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為實現下一個無線技術的突破鋪平道路

作者:是德科技公司產品營銷經理Eric Hsu時間:2022-04-30來源:電子產品世界收藏

無線創新的步伐越來越快,從而在全球范圍內實現了更快、更靈敏、更可靠的互聯。無線通信行業已經準備就緒,迎接多個系統中的重大技術變革。為提高數據吞吐量,蜂窩通信從 4G 升級到 5G,而衛星通信提供商則在太空建設網絡,志在為全球每一個角落提供高速通信。無線工程師希望在技術層面實現突破,從而最大限度提高系統吞吐量,打造穩健的鏈路和數據處理能力。對于無線系統物理層而言,關鍵技術涉及更大的帶寬、更高階的調制方案以及無線系統中的多天線技術。

本文引用地址:http://www.advisorsnote.com/article/202204/433691.htm

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是德科技公司產品營銷經理Eric Hsu

更大的信號帶寬

由于可供分配的頻譜有限,標準開發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展到 71 GHz。

衛星通信為電視、電話、寬帶互聯網業務和軍事通信提供連通性。衛星可以在 L 頻段到 Ka 頻段之間許多頻段運行。國際電信聯盟(ITU)將 W 頻段中的 71 至 76 GHz 以及 81 至 86 GHz 分配給了衛星業務。商業衛星運營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 頻段無線發射機的衛星成功發射上天。在不遠的將來,我們有望見證 W 頻段的更多商業項目。

毫米波頻段可提供更多可用帶寬。大帶寬可以實現高吞吐量數據和低時延,但增加的帶寬也會帶來更多噪聲,從而影響系統性能。無線工程師需要管理寬帶通信的噪聲問題。除了產生更多系統噪聲外,在更高頻段擴大帶寬還會給設計和測試帶來路徑損耗、頻率響應和相位噪聲等其他挑戰。

更高階的調制方案

更高階的調制方案能夠在不增加信號帶寬的情況下提高數據速率,而各符號間隔更近,從而對噪聲也更敏感。隨著調制密度增加,器件需要更好的調制質量。表 1 列出了 3GPP Rel-16 技術規范 38.141 中針對 5G NR 基站規定的誤差矢量幅度(EVM)要求。3GPP 也在考慮采用對設計和測試裕量有更嚴格要求的 1,024 QAM。

表1 5G NR 基站發射機測試中的調制質量要求

調制方案

要求的誤EVM(%)

QPSK

18.5%

16QAM

13.5%

64QAM

9%

256QAM

4.5%

更大的信號帶寬和更高階的調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容量。您必須考慮通信系統的信噪比(SNR)。適當的 SNR 對于維護通信鏈路非常關鍵。帶寬越大,帶給系統的噪聲就越多;調制方案越高階,則越容易受到噪聲的影響。您需要傳輸沒有失真的大功率信號并降低系統噪聲,才能維持通信鏈路的性能。要想對設計進行測試,您需要準確表征圖 1 中所示的每一個元器件和每一個子系統。

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圖1 通過激勵響應測量準確驗證射頻元器件

多天線技術

商業應用以及航空航天與國防采用的大多數無線系統都通過在接收機和/或發射機上應用多天線技術來提高系統整體性能。這些技術包括空間分集、空間復用和波束賦形。工程師采用多天線技術來實現分集、多路復用或天線增益。這樣的技術有助于提高無線系統接收機的數據吞吐量和 SNR。例如,5G NR 在 FR1 中就使用了 8 個空間流,從而在不增加信號帶寬的情況下提高頻譜效率。3GPP 因此在技術規范(TS)38.141-1 中針對 5G NR 基站定義了如何使用多空間流進行性能測試。測試需要多達兩根發射機天線和八根接收機天線,每個測試例均應用特定的傳播條件、相關矩陣和 SNR。圖 2 展示了一個用于兩根發射機天線和四根接收機天線的 5G 基站性能多路輸入多路輸出(MIMO)測試配置,可以提供混合自動重復請求(HARQ)反饋。

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圖2 使用四通道信號發生器測試 5G NR 基站性能的測試設置

與IEEE 802.11ax相比,新一代 Wi-Fi 標準 IEEE 802.11be(Wi-Fi 7)可提供兩倍信號帶寬、16 個空間流和四倍的調制方案密度。它們共同提供高達 40 Gbps 的數據速率。表 2 列出了 IEEE 802.11 物理層的重大變更。

表2 IEEE 802.11標準

IEEE   802.11標準

最大信號帶寬

調制方案

空間流數量

802.11be (Wi-Fi 7)

320 MHz

OFDM,高達 4,096 QAM

多達 16 個

802.11ax (Wi-Fi 6)

160 MHz

OFDM,高達 1,024 QAM

多達 8 個

要想對使用空間分集、空間復用和多個天線陣列技術的多天線系統進行測試,您需要一個能夠提供多通道信號并且信號之間具有穩定相位關系的測試系統。然而,商用信號發生器采用單獨的合成器將中頻(IF)信號上變頻為射頻信號。測試系統必須在通道之間提供精確的時序同步,才能仿真多通道測試信號。測試信號之間的相位必須相干且可控。圖 3 展示了一個完全集成并經過校準和同步的信號生成和分析解決方案,可以幫助您最大限度降低多天線測試的測量不確定度。

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圖3 采用Keysight M9484C VXG四通道矢量信號發生器和四端口示波器的多通道測試解決方案

總結

5G、衛星和 Wi-Fi 等新一代無線通信系統需要更高的頻率、更大的帶寬、更復雜的調制方案和多天線設計。這將幫助您應對新的設計和測試挑戰,例如增加的測試復雜性、測量不確定度、過多的路徑損耗和噪聲,而這些都會影響設備性能。

為了應對這些挑戰,您需要一個可擴展的測試解決方案,從而準確、輕松地支持更大頻率覆蓋范圍、更大帶寬和多通道應用。借助完全集成并經過校準和同步的解決方案,您能夠降低測試復雜性,迅速獲得可重復的準確結果。



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