為實(shí)現(xiàn)下一個(gè)無(wú)線技術(shù)的突破鋪平道路

　  作者：是德科技公司產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Eric Hsu

　　無(wú)線創(chuàng)新的步伐越來(lái)越快，從而在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了更快、更靈敏、更可靠的互聯(lián)。無(wú)線通信行業(yè)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，迎接多個(gè)系統(tǒng)中的重大技術(shù)變革。為提高數(shù)據(jù)吞吐量，蜂窩通信從4G升級(jí)到5G，而衛(wèi)星通信提供商則在太空建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，志在為全球每一個(gè)角落提供高速通信。無(wú)線工程師希望在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)突破，從而最大限度提高系統(tǒng)吞吐量，打造穩(wěn)健的鏈路和數(shù)據(jù)處理能力。對(duì)于無(wú)線系統(tǒng)物理層而言，關(guān)鍵技術(shù)涉及更大的帶寬、更高階的調(diào)制方案以及無(wú)線系統(tǒng)中的多天線技術(shù)。

　　更大的信號(hào)帶寬

　　由于可供分配的頻譜有限，標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)組織希望在更高頻段提供更大帶寬。例如，5G新空口（NR）Rel-15中規(guī)定的頻率范圍2（FR2）為24.25 GHz至52.6 GHz，最大信道帶寬為400 MHz。Rel-16在5 GHz和6 GHz頻率范圍引入了免許可頻段。到2022年年中，3GPP Rel-17將把免許可頻段的頻譜范圍擴(kuò)展到71 GHz。

　　衛(wèi)星通信為電視、電話、寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和軍事通信提供連通性。衛(wèi)星可以在L頻段到Ka頻段之間許多頻段運(yùn)行。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）將W頻段中的71至76 GHz以及81至86 GHz分配給了衛(wèi)星業(yè)務(wù)。商業(yè)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商希望在這些頻段獲得更大帶寬。2021年6月30日，一顆搭載W頻段無(wú)線發(fā)射機(jī)的衛(wèi)星成功發(fā)射上天。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們有望見(jiàn)證W頻段的更多商業(yè)項(xiàng)目。

　　毫米波頻段可提供更多可用帶寬。大帶寬可以實(shí)現(xiàn)高吞吐量數(shù)據(jù)和低時(shí)延，但增加的帶寬也會(huì)帶來(lái)更多噪聲，從而影響系統(tǒng)性能。無(wú)線工程師需要管理寬帶通信的噪聲問(wèn)題。除了產(chǎn)生更多系統(tǒng)噪聲外，在更高頻段擴(kuò)大帶寬還會(huì)給設(shè)計(jì)和測(cè)試帶來(lái)路徑損耗、頻率響應(yīng)和相位噪聲等其他挑戰(zhàn)。

　　更高階的調(diào)制方案

　　更高階的調(diào)制方案能夠在不增加信號(hào)帶寬的情況下提高數(shù)據(jù)速率，而各符號(hào)間隔更近，從而對(duì)噪聲也更敏感。隨著調(diào)制密度增加，器件需要更好的調(diào)制質(zhì)量。表1列出了3GPP Rel-16技術(shù)規(guī)范38.141中針對(duì)5G NR基站規(guī)定的誤差矢量幅度（EVM）要求。3GPP也在考慮采用對(duì)設(shè)計(jì)和測(cè)試裕量有更嚴(yán)格要求的1,024 QAM。

　　表1.5G NR基站發(fā)射機(jī)測(cè)試中的調(diào)制質(zhì)量要求。

　　更大的信號(hào)帶寬和更高階的調(diào)制方案都能提高吞吐量。但是，更大帶寬并不一定意味著更高的系統(tǒng)容量。您必須考慮通信系統(tǒng)的信噪比（SNR）。適當(dāng)?shù)腟NR對(duì)于維護(hù)通信鏈路非常關(guān)鍵。帶寬越大，帶給系統(tǒng)的噪聲就越多；調(diào)制方案越高階，則越容易受到噪聲的影響。您需要傳輸沒(méi)有失真的大功率信號(hào)并降低系統(tǒng)噪聲，才能維持通信鏈路的性能。要想對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，您需要準(zhǔn)確表征圖1中所示的每一個(gè)元器件和每一個(gè)子系統(tǒng)。

