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羅德與施瓦茨 5G Channel Sounding測(cè)試平臺(tái)
2024-10-21
一、什么是5G
隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)帶寬和能力的增加，面向個(gè)人和行業(yè)的移動(dòng)應(yīng)用快速發(fā)展。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，成為5G的主要驅(qū)動(dòng)力。中國IMT-2020 (5G) 推進(jìn)組對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的性能要求和效率需求通過一株綻放的鮮花來進(jìn)行定義，其中花瓣代表5G的六大性能指標(biāo)，體現(xiàn)了5G滿足未來多樣化業(yè)務(wù)與場(chǎng)景需求的能力，花瓣頂點(diǎn)代表了相應(yīng)指標(biāo)的最大值；綠葉代表效率指標(biāo)，是5G可持續(xù)發(fā)展的基本保障。
5G性能和效率需求
可見5G系統(tǒng)同之前的通信系統(tǒng)相比，從傳輸速率，網(wǎng)絡(luò)容量，穩(wěn)定性，移動(dòng)性等都有了很大的提高，同時(shí)對(duì)成本和能效等指標(biāo)也提出了新的需求。
二、Channel sounding方案原理
傳統(tǒng)的民用移動(dòng)通信頻段都集中在6 GHz以下，但是對(duì)于5G系統(tǒng)，毫米波已經(jīng)是業(yè)內(nèi)認(rèn)可的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也就是說5G系統(tǒng)的頻段很有可能在6 GHz到100 GHz 或者更高的頻率。但是對(duì)于毫米波頻段的信道特性（比如路徑損耗，時(shí)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(tǒng)的頻段，研究機(jī)構(gòu)需要對(duì)毫米波頻段的信道特性進(jìn)行深入的研究，同時(shí)由于5G系統(tǒng)會(huì)是高帶寬系統(tǒng)，寬帶信道特性也是研究的重要方向。
常見的信道探測(cè)方法主要由如下兩種：
(一) 使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行探測(cè)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)試各種頻段完整的信道響應(yīng)特性，但是也存在著只能測(cè)試時(shí)不變多徑信道，以及外場(chǎng)測(cè)試受限于收發(fā)同臺(tái)儀表等缺點(diǎn)；
(二) 直接信道沖擊響應(yīng)方法測(cè)量，該方法主要是通過PN序列相關(guān)來進(jìn)行信道探測(cè)，但是傳統(tǒng)的發(fā)射設(shè)備由于硬件的原因受限于帶寬，很難產(chǎn)生高帶寬的PN序列。
提出的信道探測(cè)解決方案也是使用PN序列相關(guān)方法來進(jìn)行，但是由于矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A最大可實(shí)現(xiàn)2 GHz帶寬信號(hào)的產(chǎn)生，所以可以從根本上克服以前直接信道沖擊響應(yīng)方法帶寬受限的缺點(diǎn)。同時(shí)，該信號(hào)發(fā)生器單臺(tái)儀表可以產(chǎn)生40 GHz的頻率的信號(hào)，如果配合響應(yīng)外部混頻模塊，可以產(chǎn)生100 GHz頻率的信號(hào)。在接收端，矢量信號(hào)分析儀FSW最高頻率可達(dá)到85 GHz，同樣配合混頻模塊可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 GHz信號(hào)的接收和分析，F(xiàn)SW自身的分析帶寬為1.2 GHz，配合RTO可以實(shí)現(xiàn)2 GHz帶寬信號(hào)的分析。下圖為針對(duì)Channel Sounding的基本測(cè)試環(huán)境，如果在發(fā)射端和接收端分別配置天線，即可實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)測(cè)試：
Channel Sounding測(cè)試方案
三、Channel sounding方案優(yōu)勢(shì)
在Channel Sounding測(cè)試過程中，通常存在最關(guān)鍵的兩個(gè)問題來限制測(cè)試的有效性：(一) 測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度，該指標(biāo)決定著可以外場(chǎng)探測(cè)信道的距離；(二) 發(fā)射端和接收端設(shè)備的同步，該項(xiàng)決定了測(cè)試系統(tǒng)使用的方便性和可行性。Channel Sounding方案很好的解決了這兩個(gè)問題，可以輕松的完成5G系統(tǒng)Chanel Sounding測(cè)試，分別介紹如下：
1、系統(tǒng)靈敏度
