5G制造：克服gNB（5G基站）的测试挑战

5G正在飞速发展。2018年，我们见证了第一批5G芯片组横空出世。今年，我们将见证5G基站（gNB）和设备的首次商业部署。整个移动生态系统，无论是芯片组和设备制造商还是网络设备制造商（NEM）和服务提供商，都在推动这项技术蓬勃发展。在运营商开始通过5G创造新的营收之前，业界必须解决该项技术面对的可能最大的挑战，那就是制造测试。rn8ednc

我来说得更明白一点。由于使用了大规模MIMO（多路输入多路输出），且扩展到了毫米波（mmWave）频段并采用了波束赋形技术，5G的复杂程度呈指数级增长，因而颠覆了从研发（R&D）到现场的整个无线生态系统。但是，制造是产品生命周期中理论与实践相结合的阶段。5G要获得成功，NEM必须找到方法来经济高效地测试基础设施设备，在提高速度的同时保证高品质，并保持一定的灵活性以应对数量、信道要求以及频段的突增。设备的复杂程度提升、寻找突破以降低测试成本以及加快产品上市，这三点之间完全互相矛盾。在制造流程中，NEM面对的最大挑战就是如何同时解决这些问题来获得5G竞争优势。rn8ednc

大规模MIMO中的信道数量增加到了16、32、64甚至128个，这极大地影响了测试时间，导致测试成本也相应增加。在控制制造车间测试设备占用的空间，并确保制造测试操作具有可扩展性的同时，NEM必须大幅提高其测试速度。rn8ednc

与此同时，毫米波频率具有更大的功率损耗，由于天线与没有接入任何电缆的无线芯片直接相连，因此需要进行空中测试，这样就导致了链路预算问题。这些因素会使动态范围下降。而进行精确的测量则变得更具挑战性。为了降低基站制造成本，NEM承受着巨大压力，然而，应对这些挑战还需要更多材料，例如空中（OTA）暗室和高性能仪器。rn8ednc

适用于gNB制造的实用的OTA测试解决方案

随着5G的到来以及对更高带宽的追求，NEM不得不离开熟悉却拥挤的6GHz以下频段，进入难度更大但不那么拥挤的毫米波频段。在5G新空口（5G NR）标准规范中，6GHz以下频率被称为频率范围1（FR1），5G NR的频率范围2（FR2）与之截然不同，这一毫米波频率的范围在24.25GHz到52.6GHz之间。rn8ednc

毫米波频谱比6GHz以下频率的使用频率低，由于许多其他应用都不使用这一范围，因此它允许有更高的带宽，从而为用户提供所需的数据速率。尽管这一方面比较吸引人，但毫米波的传播特性却不尽如人意。由于存在较高的衍射、透射和大气损耗，因此在这些频率上存在较高的路径损耗，限制了无线信号的范围。这迫使人们采用相控阵并且避开了之前用于放置探头的空间。5G让测试操作由传导测试颠覆性地转变为辐射测试（也称为空中测试）。rn8ednc

在空中测量装置中，仪器与被测器件（DUT）之间的多余路径损耗会降低信噪比（SNR），导致不佳的误差矢量幅度（EVM）和邻道功率比（ACPR）。出色的ACPR仪器性能可以确保仪器只在其分配的信道内进行传输，从而能够有效地将干扰控制到最低。rn8ednc

研发工程师可以使用高性能微波仪器来解决毫米波路径损耗问题。在制造过程中使用此类仪器可能会过犹不及，并且会导致测试成本大幅上升。您可能要考虑将低频范围的仪器与外部毫米波收发信机组合在一起来打造一个解决方案，从而在性能和价格之间实现平衡。这样的解决方案能在测量平面进行上下转换，可以降低插入损耗，在更大的功率范围内提供所需的性能。通过这种方式，您能够获得一个更实惠、更灵活的高频5G制造测试解决方案。rn8ednc

