羅德與施瓦茨 5G Channel Sounding測試平臺
2024-10-21
一、什么是5G
隨著移動通信系統帶寬和能力的增加，面向個人和行業的移動應用快速發展。移動互聯網和物聯網的快速發展，成為5G的主要驅動力。中國IMT-2020 (5G) 推進組對5G網絡的性能要求和效率需求通過一株綻放的鮮花來進行定義，其中花瓣代表5G的六大性能指標，體現了5G滿足未來多樣化業務與場景需求的能力，花瓣頂點代表了相應指標的最大值；綠葉代表效率指標，是5G可持續發展的基本保障。
5G性能和效率需求
可見5G系統同之前的通信系統相比，從傳輸速率，網絡容量，穩定性，移動性等都有了很大的提高，同時對成本和能效等指標也提出了新的需求。
二、Channel sounding方案原理
傳統的民用移動通信頻段都集中在6 GHz以下，但是對于5G系統，毫米波已經是業內認可的一項關鍵技術，也就是說5G系統的頻段很有可能在6 GHz到100 GHz 或者更高的頻率。但是對于毫米波頻段的信道特性（比如路徑損耗，時間選擇性衰落，遮擋和反射的影響等等）了解甚少，所以為了更好的選擇適合5G系統的頻段，研究機構需要對毫米波頻段的信道特性進行深入的研究，同時由于5G系統會是高帶寬系統，寬帶信道特性也是研究的重要方向。
常見的信道探測方法主要由如下兩種：
(一) 使用矢量網絡分析儀進行探測，該方法的優點是可以測試各種頻段完整的信道響應特性，但是也存在著只能測試時不變多徑信道，以及外場測試受限于收發同臺儀表等缺點；
(二) 直接信道沖擊響應方法測量，該方法主要是通過PN序列相關來進行信道探測，但是傳統的發射設備由于硬件的原因受限于帶寬，很難產生高帶寬的PN序列。
提出的信道探測解決方案也是使用PN序列相關方法來進行，但是由于矢量信號發生器SMW200A最大可實現2 GHz帶寬信號的產生，所以可以從根本上克服以前直接信道沖擊響應方法帶寬受限的缺點。同時，該信號發生器單臺儀表可以產生40 GHz的頻率的信號，如果配合響應外部混頻模塊，可以產生100 GHz頻率的信號。在接收端，矢量信號分析儀FSW最高頻率可達到85 GHz，同樣配合混頻模塊可以實現高達100 GHz信號的接收和分析，FSW自身的分析帶寬為1.2 GHz，配合RTO可以實現2 GHz帶寬信號的分析。下圖為針對Channel Sounding的基本測試環境，如果在發射端和接收端分別配置天線，即可實現外場測試：
Channel Sounding測試方案
三、Channel sounding方案優勢
在Channel Sounding測試過程中，通常存在最關鍵的兩個問題來限制測試的有效性：(一) 測試系統的靈敏度，該指標決定著可以外場探測信道的距離；(二) 發射端和接收端設備的同步，該項決定了測試系統使用的方便性和可行性。Channel Sounding方案很好的解決了這兩個問題，可以輕松的完成5G系統Chanel Sounding測試，分別介紹如下：
1、系統靈敏度
Channel Sounding系統的靈敏度由兩部分組成，一是發射端的最大輸出功率，另一個是接收端的最小靈敏度。矢量信號發生器SMW200A最大可以產生17 dBm的信號 (手冊指標，可以標量)。接下來，我們計算接收機FSW的靈敏度，以熱噪聲為-174 dBm/Hz計算，當信號帶寬有100MHz時，相關PN序列的增益為80 dB，同時FSW接收機的噪聲系數典型值為10 dB，也就是說FSW接收機的極限靈敏度為-84 dBm。那么在Channel Sounding系統中，發射端和接收端都會配置天線，以兩個天線的增益為30 dB舉例，同時加上FSW本身預放增益30 dB，可見整個系統的接收靈敏度為-144 dBm，如果在除掉兩根10 m線纜的損耗，那么系統的靈敏度也有-124 dBm/100 MHz。由此我們可以推算出Channel Sounding系統，在100 MHz帶寬情況下，可以測量信道的衰減為17 dBm- (-124 dBm) = 141 dB。根據自由空間衰減公式，當信號頻率為60 GHz時，距離1000m，信號的衰減大致為128 dB，所以該方案靈敏度完全可以滿足客戶的需求。
2、系統同步
由于Channel Sounding系統的發射機和接收機是位于不同位置的兩臺儀表，所以很多廠家的方案是需要兩臺儀表進行頻率同步的，這樣可以提高測試的精度，但是同時會帶來測試的復雜性和難實施，很多外場環境下，是無法實現兩臺儀表同步的。該方案不需要發射機和接收機的頻率同步，可以在很大程度上提高系統的使用靈活性。具體分析如下，Channel Sounding系統的頻率誤差由發射機和接收機兩部分組成，兩者相差不多，我們可以認為系統的頻率誤差約為2倍的Δf，如下表所示不同頻率誤差在不同的載波頻率所帶來的誤差分別為：
SMW和FSW參考時鐘誤差可以達到10-9，所以當測試頻率為67 GHz時，系統的頻率誤差約為2*134 Hz = 268Hz，以測試100 MHz帶寬信號為例，在接收端的采樣率至少為200 MHz (大于2倍帶寬)，那么268 Hz的頻率偏移，相對于200 MHz的采樣率，才會帶來1.34*10-6的影響，不會影響測試結果精度。
如果系統需要測試絕對時延，可以外接觸發信號：
