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[技术白皮书]灵活的5G 波形及超宽带信号生成和分析测试台 在第四代蜂窝系统――LTE 和 LTE-Advanced――刚刚开始部署之际，对第五代（5G）系统的研究已经展开。5G 移动网络的愿景是实现“随时随地万物接入”。 关键特性包括一个高密度和高度集成的网络，组成该网络的小微基站能够支持 10 Gbps 级的数据速率和 1 ms 或更短的往返时延。大部分研究都假设使用多个工作在微波和毫米波波段工作的空中接口。使用 MIMO 等高级空间复用技术，可以进一步扩充容量。 这个综合性的网络将能够支持从简单的机对机（M2M）通信到虚拟现实数据流等所有应用。它将能够监控数十亿的传感器和多种同时传输数据流的业务，并支持物联网（IoT）的海量数据收集和分配需求。在这种环境中，预计到 2030 年无线数据流量将增加 5000 倍。1 为了让这个惊人预测成为现实，首先应创建、生成和分析信号原型。由于 5G 研究启动之时标准化工作尚未开始。业界尚未对物理层信号给出定义，而且对使用何种波形也有争议，所以正在考察多种候选波形：滤波器组多载波（FBMC）、广义频分复用（GFDM）、通用滤波多载波（UFMC）、滤波正交频分复用（F-OFDM）等等。 灵活性为什么至关重要的一个原因是：它支持工程师执行“假设”分析法评测早期的概念和可能使用的 5G 波形，包括可能会使用多种调制方法，在多种不同频率和调制带宽条件下进行分析。对于开发人员来说，如果路线选择错误会带来极大的风险，因此他们需要更高的灵活性，尤其是灵活的信号生成和分析工具。当 5G 演进中出现更好的候选信号时，这些工具使开发人员能够迅速转变研究方向。 本白皮书详细说明了一款灵活的 5G 测试系统，该测试系统由经过验证的现成的软件和硬件组成。在信号开发阶段有两个关键的软件：一个是 SystemVue 软件，用于实施仿真、假设分析和算法开发；另一个是 SignalStudio 软件，用于在研发测试初期生成测试信号。生成测试信号的硬件使用 M8190A 任意波形发生器（AWG），它可以生成信号来驱动 E8267D PSG 矢量信号发生器的宽带 I/Q 调制输入。使用 89600 VSA 软件、X 系列信号分析仪和宽带 Infiniium 示波器执行信号解调和分析任务。 设计与测试面临的挑战 5G 给研发工作带来多方面的新挑战。许多重要的讨论都可以划归为六大技术特性2：
– 每个地区的移动数据流量增加 1000 倍 – 连接的设备数量增加 10 到 100 倍 – 典型的用户数据速率提高 10 到 100 倍 – 能耗降低 10 倍 – 端到端时延 < 1=""> – 5G 接入无所不在，覆盖低密度区域
以前的移动技术通常是经过逐步的改进而提升性能的。您现在很难想象一种新技术能够同时满足上面列出的所有六个特性。研究人员更有可能会采用不同的技术来实现图 1 所列出的部分特性。
从图中可知，新波形可能能够支持更高密度的用户群、更高的数据吞吐量以及对所分配频谱更高效的利用。这些波形可能需要先进的信号处理能力、自适应信道评测和均衡，以加强稳定性和抗扰性；可能使用全双工通信以改善频谱效率，最大限度减少自干扰将会提高接收机的灵敏度；可能需要应用 MIMO 等多天线技术以支持高数据吞吐量，还要研究大规模 MIMO 和自适应波束赋形等先进技术。MIMO 和自适应波束赋形等技术可能还需要非常复杂的算法。它必须支持传统和全新无线接入技术（RAT）的多个频段，包括用于高数据吞吐量应用的 5G 毫米波频段扩展。需要支持多种接入模式，包括非正交多址接入（NOMA）模式，以及随机、定期和混合模式。 最后，新的波形、多频段、宽带宽和更高阶调制可能对功率放大器（PA）设计提出全新挑战，并可能需要应用新的 PA 数字预失真（DPD）技术。如果能够在研发初期灵活地转变设计验证和测试方式，将有助于研发人员更好地应对这些挑战。 探索候选新波形 无线标准在演进过程中对更高数据速率的追求永不停顿。在 5G 标准中，追求的目标变成使用多载波波形、微波频率、毫米波频率和更宽调制带宽。下面是一些期待实现的特性：
