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5G测试开始加速

2019-03-04 09:03:34 Martin Rowe 阅读:
5G部署已经开始,大部分工作仍然集中在基础设施,即承载所有数据的无线电和网络上。事实上,仍有大量的研发活动在进行,而这些早期的产品——包括调制解调器、天线阵列、放大器和数据转换器等——肯定会随着时间的推移而逐渐完善。测试设备在工程实验室外也显示出使用迹象。甚至自动测试设备(ATE)制造商也在为即将到来的大批量元器件生产做准备,而5G网络安装测试设备也已经出现。

5G部署已经开始,大部分工作仍然集中在基础设施,即承载所有数据的无线电和网络上。事实上,仍有大量的研发活动在进行,而这些早期的产品——包括调制解调器、天线阵列、放大器和数据转换器等——肯定会随着时间的推移而逐渐完善。测试设备在工程实验室外也显示出使用迹象。甚至自动测试设备(ATE)制造商也在为即将到来的大批量元器件生产做准备,而5G网络安装测试设备也已经出现。UtHednc

5G也为更高的网络层带来了变化。由于5G有望减少延迟并提高LTE的可靠性,核心网将演变成为软件定义网络(SDN),会根据应用场景的不同而相应地处理数据。UtHednc

无线电是关键

大部分5G开发都集中在5G新空口(5G NR)上,重点是24.25GHz以上的毫米波(mmWave)频段。这些高频具有更大的带宽(高达400MHz),要比现今无线通信使用的6GHz以下频段所能提供的带宽高得多。事实上,Verizon于2018年11月13日宣布使用早期5G手机在28GHz频率上传输数据的演示仍然基于LTE网络——目前仍将使用LTE来处理控制信号,而一些数据则会使用毫米波。这类系统由于要依赖于LTE和5G的双连接,因此被称为是“非独立的”。一些6GHz以下的频段也将用于数据传输,特别是在没有mmWave信号的区域。因此,TS 138 101-3 V15.2.0(2018-07)等规范规定了双连接的使用和测试。最终,我们将看到“独立的”5G,包括无线接入网络(RAN)和采用SDN的核心网络,而不再需要LTE(图1)。UtHednc

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图1:5G一开始会使用非独立的无线网络,然后最终过渡到独立网络。图片来源:AnritsuUtHednc

同时使用LTE和5G无线会引起手机功耗问题,因此这一首款5G手机才会附带电池。而电网供电基站和工业物联网(IIoT)设备使用5G就不会出现这个问题。此外,通过毫米波信道进行通信的5G手机可能具有波束控制(beam steering)功能,这在《Beam steering: one of 5G's many technologies》一文中有详细解释。基站和小基站可能具有多组功率放大器、数据转换器、混频器和其他射频元器件,以配合包含256个阵元的相控阵天线。而手机可能只有一组这样的元器件来驱动四阵元相控阵天线。UtHednc

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 Andreas RoesslerUtHednc

Rohde & SchwarzUtHednc

据罗德与施瓦茨(Rohde & Schwarz)公司Andreas Roessler表示,大多数验证、表征和合规测试——特别是在频率范围1(FR1,450MHz至6GHz)内——所使用的大部分RF测量方法都跟LTE一样。误差矢量幅度(EVM)、RF信号功率和相邻信道功率等测量指标对5G信号仍然适用。Roessler告诉EDN,具体的测量规范——特别是FR2(24.25GHz至52.6GHz)的规范——仍在制定中,但今年初应该可以公布。UtHednc

功率放大器(PA)可能会加重手机设计人员所面临的功耗问题。ADI公司Thomas Cameron解释说,因为单个PA需要驱动LTE和5G NR两种信号,所以手机制造商正在推迟在相邻子载波上同时提供LTE和5G信号。UtHednc

对于使用频段n41(2.502GHz至2.690GHz)的Sprint来说,这一问题尤其严重,因为其必须将LTE和5G NR信号放在该频段内的相邻信道上。“这是一个不利因素,”Roessler表示,Sprint将使用三个20MHz LTE下行链路子载波,以及两个LTE上行链路子载波和两个5MHz NR子载波,分别为60MHz、80MHz或100MHz,具体取决于市场。这就要求PA既能放大LTE信号,又能放大5G NR信号,从而会导致互调失真,而使PA效率下降。Roessler表示,要解决这一问题,Sprint必须阻止手机同时传输LTE和5G NR信号。UtHednc

