解析4G至5G无线通信测试及射频仪器的那些事

　　一、无线通信测试概要

　　无线通信测试技术与测试仪器是通信产业的重要支撑力量，它渗透于通信芯片、模块、终端、基站、无线网络等几乎所有的产业链环节，贯穿于设计研发、认证验收、生产、网络建设与优化等几乎完整产业生命周期。

　　

　　设计与研发是使用测试仪器种类最多最广的阶段，主要有示波器、信号源、频谱仪（信号分析仪）、矢量网络分析仪等通用测量仪器，以及信道模拟器、终端模拟器、基站模拟器等专用高端测试仪器；在认证与验收阶段，主要测试设备包括RF一致性测试系统、协议一致性测试系统、RRM一致性测试系统；通信企业生产阶段的常用仪器是大家熟悉的终端综测仪、以及前面提到的信号源、频谱仪等通用测试仪器；在网络建设与优化阶段，发射机、扫频仪、手持频谱仪等各类工程仪表是常用的测量工具。

　　二、4G无线通信测试现状

　　接下来从系统设备测试、芯片与终端测试、射频测试和网规网优测试四个角度谈谈4G无线通信测试现状。

　　1、4G系统设备测试——矢量信号源与信号分析仪

　　矢量信号源与矢量信号分析仪是基站等通信设备研发、生产和一致性测试的高端通用电子测量仪器，它们的技术特点主要体现在以下几个方面。

　　

　　第一，频率方面，通过PLL、DDS、小数分频、分频倍频来支持从数kHz-数GHz的宽频带连续覆盖，频率分辨率能达到0.01Hz，此外频谱纯度高，谐波抑制、杂散与噪声处理能达到较高的指标要求；

　　第二，幅度方面，矢量信号源与分析仪通常具备了150dB以上的大动态范围，0.01dB的高分辨率，以及《±1dB的精度指标，线性度好、大幅度衰减少、串扰及噪声抑制性能优异，并采用自动电平控制和温度补偿；

　　第三，矢量性能方面，随着3G到5G时代带宽需求的大幅提升，实现大带宽面临幅相一致性的补偿、ADC的高采样率与高位宽的矛盾、FPGA在高时钟频率下设计难度成倍的提升、几十Gbps高速数据传输如何保障等一系列技术难点；

　　第四，工程化开发方面，为了保障测试的高可靠性，操作系统、数字电路、射频电路所组成的混合系统较为复杂；

　　第五，应用开发方面，矢量信号源与分析仪通常基于统一的平台来支持多种通信制式下的多重应用，如无线通信（2G/3G/4G/4.5G/5G，IEEE 802.11xx），卫星导航、无线电等。新的应用也驱动着仪表的技术演进。

　　第六、通道数方面，随着MIMO技术的应用，多通道MIMO信号源与分析仪也是技术演进的方向之一，当然也对仪表系统的可靠性、电磁兼容设计等带来挑战。

　　2、4G系统设备测试——无线信道模拟器

　　除了大家熟悉的信号源、信号分析仪这样的通用仪表，通信测试中还有一种重要的高端测试仪器：无线信道模拟器。

　　

　　信道是无线通信物理层技术研究的基础之一，MIMO信道近些年来一直是学术界的研究热点。MIMO信道模拟器是在实验室条件下精确可重复地模拟复杂的无线信道环境的仪器。它与信号源、信号分析仪有一些类似的技术特点，比如宽频带、大带宽等。

　　除此之外，由于信道模拟器的双向链路特性，给宽频带射频前端的通道隔离指标和多通道射频一致性提出了很高要求；由于MIMO信道的复杂性，数学模型的实现对于基带运算资源、数据交互速率等等要求很高，因此，基带与算法架构的设计极为重要。

　　另外，随着3D MIMO/Massive MIMO以及高频信道特性研究的不断深入，信道模拟的方法与架构也在逐步演进。

　　3、4G芯片与终端测试——综测仪

　　4G时期，随着芯片制造工艺的发展进步，芯片的主流工艺已经从28nm进入到新的技术阶段，芯片的处理器核数也发展到64位应用处理器芯片或者8核处理方案。

　　

　　4G时代的手机，多模多频的能力持续加强，2G/3G以及LTE（TDD/FDD）的全模支持能力需求也持续在增长；同时，手机的Bluetooth/GPS/WIFI以及NFC的通信需求也在不断增加；射频方面，手机的频点和带宽能力覆盖了2/3/4G技术各个版本的需求，如R10版本要求终端支持5CC最大100M的下行带宽，后续版本中需要终端支持对MIMO和跨频段载波聚合以及TDD-FDD不同制式的载波聚合。

　　为了适应这些芯片与终端的发展，传统的综测技术也需要进行相应的革新：为了满足多样化的测试需求，单台终端测试仪表需要具备各种通信制式（2G/3G/4G和BWG）的空口协议栈模拟能力，以适应终端研发过程对于网络侧模拟的要求，同时终端测试仪表应具备通过集成和开放接口搭建射频/协议/RRM一致性测试系统的能力；

　　此外，由于测试频段、带宽、通道数大幅扩展，综测仪表射频能力需要支持从400M到6GHz的测试频率， 满足各个工作频段下的精度以及性能的一致性和稳定性，并通过功能扩展实现多载波聚合以及多通路MIMO的验证能力；

　　针对终端生产过程中对于效率和成本的要求，手机综测仪的产线测试技术已经从传统的信令综测转为速度更快的非信令模式，而且手机的全频段校准和全制式综测一站式成为手机产线测试的普遍方案。