– 灵活和可扩展 – 经优化的多址接入 – 高效地利用分配的频谱 – 能够抵御窄带干扰和脉冲噪声 – 短时延 – 同时传输同步和异步流量 – 高频谱和时间碎片 – 与传统 OFDM 波形共存
图 2 总结了目前正在考虑实施的波形, 部分波形值得认真研究。 图 2. 5G 候选波形覆盖多种可能实施的方法。 候选波形： OFDM 正交频分复用（OFDM）正在 4G 中使用，再加上其他一些原因，所以 5G 也在考虑使用滤波 OFDM（F-OFDM）。F-OFDM 提供良好的频谱效率和多径干扰抑制能力。其子载波空值对应邻近子载波的峰值，从而确保载波间干扰为零（图 3）。 图 3. OFDM 提供频谱效率、抗多径干扰性和零载波间干扰等优势。 候选波形： FBMC 为提供更出色的带外频谱特性，FBMC 对每个子载波实施滤波。图 4 显示了它使用多相网络（polyphase）或扩展 IFFT 灵活执行基带滤波的方法。
滤波可以使用不同的重叠系数（即 K 系数）提供各种水平的带外抑制。图 5 中，红色、蓝色和绿色轨迹分别显示了 K 系数为 4、3、2 时的 FMBC 频谱。随着 K 系数减小，带外特性具有与 OFDM 类似的频谱抑制特征。
候选波形：UFMC 此方案对每个子频段实施滤波（图 6），UFMC 的一大优点是可以降低基带算法的复杂性。图 7 显示的是使用 SystemVue 仿真的 UFMC 频谱实例。
候选波形： GFDM 这是另一种多载波系统，它通过数字方式实施典型的滤波频段方法。GFDM 信号基于来自特定星座图映射的 KM 总数据符号（dk，m）的数据块结构。M 符号插入一个循环前缀（CP）以提高频谱效率并减少接收机端的复杂均衡。 OFDM 和 FBMC 的对比 OFDM 有两个明显缺点：一个是插入循环前缀降低了频谱效率，另一个是存在极大的带外发射。相比之下，FBMC 的优势在于能够高效利用所分配的频谱，以及能够为频谱感知应用生成或占用频谱“空洞”。 使用 SystemVue 及其 5G 基带探测程序库可以证明这一点。图 8 显示了 OFDM（橙色轨迹）和 FBMC（蓝色、绿色和黑色）频谱的仿真结果。FBMC 频谱有从 2（蓝色）到 4（黑色）不同的重叠系数，与 OFDM（橙色）相比，FBMC 在带外频谱功率方面有所改善。 图 8. 与 OFDM 相比，FBMC 的重叠更多，因此带外功率得到改善。 组装推荐的测试系统 当开发人员使用这些波形和其他波形进行试验时，极其灵活的测试系统可以为他们提供高性能的原型算法和硬件，帮助他们更好地测试推荐的波形。在假设分析的场景下，它还可以在原型算法及原型硬件的仿真和实际测试中更加容易和快速地过渡。
具体而言，5G 研究和早期测试的三个重要领域都需要出色的灵活性：
– 生成和分析新波形 – 支持从几 MHz 到几 GHz 的广泛调制带宽 – 支持从射频到微波再到毫米波的广泛的频率范围
推荐的测试台通过其软件和硬件元素提供这种灵活性。软件用于创建和分析 5G 波形及定制波形。该信号生成软件与两个硬件――精密型 AWG 和具有宽带 I/Q 输入的矢量信号发生器――相结合，能够生成调制带宽高达 2 GHz、频率高达 44 GHz（使用上变频器可以达到更高）的宽带测试信号。另外，VSA 软件也能够驻留在仿真软件中使用，或在信号分析仪、示波器以及负责控制各种仪器或数字转换器的 PC 上运行，以实施信号解调和分析。图 9 显示了软件和硬件元素的概念性配置。 图 9. 硬件＋软件＋经验丰富的开发人员可以开辟 5G 研究的新视野。 组装推荐的测试系统（续） 图 10 显示了是德科技推荐的软件和硬件组合。
软件 在测试台硬件中，M8190A AWG 任意波性发生器与嵌入式控制器一起安装在 AXIe 机箱中。有两个软件在该控制器上运行：SystemVue（配有 W1906 5G 基带探测程序库）和用于定制调制的 N7608BSignal Studio 软件。
SystemVue 支持仿真候选的 5G 波形以及定制的 OFDM 和I/Q 波形，这些定制波形可以用于测试定制算法或专有算法。虽然 SystemVue 主要用于系统设计和算法开发，但它也能下载波形至 M8190A AWG。