絕對時延測試
四、Channel Sounding系統組成
Channel Sounding系統主要由矢量信號產生系統，矢量信號分析系統和控制軟件三部分組成，針對不同頻段的信道探測所需的儀表配置有所不同，下面分頻段介紹Channel Sounding 系統組成。
1、40 GHz (含40 GHz) 頻段以下
40 GHz以下頻段的Channel Sounding系統主要由矢量信號發生器SMW200A (100 KHz~40 GHz)、矢量信號分析儀FSW43 (2 Hz~43.5 GHz) 以及Channel Sounding測試控制軟件組成。SMW200A本機的信號帶寬為2 GHz，FSW本機的分析帶寬為1.2 GHz，配合外部RTO可以實現2 GHz信號分析，結構示意圖如下：
40 GHz以下Channel Sounding系統組成
該系統通過SMW200A發射偽隨機序列，長度客戶可以自定義，帶寬最大為2 GHz，AD精度為16 bit，最大發射功率為18 dBm，接收機靈敏度可達到-124 dBm/100 MHz (具體見第四章描述)。發射機和接收機之間不需要時鐘同步。
提供全自動測試軟件完成相應的操作，系統全部采用自動方式，用戶只需簡單設置，點擊運行即可，增加用戶的工作效率，減輕用戶的工作量。同時，系統軟件可以提供圖形化顯示。全自動測試軟件還具有記錄基本信息、歷史記錄和自動生成報告等功能。目前 Channel Sounding測試軟件只能分析靜態衰落信道各個徑的時延和衰減。
2、40 GHz ~85 GHz
由于SMW200A最高頻率為40 GHz，如果要產生45 GHz的信號進Channel Sounding，那么需要外接混頻器使SMW200A產生高于40 GHz信號。同時，FSW85單臺儀表即可實現85 GHz以下信號的分析。所以相比40 GHz系統，唯一差別就是在信號產生端加入一個混頻設備即可。示意圖如下：
40 GHz~85 GHz信號產生
五、測試配置方案
1、R&S羅德與施瓦茨 SMW200A 矢量信號發生器
主要特點：
- 頻率最高達 67 GHz（雙通道：最高 44 GHz）
- 2 GHz 調制帶寬
- 集成式衰落，最高 800 MHz 帶寬和 8x8MIMO
- 符合所有主要數字通信標準的信號生成
- 高級 GNSS 和雷達模擬器
性能和功能要求因測試裝置和應用而異。R&S SMW200A 能夠非常出色地滿足各種要求，樹立了信號發生器。R&S SMW200A 性能優異，能夠在組件、模塊和完整基站等各類被測設備的開發和驗證應用中輕松生成合適的測試信號。R&S SMW200A 采用靈活的模塊化設計，能夠根據應用需求裝配合適的選件。儀器支持所有配置，包括經典的單通道矢量信號發生器和多通道 MIMO 接收機測試儀。
2、R&S羅德與施瓦茨 SMA100B 射頻和微波信號發生器
主要特點：
- 性能頻率范圍：8 kHz 至 3、6、12.75、20、31.8、40、50 和 67 GHz（在過范圍模式下最高達 72 GHz）
- 10 GHz、10 kHz 偏移時，SSB 相位噪聲為 –132 dBc（典型值）
- 10 GHz、30 MHz 偏移時，寬帶噪聲為 –162 dBc（測量值）
- 在寬頻率范圍內最大輸出功率超過 30 dBm
- 極低的諧波
射頻和微波信號發生器提供優越性能。在維持最高輸出功率和最低諧波的同時提供純凈的輸出信號，優于同類產品。作為全球頭等的信號發生器，它可以完成射頻半導體、無線通信、航空航天和國防領域苛刻的模塊和系統測試與測量任務。
3、R&S羅德與施瓦茨 FSW 信號與頻譜分析儀
主要特點：
- 8.3 GHz 內部分析帶寬
- 800 MHz 實時分析帶寬
- SCPI 記錄器簡化代碼生成
- 具備相位噪聲和靈敏度
- 高動態范圍實現出色的 EVM 性能
FSW 高性能信號與頻譜分析儀重新定義了精度，在日常工作中提供出色的分析結果。這款功能強大的分析儀具備相位噪聲性能，能夠提供可靠的測量結果，非常適合從復雜的通信系統到射頻器件的廣泛應用。無論是開發高性能雷達還是表征寬帶器件，FSW 都能提供內部分析帶寬和準確度，樹立了信號分析。每天您都可以放心地使用 FSW 來完成高難度任務。
4、R&S羅德與施瓦茨 RTO6 示波器
主要特點：
- 最大 6 GHz 帶寬
- 每秒一百萬波形
- 9.4 ENOB，確保非凡的信號完整性
- 最大 2 Gpoints 存儲深度
- 獨樹一幟的頻率區域觸發
RTO6 示波器實驗室設備專用于提供可靠結果，能夠快速解決測量問題，幫助您按時完成任務。RTO6 示波器系列利用工程師的專業技能，能夠隨時根據需要為您提供深度見解，讓您的測量值得信賴。
RTO6 示波器系列提供出色信號，助您了解應用情況。這款全集成式測試解決方案兼具 15.6" 大觸摸屏、全新圖形用戶界面、一流的波形捕獲率、卓越的信號保真度、數字觸發和快速響應的深存儲，可用于頻率、協議和邏輯分析。RTO6 示波器系列具有豐富的測量工具和新型用戶界面，能夠快速解決各種簡單或復雜的電路問題。
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