而信號(hào)生成/ 分析解決方案則適用于毫米波通信鏈路測(cè)試。

毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀

Keysight N5251A 單次全頻段掃描10 MHz 至110 GHz 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使用了毫米波控制器和一個(gè)寬帶頻率擴(kuò)展器組合，提供1.0 毫米陽頭測(cè)試端口輸出連接器，可用作單一產(chǎn)品的解決方案。另外，它也可以配置使用PNA 或PNA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀組成更低成本的解決方案?，F(xiàn)有的N5227APNA 和N5247A 67 GHz PNA-X 用戶只需添加N5261A/N5262A 測(cè)試控制器和寬帶頻率擴(kuò)展器，即可進(jìn)行單次掃描10 MHz 至110 GHz 測(cè)量。

N5251A 毫米波解決方案是唯一集成有三軸向直流偏置裝置(tri-axial biastees) 的寬帶解決方案，通過在施加直流偏置的過程中對(duì)偏置信號(hào)的大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以精確地對(duì)被測(cè)器件的偏置狀態(tài)進(jìn)行控制。其寬廣的頻率范圍可實(shí)現(xiàn)出色的時(shí)域分辨率，并使用戶能夠?qū)Ρ粶y(cè)件施加精確的功率電平，掃描1.0 毫米端口的功率。此外，N5251A 為同軸、各種夾具和晶圓上的器件提供了多種校準(zhǔn)選擇。

為了進(jìn)行高達(dá)1.1 THz 的S 參數(shù)測(cè)量，可以使用由PNA 和PNA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀配置的各種分頻段擴(kuò)展毫米波解決方案。2 或4 端口OML 分頻段擴(kuò)展波導(dǎo)系統(tǒng)包括PNA-X 和OML 公司提供的頻率擴(kuò)展器，可覆蓋50 GHz至500 GHz 的頻率范圍。根據(jù)測(cè)量需要和所選用的頻率擴(kuò)展器類型，它可以配備/ 不配備控制器?？蛇M(jìn)行的具體測(cè)量包括真實(shí)模式、時(shí)域、功率、功率掃描( 單一頻率)、功率譜、互調(diào)失真和噪聲系數(shù)等等。2 或4 端口VDI 分頻段擴(kuò)展波導(dǎo)系統(tǒng)用于進(jìn)行THz 成像，可配備Virginia Diodes Incorporated (VDI) 公司提供的頻率擴(kuò)展器，將頻率范圍擴(kuò)展至950 GHz。

這些分頻段擴(kuò)展毫米波解決方案使用內(nèi)置的固化軟件， 無論是使用PNA 還是PNA-X 系列網(wǎng)絡(luò)分析儀都可以利用已經(jīng)開發(fā)好的測(cè)量應(yīng)用軟件進(jìn)行測(cè)量。無論測(cè)量的頻率范圍是什么，用戶都可以通過前面板對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行手動(dòng)控制，并可以使用鼠標(biāo)訪問操作簡(jiǎn)單的下拉菜單。使用固化軟件界面，用戶可以輕松地在各頻段之間進(jìn)行切換。

網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量示例

為了更好地了解如何使用毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量，以4 端口N5251APNA 網(wǎng)絡(luò)分析儀為例，它可以執(zhí)行10 MHz 至110 GHz 的單次掃描測(cè)量( 圖1)。N5251A 能夠控制并使用接收機(jī)穩(wěn)幅能力，精確地設(shè)置1.0 毫米測(cè)試端口上的功率。它還支持諸如真實(shí)差分測(cè)量、脈沖測(cè)量和標(biāo)量混頻器測(cè)量等應(yīng)用，并能夠靈活地對(duì)晶圓上元器件進(jìn)行單次接觸，完整表征被測(cè)件的特性。

圖1. 以N5227A PNA 為基礎(chǔ)構(gòu)建的4 端口110 GHz N5251A 毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)構(gòu)圖。

N5251A 能夠?qū)β蔬M(jìn)行精確控制，使用戶在毫米波頻率上測(cè)量器件增益壓縮特性的工作更為簡(jiǎn)單。例如，圖2 顯示它在進(jìn)行傳統(tǒng)S 參數(shù)測(cè)量的同時(shí)，還使用功率掃描進(jìn)行了110 GHz 緩沖放大器測(cè)量。

圖2. 在77 GHz 上進(jìn)行功率掃描增益壓縮測(cè)量。

使用此N5251A 配置還可以輕松進(jìn)行混頻器測(cè)量和功率譜測(cè)量。圖3a 顯示了PNA 對(duì)75 至110 GHz 下變頻混頻器執(zhí)行本振功率掃描的測(cè)量結(jié)果，測(cè)量頻點(diǎn)設(shè)置在75 GHz 連續(xù)波上。使用PNA 的內(nèi)置IM 頻譜選件，可進(jìn)行功率譜測(cè)量。圖3b 顯示了在10 MHz 至110 GHz 頻率范圍內(nèi)測(cè)量110 GHz 緩沖放大器輸入輸出頻譜的結(jié)果。