测试设备

测试设备(台式和PXI)可以生成和分析LTE和5G NR信号。图2给出了美国国家仪器(NI)的一种PXI系统。它由矢量信号收发器和矢量信号分析仪组成。其他仪器包括用于包络跟踪的示波器、用于提供功率和测量功耗的源测量单元(SMU),以及用于被测设备(DUT)控制的数字仪器。UtHednc

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图2:5G NR测试系统可以生成并分析LTE和5G信号。来源:NIUtHednc

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Alejandro BuriticaUtHednc

                                                                                                                                                                                       National InstrumentsUtHednc

“5G NR的测试已经进入验证和表征的预生产状态,”NI公司Alejandro Buritica说。Buritica已经看到工程师正在使用图1所示的系统并自己开发系统来测试用于基站的早期芯片和子系统,而手机测试才刚刚启动。UtHednc

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 Roger NicholsUtHednc

Keysight TechnologiesUtHednc

“生态系统处于早期生产阶段,”是德科技(Keysight)的Roger Nichols说道,“我们看到工程师正在测试5G无线电和高速数字链路设备。早期的标准一致性测试已经开始。”Nichols指出,工程师不仅要测试物理层,还要进行直到应用层的误码测量和协议测试。UtHednc

空口

虽然可以使用有线连接来测试5G NR元器件,但要测试集成的相控阵天线系统就需要通过空口(OTA)测试整个系统。随着更多5G NR产品的开发,OTA测试逐渐流行,而且其重要性会不断增加。UtHednc

OTA测试需要采用暗室来减小环境信号的幅度并尽可能降低反射。图3所示的系统可以让工程师对集成式波束控制天线(结合了放大器、数据转换器、混频器和波束控制IC)进行初始测试。UtHednc

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图3:集成相控阵天线(右侧白框)的OTA测试需要使用接收天线(左)以及信号源和信号分析仪。来源:是德科技UtHednc

罗德与施瓦茨的ATS1000测试系统(图4)包括可最大限度减少环境信号干扰并减少反射的暗室,因此可以直接测量天线信号。UtHednc

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图4:罗德与施瓦茨的ATS1000天线测试系统包含一个暗室,用于将被测天线与环境信号隔离。来源:罗德与施瓦茨UtHednc

图5显示了以3.5GHz为中心的信道带内和带外输出功率所需的一些测量。星座图显示了四个分量载波的平均RMS EVM。UtHednc

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图5:用自动测试系统和传统盒式仪器测量带内(蓝色)和带外信号功率。来源:NIUtHednc

生产即将到来

在将RFIC和其他元器件组合成子系统和系统之前,必须先对其进行测试。看到这种测试的需要,ATE系统制造商Cohu和Teradyne正在采取措施来适应这些新的器件。UtHednc

Cohu宣布将在其Diamondx和PAx IC测试仪中使用是德科技的PXI测试设备。图6所示的测试系统将仪器架与测试头组合在一起。PXI机箱用于信号生成和捕获,机箱下方的电源为DUT供电。UtHednc

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图6:Cohu将是德科技的PXI 5G信号源和分析仪连同电源与测试头集成到一个完整的5G RFIC测试系统中。来源:是德科技UtHednc

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 Steve WigleyUtHednc

CohuUtHednc

“5G市场上有很多行动,”Cohu公司的Steve Wigley说,“目前,我们看到美国的英特尔、高通、ADI和Qorvo等公司以及中国的华为和中国台湾的联发科都在活动。”大部分活动都在FR1频段,但FR2频率正在兴起,特别是在美国。“源自研发的测量科学正在应用于生产测试。”Wigley补充道。UtHednc

Wigley指出,早期生产会主要是基站,器件数量在数千万到数亿之间。一旦5G手机在2021年和2022年进入主流,数量将跃升至数十亿。随着时间的推移,ATE公司可能会选择开发自己的测试板,而不是使用PXI设备。UtHednc