　　4、4G射频测试—矢量网络分析仪

　　矢量网络分析仪主要用来测量射频器件的S参数，具备高性能、大动态、低噪声的优势，广泛应用于移动通信、军工雷达、半导体、广播电视、科研教育等领域射频器件、组件的研发和生产测试。

　　

　　4G时代的射频器件形态多样，有半导体芯片、滤波器、RF连接器以及天线等。矢量网络分析仪也不再局限于S参数的测量，还具备插入损耗IL、驻波比VSWR、Smith图的测量功能，为RF器件、半导体及终端天线提供最基本的性能检测。

　　近年来，矢网主要发展方向包括：非线性测量、多端口并行测试、毫米波甚至THz频段渗透等。

　　5、4G网络规划与优化测试

　　扫频仪、发射机、手持式频谱仪和手持式天馈线分析仪等仪表广泛应用于室外模拟测试和室内覆盖测试。其中，室外模拟测试包括传播模型校正和基站覆盖测试；室内覆盖测试则主要包含了室分系统设计验证及系统验收。

　　

　　扫频仪具有扫描速度快、灵敏度高、动态范围大和独立于网络进行测试等突出特点；发射机则经历了从发射连续波到发射简单导频再到模拟基站的发展历程，支持远程可控；手持式频谱仪用于频谱分析、干扰排查等，能够解调参数从而进行各种信道的分析，具有宽频带、高动态、便携性等突出优势；手持式天馈线分析仪用于查找天馈线的问题，测量距离大，方便灵活。

　　网规网优测试属于工程测试领域，对仪表的要求，除了满足基本的测试功能以外，正向着便携化、易操作、大数据传感的方向发展。

　　三、5G及IoT测试技术发展

　　关于5G及IoT测试技术的发展，下面我将分别谈谈5G信号源与分析仪、5G大规模MIMO数字多波束测试、Massive MIMO 阵列天线测试、NB-IoT测试以及5G信道模拟器。

　　1、5G信号源与分析仪

　　信号源与分析仪仍将是5G时代最重要的通用测量仪器。5G信号源与分析仪，工作频段需要覆盖从低频到微波毫米波的范围，同时支持500MHz甚至数GHz的矢量信号带宽。

　　

　　实现数GHz带宽的信号发生与分析，主要技术难点包括射频、微波、毫米波技术的综合开发，高动态高采样率的ADC，高速FPGA和DSP信号处理平台，以及高吞吐量数据交换。频率覆盖方面，国外高端矢量信号源频率已达到44GHz，矢量信号分析仪工作频率可达85GHz；调制带宽方面，R&S公司的矢量信号源SMW200A内调制带宽最高可达2GHz。

　　目前，国内仪表厂商在这一领域尚未取得重大进展，希望未来能通力合作，突破技术瓶颈，弥补市场空白。

　　2、5G大规模MIMO数字多波束阵测试

　　针对5G大规模MIMO的数字多波束阵基于数字域的波束赋形原理，能够提供高空间分辨率的高增益窄波束，具有灵活的空间复用能力和较低的用户间干扰。

　　

　　传统的天线测量系统基于信号源和矢网，而数字多波束方案从原理和技术层面都使得传统的天线测量系统无法复用：传统表征天线性能的指标，不再适合描述数字多波束阵列；未来Tx/Rx组件与天线单元高度集成，无法单独测量; 数字与模拟的混合导致的非线性特性使得天线测量成为系统性能测量。

　　3、Massive MIMO阵列天线测试

　　作为5G的关键使能技术之一，大规模天线技术不可避免地为天线测试带来一系列挑战。传统的多端口测试大多基于单台矢网分步测试或多台矢网级联测试，普遍存在着测试速度慢与通道校准复杂的弊端，此外由于矩阵开关的引入，导致动态范围等性能恶化。

　　

　　Massive MIMO天线测试需要真正的多端口矩阵矢网。多端口矢网能够同时测试多端口的S参数，有效减少了测量时间；同时，每个测试端口都配备独立的源、参考接收机和测量接收机，可并行测试多个被测件。

　　多端口矢量网络分析仪的主要技术难点包括大规模多端口幅相一致性的快速校准问题、多通道间的串扰抑制问题以及并行多路信号实时同步的处理方法等。

　　4、NB-IoT测试

　　随着2016年7月标准冻结，NB-IoT作为新一代物联网，具有广泛的应用前景。

　　

　　目前国内支持NB-IoT 技术的测试设备相对较少，亟需低成本、高指标的NB-IoT测试仪器完善产业链发展。一些潜在的关键技术将大大加速NB-IoT测试仪器的研发进程，例如：小型化、低噪声的本振合成技术，宽带脉内稳幅技术可用来实现宽带信号的稳定输出，变频跟踪滤波技术可用来实现全频段杂散大幅度抑制，宽带小数内插技术能够实现矢量信号精确测量。

　　5、5G信道模拟器

　　5G信道模拟器将在多通道（64、128甚至更多）的基础上，实现500MHz以上的更大带宽，覆盖6GHz以上的更高频段，支持丰富多样的5G信道模型。目前国际上现有信道模拟器在工作频率、通道数和带宽等关键指标上无法满足5G需求。

　　

　　但这几年，国内已经有不少企业已经研制了面向4G测试的8x8 MIMO信道模拟器，在硬件架构、算法体系等方面为5G信道模拟器的研发奠定了技术基础。