圖3a. 在75 GHz 毫米波頻率上進(jìn)行-20 至+11 dBm 本振掃描的S21 繪圖結(jié)果。

圖3b.放大器在77 GHz上的輸入/輸出。使用PNA 的IM 頻譜選件，可以在10MHz 至110 GHz 頻率范圍內(nèi)對(duì)所有頻譜功率元器件進(jìn)行測(cè)量。

毫米波信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀解決方案

毫米波信號(hào)生成、分析和信號(hào)路徑仿真，可通過Keysight M8190A 寬帶任意波形發(fā)生器(AWG)、PSG 信號(hào)發(fā)生器、PXA/EXA 頻譜分析儀以及裝有86901B 矢量信號(hào)分析軟件的高性能Infiniium 系列示波器來實(shí)現(xiàn)( 圖4)。以收發(fā)信機(jī)仿真為例。測(cè)試收發(fā)信機(jī)需要使用仿真的發(fā)射機(jī)和/ 或仿真的接收機(jī)。理想情況下，兩者都應(yīng)該具有足夠的靈活性，可以在信號(hào)源端生成真實(shí)的失真，在接收機(jī)端對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。使用M8190A 高性能任意波形發(fā)生器(12 位，12 GSa/s 或14 位，8 GSa/s)，用戶能夠創(chuàng)建這些類型的波形，作為信號(hào)源使用。矢量PSG 信號(hào)發(fā)生器可充當(dāng)外置I/Q 調(diào)制器。在分析儀端， 使用支持63 GHz 實(shí)時(shí)頻率帶寬的Infiniium 示波器。配有160 MHz 射頻分析帶寬的PXA 和/ 或EXA 以及是德科技智能混頻器是另一種選擇—視信號(hào)帶寬和頻率而定。該測(cè)試解決方案還包括MATLAB ( 支持定制信號(hào)生成)、Signal Studio ( 支持LTE 等特定信號(hào)制式) 和89601B ( 用于信號(hào)分析)等軟件。

圖4. 此結(jié)構(gòu)圖顯示了可用于毫米波回程測(cè)量和分析的總體調(diào)制信號(hào)生成和分析解決方案。

在對(duì)收發(fā)信機(jī)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，首先由M8190A AWG 或Signal Studio 生成一個(gè)信號(hào)，再由Keysight E8267D矢量信號(hào)發(fā)生器和/ 或外部第三方上變頻器對(duì)信號(hào)進(jìn)行上變頻并發(fā)送到被測(cè)件( 在本例中為60 GHz 鏈路)。接下來，使用外部器件( 例如是德科技智能混頻器或第三方下變頻器) 對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻。

最后使用Infiniium 示波器或裝有89601B 矢量信號(hào)分析軟件的PXA/EXA 對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析( 圖5)。

圖5. 對(duì)收發(fā)信機(jī)的分析結(jié)果將得到一個(gè)64QAM 星座圖(3 GSamples/s)，以及關(guān)于86 GHz 通信鏈路的Q 眼圖和I 眼圖。

測(cè)量結(jié)果總結(jié)

毫米波技術(shù)的不斷發(fā)展，正推動(dòng)回程從傳統(tǒng)技術(shù)向更經(jīng)濟(jì)、大容量的E-band 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路轉(zhuǎn)變。但是，與這些鏈路有關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)使得本已非常困難的設(shè)計(jì)和測(cè)試過程變得更加復(fù)雜。令人高興的是，用于元器件測(cè)試的N5251A 毫米波網(wǎng)絡(luò)分析解決方案以及用于通信鏈路測(cè)試的毫米波信號(hào)生成和分析解決方案，將幫助設(shè)計(jì)和測(cè)試人員輕松應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。它們可以為當(dāng)前的工程師提供重要的工具，確保E-band 回程正常工作，進(jìn)而幫助此項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展和普及。

強(qiáng)大能力加速無線設(shè)計(jì)和測(cè)試

是德科技是無線測(cè)試行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，致力于通過以應(yīng)用為中心、針對(duì)現(xiàn)有和新興標(biāo)準(zhǔn)特別優(yōu)化的測(cè)試測(cè)量平臺(tái)，提供最高性能的無線器件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和測(cè)試。除了卓越的研發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)支持之外，是德科技還幫助工程師在不斷演進(jìn)的無線行業(yè)中更好地分析各種復(fù)雜問題，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度。