　　圖1.通過(guò)激勵(lì)響應(yīng)測(cè)量準(zhǔn)確驗(yàn)證射頻元器件。

　　多天線技術(shù)

　　商業(yè)應(yīng)用以及航空航天與國(guó)防采用的大多數(shù)無(wú)線系統(tǒng)都通過(guò)在接收機(jī)和/或發(fā)射機(jī)上應(yīng)用多天線技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)整體性能。這些技術(shù)包括空間分集、空間復(fù)用和波束賦形。工程師采用多天線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分集、多路復(fù)用或天線增益。這樣的技術(shù)有助于提高無(wú)線系統(tǒng)接收機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐量和SNR。例如，5G NR在FR1中就使用了8個(gè)空間流，從而在不增加信號(hào)帶寬的情況下提高頻譜效率。3GPP因此在技術(shù)規(guī)范（TS）38.141-1中針對(duì)5G NR基站定義了如何使用多空間流進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試需要多達(dá)兩根發(fā)射機(jī)天線和八根接收機(jī)天線，每個(gè)測(cè)試?yán)�均�?yīng)用特定的傳播條件、相關(guān)矩陣和SNR。圖2展示了一個(gè)用于兩根發(fā)射機(jī)天線和四根接收機(jī)天線的5G基站性能多路輸入多路輸出（MIMO）測(cè)試配置，可以提供混合自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求（HARQ）反饋。

　　圖2.使用四通道信號(hào)發(fā)生器測(cè)試5G NR基站性能的測(cè)試設(shè)置。

　　與IEEE 802.11ax相比，新一代Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11be（Wi-Fi 7）可提供兩倍信號(hào)帶寬、16個(gè)空間流和四倍的調(diào)制方案密度。它們共同提供高達(dá)40 Gbps的數(shù)據(jù)速率。表2列出了IEEE 802.11物理層的重大變更。

　　表2.IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。

　　要想對(duì)使用空間分集、空間復(fù)用和多個(gè)天線陣列技術(shù)的多天線系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，您需要一個(gè)能夠提供多通道信號(hào)并且信號(hào)之間具有穩(wěn)定相位關(guān)系的測(cè)試系統(tǒng)。然而，商用信號(hào)發(fā)生器采用單獨(dú)的合成器將中頻（IF）信號(hào)上變頻為射頻信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)必須在通道之間提供精確的時(shí)序同步，才能仿真多通道測(cè)試信號(hào)。測(cè)試信號(hào)之間的相位必須相干且可控。圖3展示了一個(gè)完全集成并經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和同步的信號(hào)生成和分析解決方案，可以幫助您最大限度降低多天線測(cè)試的測(cè)量不確定度。

　　圖3.采用Keysight M9484C VXG四通道矢量信號(hào)發(fā)生器和四端口示波器的多通道測(cè)試解決方案。

　　總結(jié)

　　5G、衛(wèi)星和Wi-Fi等新一代無(wú)線通信系統(tǒng)需要更高的頻率、更大的帶寬、更復(fù)雜的調(diào)制方案和多天線設(shè)計(jì)。這將幫助您應(yīng)對(duì)新的設(shè)計(jì)和測(cè)試挑戰(zhàn)，例如增加的測(cè)試復(fù)雜性、測(cè)量不確定度、過(guò)多的路徑損耗和噪聲，而這些都會(huì)影響設(shè)備性能。

　　為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，您需要一個(gè)可擴(kuò)展的測(cè)試解決方案，從而準(zhǔn)確、輕松地支持更大頻率覆蓋范圍、更大帶寬和多通道應(yīng)用。借助完全集成并經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和同步的解決方案，您能夠降低測(cè)試復(fù)雜性，迅速獲得可重復(fù)的準(zhǔn)確結(jié)果。