5G与IoT时代的射频测试

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当4G进入规模商用时代后，业界的关注的焦点迅速转移到了下一代无线通信，即5G。从技术上看，5G还处于研究论证阶段，全球主要的标准化组织都已经将5G的标准化提上了日程，各个主要电信设备厂商，以及运营商都对5G的预研有着巨大的投入。

今年4月，工信部、发改委和科技部共同成立了IMT2020(5G)推进组，旨在组织国内各方力量、展开国际合作，共同推进5G国际标准的发展。在IMT2020 5G白皮书中，就把5G描述为以用户为中心构建的全方位信息生态系统，5G将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，便捷地实现人与万物的智能互联。

目前业界已经提出了一些5G的关键性能指标，主要包括用户峰值速率、用户体验速率、带宽、连接数密度、端到端时延和移动性等。其中峰值速率将大于10Gbps，是目前4G的10倍以上；用户体验速率将大于100Mbps；带宽0.5~2GHz；端到端时延约为1毫秒；还需要适应高铁等速度高于500km/h的高速移动场景。

据了解未来的5G会针对不同的应用场景来设计通信标准，因为不同的应用场景对速率、移动性、时延、成本和能耗等各方面的要求大不一样。比如物联网对速率和带宽的要求就比较低，目前的无线技术就可以很好地融合实现。5G在其应用场景设计时，已经将“工业物联网”中所涉及的某些应用场景都考虑到了。美国国家仪器有限公司(NI)市场开发经理姚远表示，“这是移动通信历史上第一次在标准定义时，除了单纯追逐通信速率指标之外，将一些适应于特定应用场景的指标也设计在其中。”

图1：美国国家仪器有限公司(NI)市场开发经理姚远。

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5G关键技术和测试挑战

为了实现5G无线数据传输的性能指标，需要采用一些新的无线技术。罗德与施瓦茨公司(R&S)中国区业务发展经理汤日波认为，5G的关键技术主要有网路技术和无线技术。无线技术主要有大规模天线阵列、超密集组网、新型多址，全频谱(含毫米波宽带)接入等；网路技术主要有基于软件定义网络(SDR)和网络功能虚拟化(NFV)的新型网络架构。他同时指出，5G作为新一代的移动通信技术不是孤立的，还会和2G，3G，4G及演进技术相兼容，与很多现有的无线接入技术也要同时使用。

图2：罗德与施瓦茨公司中国区业务发展经理汤日波。

是德科技(Keysight)大中华区市场部5G市场工程师马健锐也觉得5G的实施需要应用一系列复杂的技术，他表示，频谱研究、高频段信道测量与建模、大规模天线、超密集组网、干扰消除、关键器件、新型多址技术、噪声功率、功率放大器效率、复杂的天线设计、价格昂贵的元器件、信号处理需求，以及创新的被测器件连接方式、新空中接口，高速有线通信等都是需要研究和解决的技术问题。

图3：是德科技大中华区市场部5G市场工程师马健锐。

5G将要采用新的网络技术和新的无线技术，这对系统厂商、终端厂商，以及测试厂商来说都意味着新的挑战。姚远对本刊表示，“在5G的候选技术中，大规模MIMO技术和毫米波技术都是非常具有前景以及突破性的新技术，同时也为测试带来了新的挑战。”

相比与传统单通道通信系统，多输入多输出(MIMO)通信系统有效地提高了信道容量并极大的提升了频谱效率。无论是蜂窝通信还是无线宽带通信，其最新的通信标准无一例外的使用了MIMO技术。从测试角度来看，MIMO系统无疑变得更加复杂，更具有挑战性。绝大多数的传统仪器都是单通道矢量信号发射或者分析，少数仪器可以扩展成双通道矢量信号分析，也都是独立射频信道，理论上无异于使用两台单独的台式仪器。使用独立的传统仪器进行MIMO测试，遇到的最大困难是，如何让各个射频通道进行同步相干采集，并针对原始信号做有效解调及分析。传统台式仪器通常是依靠共享同一参考时钟的方式来进行同步，其相位精度很难得到保证。

由于5G很可能会引入大规模天线、大规模MIMO和毫米波技术，因此，马健锐也觉得，测试方面的影响和挑战是巨大的。他表示，“大规模天线的引入颠覆了传统意义上的MIMO设计，由此带来了巨大的技术优势。但与此同时对于通道间幅相一致性的校准也提出了挑战。传统的Box仪表的在成本和时间同步上就已经没有太多优势。取而代之的是需要具有相位相参能力的多通道模块化仪表来解决这个校准问题，这里需要强调一下时间同步和相位相参，发射通道间只有达到相位相参才能产生正确的波束赋型，仅仅做到时间同步是不够的。”