ATE制造商泰瑞达(Teradyne)采取了不同的方式。除了测试RFIC之外,Teradyne还解决了有线网络基础设施问题。5G肯定会影响从铜背板到长途光网的一切,但其他技术也会发挥作用。考虑到这一点,Teradyne宣布其UltraFlex ATE系统(图7)现在可以处理高达60Gbps的数字数据速率,可以同时测试设备的RF和数字部分。UtHednc

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图7:Teradyne的UltraFlex ATE系统现在可以60GHz的数据速率测试设备。来源:TeradyneUtHednc

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 Yi ZhangUtHednc

TeradyneUtHednc

“由于无线子系统现在涵盖从数字到射频,我们需要同时测试射频和数字基带信号。”Teradyne公司Yi Zhang表示,“对于发射器和接收器,市场已从纯模拟(I/Q)接口转变为数字接口。功能已从基带收发器IC转移到RFIC。”Zhang认为需要自动化测试的有两大类设备:RF收发器天线头和使用PAM4调制的前传/回传数字数据管道。图8显示了RF收发器的框图,该收发器覆盖了从基带信号到天线的一切。高速串行信号将使用PAM4调制。UtHednc

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图8:Teradyne测试仪使用内部设计的测试板来测试芯片,覆盖信号链的RF和基带部分。UtHednc

“实现60GHz性能是一个巨大的挑战。”Zhang说道,“我们的客户正在进行表征和生产测试,他们需要很多通道。我们的设备可以支持32个发射器和32个接收器。我们还必须尽量减少测试板和DUT之间以及DUT之间发生的信号损失和串扰。“UtHednc

网络测量

虽然大多数5G NR测试活动都涉及元器件和子系统,但初始部署已经开始了。与前几代无线网络一样,运营商的安装人员需要进行现场测量。专门针对5G而设计的便携式无线测试仪也开始出现,其中之一就是来自Viavi Solutions公司的CellAdvisor 5G(图9)。Celladvisor 5G是一款实时频谱分析仪,带有5G分析APP和硬件。它可在FR1和FR2频段工作(FR2是可选的)。UtHednc

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图9:世界各地的无线通信运营商正在使用便携式测试仪(如Viavi CellAdvisor)来测量FR1和FR2频率下5G信号的RF特性。UtHednc

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 Kashif HussainUtHednc

Viavi SolutionsUtHednc

“运营商在实验室和现场都在使用CellAdvisor,”Viavi公司的Kashif Hussain说道,“他们用它来进行波束验证,并在网络或用户设备没有锁定信号时使用。”UtHednc

随着5G无线开始接入网络,网络本身也在演化中。Spirent和Ixia(现为Keysight的一部分)等网络测试设备公司正在准备测试专为移动应用而优化的RAN和SDN、工业测量和控制,以及自动驾驶汽车等应用。实际上,工业IIoT应用可能会引领5G的普及。为什么?因为许多消费者不会热切地购买早期的5G手机。在基础设施没有到位之前,他们为什么要购买5G手机?UtHednc

本文为《电子技术设计》20193月刊杂志文章。UtHednc

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本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Martin Rowe
"EE Times/EDN资深测试与量测技术编辑。Martin Rowe在《测试和测量世界》担任技术编辑和高级技术编辑达20年,其中包括担任EDN Design Ideas编辑三年。在此期间,Martin的报道涵盖了大部分的技术和公司,包括台式仪器,如示波器、仪表、信号​​源及其应用。他最喜欢这些仪器的应用包括高速信号测量、基本测量(电压/电流/功率)、校准和EMC/EMI/RFI。所有这些都直接适用于连接器和连接性能。从2004年到2012年,为了了解工程师是如何进行测试的,Martin访问了多家公司,包括Bose,DeWalt和Tyco Electronics(现为TE Con​​nectivity)。 让Martin出名的还有他的音乐——他写了六首描述工程师生活的歌曲。这一切始于2006年的“测量蓝调(Measurement Blue)”,证明了任何事情都能用蓝调写出来,连接器都成了Martin的歌。 “Below a GigaHertz”这首歌向那些还工作在1GHz以下信号的工程师致敬,他们是古老历史的见证者。 Martin曾在IEEE EMC Symposia上现场演出了“The Measurement Blues”和“The Lab in the corner”。 Martin拥有伍斯特理工学院的电子工程学士学位和宾利学院的MBA学位。"
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