Signal Studio 定制调制软件具有参数化的图形用户界面（GUI），使用户可以非常轻松地创建定制的 FBMC、I/Q 和 OFDM 波形。定制 OFDM 和定制 I/Q VSA 设置文件可以保存到存储设备中，以便在使用各种是德科技信号分析仪和示波器执行 EVM 测试时调用。Signal Studio 还可用于为 M8190A AWG 生成波形，并下载波形至三个矢量信号发生器中：E8267D 微波 PSG、N5182B 射频 MXG 和 N5172B 射频 EXG。 89600 VSA 软件提供定制 I/Q（选件 BHK）和定制 OFDM（选件 BHF）解调分析。前面提到过，它可以在 SystemVue 中使用，或在各种是德科技信号分析仪和示波器中运行，或在连接各种是德科技仪器的独立 PC 上运行。Signal Studio 定制调制软件可以作为信号生成和分析工具的伴侣，与 89600/BHK 配合执行定制 I/Q 调制分析，或与 89600/BHF 配合执行定制 OFDM 分析。 硬件 M8190A 是一款双通道精密任意波性发生器，它拥有 14 位分辨率和 8 GSa/s 采样率或 12 位分辨率和 12 GSa/s 采样率两种工作模式，以及 5 GHz 模拟带宽和每通道 2 GSa 存储器。 该 AWG 用于驱动配有宽带差分外部 I/Q 输入（选件 016）的 E8267D PSG 矢量信号发生器。宽带输入能够在高达 44 GHz 的载波信号上产生高达 2 GHz 的调制带宽。对于毫米波频率的信号生成，可以使用是德科技（58-64 GHzN5152A）和 VirginiaDiodes Inc.（60 GHz 至 90 GHz）的上变频器。使用 MXG 微波模拟信号发生器（N5183B）为毫米波上变频器提供本振。 使用 KeysightN9040B UXA 或 N9030A PXA 信号分析仪执行频谱分析和解调分析。使用配有 89600 VSA 软件的 Keysight Infiniium 高性能示波器执行高达几个GHz到几十个GHz 解调分析。 这个实例配置可以用于射频、微波和毫米波信号生成与分析。适用于特定应用的最佳硬件配置取决于您所关注的实际频率、带宽和波形。有时，推荐的解决方案可能还包括经简化的仪器配置和较少的仪器。 应用：三个案例研究 测试系统的通用性使它适用于各种可能的射频、微波和毫米波频率应用场景。下面的案例有助于说明测试系统的通用性。
射频案例研究：探索 LTE 和 FBMC（< 6="">）的共存 LTE 和 FBMC 信号的生成可以通过图 11 所示的 SystemVue 原理图实现。这两个信号经过重采样后结合到一个复合波形中，该复合波形而后下载到 M8190A AWG 中。使用 PXA 信号分析仪和 89600 VSA 软件分析 AWG 的输出。
图 12 显示了 PXA 测得的测试信号结果。请注意 FBMC 频谱与 LTE 频谱相比，带外频谱的急剧降低。这是由施加到 FBMC 信号的每子载波滤波导致的。
为了评测 LTE 与 FBMC 的共存，我们在 SystemVue 中修改了测试场景，使 FBMC 信号中存在部分有效子载波陷波。而后设置 LTE 中心频率以匹配陷波的中心频率（图 13）。注释：使用 M8190A 的单一输出通道生成复合的 LTE/FBMC 波形；它不需要两个独立的信号发生器。 图 13. LTE 信号位于凹陷的 FBMC 频谱的中心。
陷波宽度很容易修改，LTE EVM 可以通过宽度（由子载波数量决定，宽度单位为 MHz）得出。图 14 显示了一组与 FBMC 陷波宽度有关的 LTE EVM 结果。这个假设分析场景实例可以用测试台轻松测试。
微波案例研究：宽带信号生成和分析（28 GHz） 如前所述，测试台在微波频率范围内具有高达 2 GHz 的调制带宽，可以用来生成和分析宽带波形。在此案例中，我们可以使用 M8190A AWG 和 E8267D PSG 矢量信号发生器（具有宽带 I/Q 输入）的组合来生成最高 44 GHz 的宽带微波测试信号。