Channel Sounding系統(tǒng)的靈敏度由兩部分組成，一是發(fā)射端的最大輸出功率，另一個(gè)是接收端的最小靈敏度。矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A最大可以產(chǎn)生17 dBm的信號(hào) (手冊(cè)指標(biāo)，可以標(biāo)量)。接下來，我們計(jì)算接收機(jī)FSW的靈敏度，以熱噪聲為-174 dBm/Hz計(jì)算，當(dāng)信號(hào)帶寬有100MHz時(shí)，相關(guān)PN序列的增益為80 dB，同時(shí)FSW接收機(jī)的噪聲系數(shù)典型值為10 dB，也就是說FSW接收機(jī)的極限靈敏度為-84 dBm。那么在Channel Sounding系統(tǒng)中，發(fā)射端和接收端都會(huì)配置天線，以兩個(gè)天線的增益為30 dB舉例，同時(shí)加上FSW本身預(yù)放增益30 dB，可見整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)的靈敏度也有-124 dBm/100 MHz。由此我們可以推算出Channel Sounding系統(tǒng)，在100 MHz帶寬情況下，可以測(cè)量信道的衰減為17 dBm- (-124 dBm) = 141 dB。根據(jù)自由空間衰減公式，當(dāng)信號(hào)頻率為60 GHz時(shí)，距離1000m，信號(hào)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(tǒng)同步
由于Channel Sounding系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是位于不同位置的兩臺(tái)儀表，所以很多廠家的方案是需要兩臺(tái)儀表進(jìn)行頻率同步的，這樣可以提高測(cè)試的精度，但是同時(shí)會(huì)帶來測(cè)試的復(fù)雜性和難實(shí)施，很多外場(chǎng)環(huán)境下，是無法實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)儀表同步的。該方案不需要發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的頻率同步，可以在很大程度上提高系統(tǒng)的使用靈活性。具體分析如下，Channel Sounding系統(tǒng)的頻率誤差由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分組成，兩者相差不多，我們可以認(rèn)為系統(tǒng)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(shí)鐘誤差可以達(dá)到10-9，所以當(dāng)測(cè)試頻率為67 GHz時(shí)，系統(tǒng)的頻率誤差約為2*134 Hz = 268Hz，以測(cè)試100 MHz帶寬信號(hào)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(duì)于200 MHz的采樣率，才會(huì)帶來1.34*10-6的影響，不會(huì)影響測(cè)試結(jié)果精度。
如果系統(tǒng)需要測(cè)試絕對(duì)時(shí)延，可以外接觸發(fā)信號(hào)：
絕對(duì)時(shí)延測(cè)試
四、Channel Sounding系統(tǒng)組成
Channel Sounding系統(tǒng)主要由矢量信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，矢量信號(hào)分析系統(tǒng)和控制軟件三部分組成，針對(duì)不同頻段的信道探測(cè)所需的儀表配置有所不同，下面分頻段介紹Channel Sounding 系統(tǒng)組成。
1、40 GHz (含40 GHz) 頻段以下
40 GHz以下頻段的Channel Sounding系統(tǒng)主要由矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A (100 KHz~40 GHz)、矢量信號(hào)分析儀FSW43 (2 Hz~43.5 GHz) 以及Channel Sounding測(cè)試控制軟件組成。SMW200A本機(jī)的信號(hào)帶寬為2 GHz，F(xiàn)SW本機(jī)的分析帶寬為1.2 GHz，配合外部RTO可以實(shí)現(xiàn)2 GHz信號(hào)分析，結(jié)構(gòu)示意圖如下：
40 GHz以下Channel Sounding系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)通過SMW200A發(fā)射偽隨機(jī)序列，長(zhǎng)度客戶可以自定義，帶寬最大為2 GHz，AD精度為16 bit，最大發(fā)射功率為18 dBm，接收機(jī)靈敏度可達(dá)到-124 dBm/100 MHz (具體見第四章描述)。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間不需要時(shí)鐘同步。