同时，他还表示，目前业界对于毫米波波段信道特性的了解程度还不够，尤其引入了超大宽带、3D模型等新的需求。传统的专用信道测量设备不够灵活，升级成本巨大，基本无法满足现阶段对6GHz~100GHz范围内频段的灵活测量。现阶段需要一套灵活的通用信道测量方案，用相对较低的成本，灵活地测量并提取信道参数为信道建模的研究提供准确的数据。

第3页：5G的测试解决方案

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5 G 的测试解决方案

虽然目前5G只是预研阶段，但它终究还是要商用的，如何就爱那个前期预研阶段的研究成果与工程化实践相结合，加速产品商用化的速度，是摆在产品部门的巨大问题。这需要经过可靠的、灵活的、验证的参考测试解决方案，为5G的设计提供可靠的先验数据，帮助设计人员降低设计成本，快速迭代，加速产品成熟推向市场。

“是德科技自2014与中国移动签署5G合作备忘录，在5G关键技术领域合作研究。而且是德科技N7109A系列多通道信号分析仪在中国移动提出的5G Smartile基站的测试验证领域发挥了关键作用。”马健锐这样对本刊表示。

他还特别强调，是德科技推出了业内第一个5G仿真软件，支持系统级、链路级仿真；支持5G新波形；支持在真实环境下验证5G新波形、超宽带矢量信号系统测量；客户可利用该系统可达到10+Gbps的5G标志性指标。

通常认为26.5~300GHz为毫米波频率，可用带宽超过100GHz。毫米波介于微波合光波之间，兼具二者优点。与激光相比，毫米波的传播受气候影响小，毫米波与微波相比波束更窄，空间分辨率极高。另外，毫米波器件尺寸小，可以实现天线和设备的小型化。这些特点决定了毫米波是实现5G超高速数据通信和超密集组网的关键技术。毫米波频段对测试测量的挑战包括系统级和器件级两个方面。系统级研发和验证需要毫米波和超宽带的信号产生和接收分析，信道探测和建模仿真，器件级则需要完整的矢量网络分析解决方案。

是德科技提供的微波到毫米波频段信号产生和接收分析解决方案，支持宽带矢量信号产生最高达67GHz和宽带矢量信号接收分析高达50GHz的测试应用(如果增加毫米波混频器扩展，可以支持超过100GHz频率范围)。可以结合是德科技89600，SystemVue和ADS等软件平台实现5G信号产生和分析，可以用于模拟5G无线通信信号产生和接收，应用于信道测量和信道建模建模等。

在毫米波器件测试解决方案方面，是德科技提供基于N5247A/N5227A的10MHz~110GHz单次扫描解决方案。系统组成包括N5247A/N5227A微波/毫米波矢量网络分析仪，毫米波测试系统扩展控制器，以及频率扩展端口模块。

“此外，全球领先的8×8 MIMO Beamforming测试系统被学者广泛用于4.5G和5G的射频研究。”马健锐补充说。

“对于5G，NI并不仅仅停留在关注的层面，而是积极地参与到5G技术的研发当中。”姚远特意介绍了NI在软件层面也做了不少努力，“ NI的LabVIEW通信系统设计套件(LabVIEWComms)的出现将颠覆性的改变软件无线电原型的开发方法，大幅缩短开发时间、最大程度的提高工作效率。”

另一方面，NI 已与多家全球顶尖的科研机构也开展了针对5G 关键技术科研的合作，共同探索新的通信系统设计方法。在国内，NI与上海无线通信研究中心合作建立了首家5G实验室，该中心将展开包括大规模MIMO 系统等在内的5G 关键技术的科研项目。在国外，NI与德累斯顿工业大学(TU Dresden)联合研究5G技术，通过模块化的NI PXI系统实现OFDM原型系统的设计，研究人员只需对代码进行少许修改，即可扩展到复杂的MIMO配置。NI还与瑞典隆德大学(Lund University)合作开发大规模 MIMO原型测试台，研究人员通过NI的PXI平台、USRP软件定义无线电平台，加上NI LabVIEW图形化系统设计软件仿真真实的场景，从而验证大规模MIMO的真实性能和理论性能。这些原型化的技术，将为未来5G的测试工作打下坚实的技术基础。

在姚远看来，新兴无线通信技术和电子技术不断涌现的今天，射频测试行业正面临着前所未有的挑战，针对这些挑战，仪器行业呈现出两个比较重要的趋势：模块化和软件定义。

随着电子技术的快速发展，诸如智能手机、平板电脑等消费类电子产品的集成度越来越高，这就对测试仪器提出了更高的要求，更多功能、更易操作、更高吞吐量和更具成本效益。面对如此综合的测试对象和复杂的测试需求，姚远认为，必须要有一个很综合的系统去进行测试，而模块化仪器就是这样的系统。模块化测试平台提供了更快的测试时间和更低的投入成本。