1 GHz 调制带宽的 28 GHz 宽带 FBMC 信号用 Signal Studio 定制调制软件生成。帧数、采样率和过采样率等参数通过该软件的参数化图形用户界面（GUI）设置。FBMC-OQAM 波形参数，例如 FFT 长度、上下保护子载波、多载波符号数量和空闲间隔等，也可以设置。基本的 FBMC 滤波器设置――K 系数和滤波器组结构――可以由用户输入（图 15）。
图 16 显示了测试信号结果。频谱中心频率为 28 GHz，测量扫宽为 1.2 GHz。 图 16. SignalStudio 定制调制软件可以简化 FBMC 波形的生成。
同样，SignalStudio 定制调制软件可以用于创建具有 1 GHz 调制带宽、频率为 28 GHz 的 OFDM 波形。使用 GUI 可以设置基本的参数（例如帧数等）。而且可以针对前导码、导频和数据子载波设置资源映射参数，包括每个资源块的位置和功率提升（boosting）。针对导频和数据的前导码、调制以及净荷设置 I/Q 值。
测试信号结果在图 17 中的六条轨迹屏幕中显示：
– 左上：星座图 – 中上：EVM 与子载波 – 右上：搜索时间 – 左下：28 GHz 中心频率处的 ~1 GHz 宽频谱 – 中下：误码摘要 – 右下：OFDM 均衡信道频率响应
毫米波案例研究：宽带单载波调制（60 GHz） 本例使用了图 18 所示的硬件配置。用 SystemVue 以 2 GHz 符号率、4 倍过采样和 8 GSa/s 采样率生成宽带波形。波形随后下载至 M8190A AWG，M8190A 的输出连接至 PSG 矢量信号发生器的宽带 I/Q 输入端。PSG 产生一个 5 GHz 信号，再通过 Keysight N5152A 60 GHz 上变频器转换为 60 GHz。MXG 模拟信号发生器（右下）为上变频器提供本振信号。
图 18. 此版本的推荐测试台能够生成毫米波信号。
对于带宽高达 2 GHz 的5G 应用，最重要的是应考虑到幅度和相位可能发生的变化，这些变化对信号质量有不利影响。在这种情况下，使用 Infiniium 示波器来直接测量 60 GHz 测试信号，并使用已安装的 89600 VSA 软件解调和分析该信号。能够不依赖外部下变频器完成这些操作的优势，可以对减少因系统未正确校准而产生的幅度和相位误差提供很大帮助。
信号链内部（M8190A、PSG、电缆、上变频器、电缆和互连）有可能在这些频率上产生幅度和相位线性误差。使用 89600 VSA 软件中的自适应均衡器加以必要的矢量校正，可以减少这些误差。均衡器会产生复数值的频率响应，用它们可以最大限度地减少幅度和相位误差。具体做法是，将频率响应读数输入 SystemVue 软件，使用它校正波形响应（图 19）。
图 20 显示了经矢量校正的 60.48 GHz 信号的解调分析结果。注意，不使用自适应均衡，通常很难解调 2 GHz 宽带信号，因为硬件在宽带宽上会导致信号减损。不过在本例中没有使用自适应均衡，幅度和相位线性误差在仿真过程中得到校正，从而生成经校正而具有低 EVM 的波形。
通过用 60-90 GHzVDI 上变频器代替 N5152A 60GHz 上变频器，并添加滤波器和隔离器，相同的测试台配置可以在 72 GHz 频率上使用。对于信号分析，使用 60-90 GHzVDI 下变频器将信号降频到 4 GHz IF（图 21）。在此情况下，使用 MXG 模拟信号发生器（右下）为上变频器和下变频器提供本振信号。
展望 5G 的愿景设定了一系列雄心勃勃但实施难度极大的特性目标。为帮助开发人员解决这些固有的挑战并针对研究方向的变化快速做出反应，是德科技推荐的测试台集软件和硬件于一身，以灵活地探索各种波形、算法和技术的应用。由于测试系统是利用现成的仪器和软件构成，所以能够在设计的假设仿真和原型设备的实际测量中提供精确和可复验的结果。
5G 正处于不断发展的阶段，是德科技推荐的测试台同样如此。如欲了解 5G 技术的最新发展，请与是德科技公司联系，或访问我们的网站：www.keysight.com/5G， 关注我们5G专题微信号：Hello-5G |
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