提供全自動(dòng)測(cè)試軟件完成相應(yīng)的操作，系統(tǒng)全部采用自動(dòng)方式，用戶只需簡(jiǎn)單設(shè)置，點(diǎn)擊運(yùn)行即可，增加用戶的工作效率，減輕用戶的工作量。同時(shí)，系統(tǒng)軟件可以提供圖形化顯示。全自動(dòng)測(cè)試軟件還具有記錄基本信息、歷史記錄和自動(dòng)生成報(bào)告等功能。目前 Channel Sounding測(cè)試軟件只能分析靜態(tài)衰落信道各個(gè)徑的時(shí)延和衰減。
2、40 GHz ~85 GHz
由于SMW200A最高頻率為40 GHz，如果要產(chǎn)生45 GHz的信號(hào)進(jìn)Channel Sounding，那么需要外接混頻器使SMW200A產(chǎn)生高于40 GHz信號(hào)。同時(shí)，F(xiàn)SW85單臺(tái)儀表即可實(shí)現(xiàn)85 GHz以下信號(hào)的分析。所以相比40 GHz系統(tǒng)，唯一差別就是在信號(hào)產(chǎn)生端加入一個(gè)混頻設(shè)備即可。示意圖如下：
40 GHz~85 GHz信號(hào)產(chǎn)生
五、測(cè)試配置方案
1、R&S羅德與施瓦茨 SMW200A 矢量信號(hào)發(fā)生器
主要特點(diǎn)：
- 頻率最高達(dá) 67 GHz（雙通道：最高 44 GHz）
- 2 GHz 調(diào)制帶寬
- 集成式衰落，最高 800 MHz 帶寬和 8x8MIMO
- 符合所有主要數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)生成
- 高級(jí) GNSS 和雷達(dá)模擬器
性能和功能要求因測(cè)試裝置和應(yīng)用而異。R&S SMW200A 能夠非常出色地滿足各種要求，樹立了信號(hào)發(fā)生器。R&S SMW200A 性能優(yōu)異，能夠在組件、模塊和完整基站等各類被測(cè)設(shè)備的開發(fā)和驗(yàn)證應(yīng)用中輕松生成合適的測(cè)試信號(hào)。R&S SMW200A 采用靈活的模塊化設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)應(yīng)用需求裝配合適的選件。儀器支持所有配置，包括經(jīng)典的單通道矢量信號(hào)發(fā)生器和多通道 MIMO 接收機(jī)測(cè)試儀。
2、R&S羅德與施瓦茨 SMA100B 射頻和微波信號(hào)發(fā)生器
主要特點(diǎn)：
- 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(dá) 72 GHz）
- 10 GHz、10 kHz 偏移時(shí)，SSB 相位噪聲為 –132 dBc（典型值）
- 10 GHz、30 MHz 偏移時(shí)，寬帶噪聲為 –162 dBc（測(cè)量值）
- 在寬頻率范圍內(nèi)最大輸出功率超過 30 dBm
- 極低的諧波
射頻和微波信號(hào)發(fā)生器提供優(yōu)越性能。在維持最高輸出功率和最低諧波的同時(shí)提供純凈的輸出信號(hào)，優(yōu)于同類產(chǎn)品。作為全球頭等的信號(hào)發(fā)生器，它可以完成射頻半導(dǎo)體、無線通信、航空航天和國防領(lǐng)域苛刻的模塊和系統(tǒng)測(cè)試與測(cè)量任務(wù)。
3、R&S羅德與施瓦茨 FSW 信號(hào)與頻譜分析儀
主要特點(diǎn)：
- 8.3 GHz 內(nèi)部分析帶寬
- 800 MHz 實(shí)時(shí)分析帶寬
- SCPI 記錄器簡(jiǎn)化代碼生成
- 具備相位噪聲和靈敏度
- 高動(dòng)態(tài)范圍實(shí)現(xiàn)出色的 EVM 性能
FSW 高性能信號(hào)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(jié)果。這款功能強(qiáng)大的分析儀具備相位噪聲性能，能夠提供可靠的測(cè)量結(jié)果，非常適合從復(fù)雜的通信系統(tǒng)到射頻器件的廣泛應(yīng)用。無論是開發(fā)高性能雷達(dá)還是表征寬帶器件，F(xiàn)SW 都能提供內(nèi)部分析帶寬和準(zhǔn)確度，樹立了信號(hào)分析。每天您都可以放心地使用 FSW 來完成高難度任務(wù)。
4、R&S羅德與施瓦茨 RTO6 示波器
主要特點(diǎn)：
- 最大 6 GHz 帶寬
- 每秒一百萬波形
- 9.4 ENOB，確保非凡的信號(hào)完整性
- 最大 2 Gpoints 存儲(chǔ)深度
- 獨(dú)樹一幟的頻率區(qū)域觸發(fā)
RTO6 示波器實(shí)驗(yàn)室設(shè)備專用于提供可靠結(jié)果，能夠快速解決測(cè)量問題，幫助您按時(shí)完成任務(wù)。RTO6 示波器系列利用工程師的專業(yè)技能，能夠隨時(shí)根據(jù)需要為您提供深度見解，讓您的測(cè)量值得信賴。
RTO6 示波器系列提供出色信號(hào)，助您了解應(yīng)用情況。這款全集成式測(cè)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(hào)保真度、數(shù)字觸發(fā)和快速響應(yīng)的深存儲(chǔ)，可用于頻率、協(xié)議和邏輯分析。RTO6 示波器系列具有豐富的測(cè)量工具和新型用戶界面，能夠快速解決各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜的電路問題。
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