他指出，使用基于PXI 的模块化仪器系统，用户可以根据需要先选择各种模块，继而通过软件配置它们，最终完成特定的测量任务。NI基于模块化的PXI平台还能融合最先进的商业技术，实现在平台和产品上的不断更新，帮助客户以合理的成本实现尽可能多的测试应用。

此外，姚远还特别提到，产线测试在要求精度、可靠性、测试速度和测试吞吐量的同时，还需要向前兼容和长期投资回报，而这正是软件定义PXI测试设备的优势所在。利用NI软件定义的PXI测试设备，不仅可以在同一平台上进行多种无线标准的测试，还可以帮助客户测试下一代无线通信标准。无论是VST还是其他的射频仪器，NI试图为客户提供软件定义的仪器，在NI软件功能所支持频段范围内的任何一个频点上，用户都可以做想要的测试。

NI提出的基于PXI平台的无线测试平台提供了一种“打破常规”的解决思路。一方面，在PXI平台上，用户可以更快享受到商业现成可用技术所带来的成本优势。另一方面，这种软件定义的模块化的解决方案具有极强的灵活性和可扩展性，可以很好的支持不断演进的通信标准。

姚远举例说，NI在去年世界移动通信大会?(MWC2014)上发布的矢量信号收发仪(VST)------NI PXIe-5646R，就是一类被称为软件定义的仪器，它结合了矢量信号分析仪、矢量信号发生器、高速的数字RIO，以及可编程FPGA芯片四部分仪器的功能，客户可以通过编程来深度自定制仪器功能。NI PXIe-5646R是这个产品家族的新成员，它的创新点主要在于带宽，它能够提供200MHz的瞬时带宽，这样一个带宽能够支持包括802.11ac在内的最新无线通信标准。这使得VST成为最新设计和测试技术(如数字预失真和包络跟踪)的理想选择。

“相比于传统仪器或其他厂商的矢量信号收发仪，NI VST具备两个独特优势：第一、软件定义，NI PXIe-5646R的功能完全是由用户根据需求进行自定制的，增强了用户体验和灵活度。第二、LabVIEW RIO的架构可以简化系统设计开发难度，NI LabVIEW RIO架构基于四个部分：LabVIEW图形化设计软件、实时处理器(RT模块)、可重配置的现场可编程门阵列(FPGA)模块，以及模块化I/O硬件。NI提供一个完整的软件平台，可以通过相同的编程体验针对这几部分进行一个编程。对于移动终端测试，VST提供了‘一站式、一拖多’的解决方案，即在同个硬件平台上支持当前所有的2G/3G/4G标准，集成WLAN、蓝牙、GPS、RFID、NFC等各项功能测试，并且这款系统支持多部手机并行测试。”姚远这样解释该平台化仪器的特点，他说，“这些亮点不仅帮助终端制造商显著降低测试成本，更较传统的多站式测试缩短了60%的时间。”

不过，在R&S的汤日波看来，“毫米波，大规模天线等技术对R&S公司来讲并不完全是新的技术，这些方面的测试在国防军工领域是早已产业化的技术，R&S公司能够提供高达500 GHz的通用测试设备，信号产生和信号分析的带宽能够达到2 GHz带宽，从频段上完全能够满足5G预研的需要，对天线阵列的射频测试， R&S的单台仪表能够实现48通道的射频测试。”

据他介绍，目前R&S公司用于5G研发的主要方案有：信号产生用矢量信号源SMW200A，单台实现40 GHz，外置混频器或倍频器能达到110 GHz, 调制带宽达到2 GHz，能够产生几乎所有的移动通信标准信号，内置信道衰落模拟器。信号分析用信号分析仪FSW85, 不需要外置混频器单台实现2Hz~85GHz，信号分析带宽达2GHz。多通道射频微波测试用矢量网络分析仪ZNB能够实现48通道的射频微波参数测量。

小结

5G不是孤立的技术，涉及到和2G、3G、4G移动通信技术的兼容和演进，还需要和其他无线通信技术如WiFi、NFC、蓝牙等技术融合协同工作。对测试厂商来说，这些现有的技术的测试方案已经是成熟的，完全可以直接集成到未来5G的测试方案中。这就是说未来的无线射频测试仪器将更加集成化。

姚远的观点则是未来的无线测试将会朝着平台化、模块化以及软件定义这几个方向去发展。首先从最终用户角度来看，平台化的产品意味着可以最大限度的利用固有资产的投资，在同样一个仪器平台上通过加载不同的程序算法，来实现仪器不同的功能；另一方面，从仪器厂商角度，统一的软件平台可以被用于不同的硬件系统上，比如iOS可以被用于iPhone、iPad、iPod等不同硬件一样，这样就极大的节省了开发的成本，从而最终让客户受益。

本文来自《电子工程专辑》2015年9月《微波与射频》特刊，拒绝转载。