图1：远程毫米波收发信机探头前端如何减少空中测试装置中插入损耗的清晰描述。rn8ednc

用于更多频段和更高信道带宽的可扩展仪器

5G频率范围覆盖了多个频段，其中FR1的频段编号为1到255，FR2的频段编号为257到511。6GHz以下频段的最大信道带宽增加到了100MHz，毫米波频率的最大信道带宽增加到了400MHz。这一信道带宽是LTE标准的5到20倍，因为LTE、LTE-A和LTE-A Pro的最大信道带宽均为20MHz。与LTE-A中的100MHz和LTE-A Pro中的640MHz相比，5G NR的最大聚合信道带宽也高得多（几乎是LTE中的两倍），其中FR1达到了400MHz，FR2则高达1.6GHz。rn8ednc

NEM若要将5G测试成本的增长控制在最低水平，必须配备能灵活处理大量5G NR频率（包括毫米波）和更高信道带宽的测试仪器。仪器的可扩展性有助于控制测试设备的占地面积，因此降低了合同制造商通常按面积来收取的制造空间费用。rn8ednc

随着信道带宽的增加，误差矢量幅度（EVM）、平坦度和动态范围等性能要求也变得更加难以实现。NEM需要具有出色射频（RF）性能的仪器，这些仪器能对幅度和相位做出低频响应，以减少校正带来的信噪比（SNR）下降。此外，请注意可能导致测量精度下降的其他因素，例如测量系统中的元器件、开关和电缆，并且要在测试夹具、电缆、连接器和混频器上对频率响应进行测量。使用远程扩展头有助于消除这些问题。rn8ednc

用于测试快速多天线系统的模块化仪器

为提高频谱效率和覆盖范围，5G采用了MIMO和波束赋形概念。在进行设计验证时，多天线射频（RF）系统增加了测试装置的复杂性，导致需要花很长的时间才能实现适当的同步。制造阶段的关注焦点是确保每个信道都能正常工作。因此，会单独对所有信道进行测试。rn8ednc

NEM需要测试解决方案来对被测器件执行快速测试，并且能在他们从4端口到8端口4G设备过渡到具有16、32、64或128个信道的5G设备时进行扩展。他们需要支持多信道和多站点测试并具有高吞吐量的解决方案。例如，是德科技矢量收发信机（VXT）就将矢量信号发生器（VSG）和矢量信号分析仪（VSA）集成在了一个两插槽的PXIe模块中。一个18插槽的PXI机箱最多可以容纳4U大小的八个VXT模块。采用软件和硬件加速的测量还可以在具有多种信道和无线制式的功率和频率范围内最大限度提高测试速度。rn8ednc

在为5G制造测试选择测试解决方案时，请查看信号生成和分析带宽容量、输出功率、相位噪声、幅度精度、EVM和ACLR性能、自动化功能、校准以及这些解决方案所需的占地面积，谨慎地考虑它们在这种环境下的有效性。rn8ednc

图2：5G NR测试装置，针对采用多天线配置的多频段被测器件。rn8ednc

缩小验证与制造之间的差距，加快产品上市

在5G制造过程中，工程师面临着巨大的技术挑战，这些挑战主要体现在更高的成本和更长的时间上。测试解决方案的可扩展性，占地面积和射频性能对于同时覆盖FR1和FR2频率、扩展到高阶MIMO并降低误报概率十分关键。rn8ednc

但是，如果采用一种总体策略来缩小集成和验证到批量制造之间的差距，则能加速这个转变过程，为您带来竞争优势。通用的应用软件编程接口（API）通过推动与制造系统的集成来达成目的，而通用软件则有助于减少开发工作，加快实现上市时间目标。同样，一致的测量算法和通用硬件可以在整个产品生命周期中提供数据关联，从而有助于缩短转变时间，加快故障诊断的速度。rn8ednc

“害怕被征服的人注定要失败”

5G在测试成本上所面临的挑战绝对不是玩笑。更多的频段、更大的信道带宽以及复杂的多天线配置都可能增加测试成本，因为需要使用更高性能的仪器，也需要更长的测试时间。但是，测试与测量专家可以提供创新的解决方案来应对5G带来的技术复杂性，同时控制其对成本和时间的影响。通过与测试和测量专家合作，NEM能够有效地克服这些挑战。正如拿破仑•波拿巴所言：“害怕被征服的人注定要失败”。不要让5G的复杂性妨碍到您的市场领导地位。rn8ednc

本文为《电子技术设计》2020年1月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。rn8ednc