5G毫米波测试工程指南分析

为服务客户，全球的服务运营商在频谱上花费了几十亿美元。开发新的频谱能够让服务运营商容纳更多用户，并提供更高性能的移动宽带数据体验。与小于6Ghz 的频谱相比，毫米波更加丰富，需要的许可也更少。目前先进的硅制造工艺大幅降低了毫米波设备的价格，完全可用于消费电子产品。目前影响毫米波应用的主要问题在于这个频谱的很多方面都没经过研究，需要解答技术问题。

5G毫米波最新进展

11月1日，IMT-2020（5G）推进组（下称“推进组”）5G试验工作组组长徐菲在5G创新发展高峰论坛上表示，截至今年10月，华为完成了5G毫米波关键技术测试的功能、射频和外场性能，华为海思芯片进行了5G毫米波关键技术的室内功能测试。参与5G毫米波测试的还有爱立信、中国信科、诺基亚贝尔、中兴系统厂商，以及芯片公司高通、紫光展锐等。

目前中国正在分阶段推进5G毫米波技术试验工作计划。据IMT-2020（5G）推进组消息，2019年8月-2019年12月，验证5G毫米波关键技术和系统特性；2020年，计划验证毫米波基站和终端的功能、性能和互操作，开展高低频协同组网验证；2020-2021年，计划开展典型场景验证。

5G毫米波面临的测试挑战

一直以来，人们都认为射频工程是一项专业性非常强的技能，因为射频技术并不总是如预期那样工作，而射频工程就是为了征服这一技术难题；而且随着5G的出现以及5G所依赖的新通信架构方法的出现，射频工程的重要性也在不断凸显。要想实现3GPP标准委员会规定的数据速率，需要采用渐进的方法，而不是对现有基础设施进行迭代增强。

与4G相比，5G不仅引入了24-40 GHz的毫米波频率，还同时也带来了相应的挑战——在已授权和未授权sub-6 GHz频率范围内多无线电接入技术系统如何实现频谱共存？无论是开发新的5G智能手机、固定网络网关还是基础设施设备，在产品开发到最终生产测试过程中的所有阶段，都需要部署可靠、稳定的测试方案，这一点非常重要。

从技术角度来看，测试设备是否符合运营商和3GPP委员会规范至关重要，这需要测试多个不同的参数，例如调制质量、射频放大器线性度、接收机信噪比、发射机效率等。由于使用毫米波来发射和接收信号，测试工程面临着诸多新挑战，比如通信时可能会遇到当前sub-6GHz蜂窝技术未曾遇到的一些传播和信号路径问题，而且在设计新组件和半导体器件也会碰到许多新难题。

图1.新5G架构组件的可能测试插入点（来源：NI）

图1仅显示了在规划5G设备测试方案时的一些可能测试点。基带收发仪使用正交调制IQ波形，对于此类波形，线性度、IQ信号校准和中频信号调理都是关键测试点。工程师需要能够使用高线性度测试设备，生成5G波形，并获得能够处理高带宽IQ波形的测试集。同样，通过上下变频将IF转换为毫米波的射频收发仪同样需要严格的测试。信号完整性、放大器效率、输出功率以及去除无用谐波和相位噪声假象都是可能需要考虑的测试指标。

其实，除了工作频率不同之外，上面重点介绍的信号链的几个方面与传统4G设备有很多共同之处。但是，提供5G功能必须用到波束形成器和前端模块（FEM）。

由于在毫米波频率下，传播损耗较高，因此波束成形的作用就显得更为重要。但是，使用毫米波频率有一个好处，即天线元件的尺寸可以大幅缩小，因此可以在相对较小的物理空间中安装大量元件，这样一来，波束成形就成为了提高天线增益的可行方法。通过将模拟移相器和数字电路相结合，基础设施设备可以将信号转向目标接收机，从而提高接收到的信号强度，扩大操作范围，并降低误码率（BER）。

测量方面的挑战在于如何通过这些基于IC的新波束成形组件和FEM来进行特性分析并获得出色性能。这些组件包括混频器、滤波器、功率放大器和低噪声放大器，要应对这一挑战，关键在于在维持能效的同时实现高带宽线性度。数字预失真（DPD）通常用于提高传输信号的线性度，但这要求测试设备能够生成和测量带宽五倍于所需值的信号，这远远高于4G测试系统的带宽要求。

发送和接收路径的互易性也需要进行测试。例如，功率放大器进行压缩区时，就会产生幅移和相移。此外，可变衰减器、可变增益放大器和移相器等射频组件的容差可能在通道之间产生不均等的相移，这可能会影响FEM的相位相干性。

用于5G的波束成形测试系统需要扫描宽频谱，并能够测试每条路径的最大线性输出和压缩行为。快速双向多端口开关测试解决方案是任何5G开发和生产测试环境的先决条件。

超快速毫米波OTA验证测试技术

工程师在研发新5G毫米波设备的时候，面临着严峻的测试挑战，即如何对设备空口（OTA）的波束形成性能进行特性分析。由于缺乏用于评估设备性能的传统连接器测试端口（ connectorized test port），工程师需要在消声室中很谨慎地控制射频环境，并仔细地配置并执行3D空间扫描。因此，执行此类空间扫描非常耗时而且成本高昂。

用于毫米波OTA验证的测试解决方案必须满足以下要求：

提供具有成本效益、无噪声且控制精准的OTA测试环境

向工程师快速提供详细的测量结果和曲线

通过适当的系统校准降低OTA测量不确定性

简化配置和执行全面的自动化OTA测试序列的过程

毫米波OTA验证测试参考架构

通过连续扫描3D空间，将OTA测试时间从数小时缩短至几分钟，并使用PXI平台实现DUT定位器与射频生成和分析引擎的紧密同步。

借助无噪声的射频消音室和经过适当特性分析的静区，获得可靠的OTA测量数据。

借助毫米波矢量信号收发仪来验证AiP DUT的高带宽波束形成性能，该收发仪支持所有3GPP信道带宽和符合5G标准的波形。

利用NI的毫米波OTA验证测试软件，轻松配置各种空间扫描，以对DUT天线方向图进行特性分析，同时可快速生成、查看、存储或分配详细的参数结果。

缩短5G毫米波OT测试时间

与传统的点对点软件控制测试系统相比，NI的毫米波OTA验证测试参考架构可在24 GHz到44 GHz的5G毫米波频段内快速扫描OTA空间，帮助用户显著缩短AiP器件的OTA射频验证测试时间。这一全新的参考架构使得正在研究最新5G AiP器件的特性分析和验证工程师能够利用更宽、更复杂的5G新空口信号研究其器件的波束成形性能，同时缩短开发周期。NI的快速OTA测试方法可帮助工程师使用更密集的空间网格并获得更精细的3D空间分辨率，同时维持较短的测试时间。此外，借助NI的毫米波OTA验证测试软件，验证工程师可以在生成、可视化、存储或发布详细的参数结果时快速配置这些空间扫描，以分析其器件的天线方向图特性。

NI一直以来致力于不断扩大5G毫米波器件的测试范围，同时帮助用户降低测试成本和缩短上市时间，NI毫米波OTA验证测试参考架构解决方案完善了NI模块化仪器产品系列和测量软件，可对最新的Sub-6 GHz至毫米波的最新5G RFIC器件进行特性分析和验证。