解析4G至5G无线通信测试及射频仪器的那些事

  测试技术与测试仪器是通信产业的重要支撑力量，它渗透于通信芯片、模块、终端、基站、无线网络等几乎所有的产业链环节，贯穿于设计研发、认证验收、生产、网络建设与优化等几乎完整产业生命周期。

  设计与研发是使用测试仪器种类最多最广的阶段，主要有示波器、信号源、频谱仪（信号分析仪）、矢量网络分析仪等通用测量仪器，以及信道模拟器、终端模拟器、基站模拟器等专用高端测试仪器；在认证与验收阶段，主要测试设备包括RF一致性检测系统、协议一致性检测系统、RRM一致性检测系统；通信公司制作阶段的常用仪器是大家熟悉的终端综测仪、以及前面提到的信号源、频谱仪等通用测试仪器；在网络建设与优化阶段，发射机、扫频仪、手持频谱仪等各类工程仪表是常用的测量工具。

  接下来从系统设备测试、芯片与终端测试、射频测试和网规网优测试四个角度谈谈4G无线G系统设备测试矢量信号源与信号分析仪

  矢量信号源与矢量信号分析仪是基站等通信设施研发、生产和一致性测试的高端通用电子测量仪器，它们的技术特点大多数表现在以下几个方面。

  第一，频率方面，通过PLL、DDS、小数分频、分频倍频来支持从数kHz-数GHz的宽频带连续覆盖，频率分辨率能达到0.01Hz，此外频谱纯度高，谐波抑制、杂散与噪声处理能达到较高的指标要求；

  除了大家熟悉的信号源、信号分析仪这样的通用仪表，通信测试中还有一种重要的高端测试仪器：无线信道模拟器。

  信道是无线通信物理层技术探讨研究的基础之一，MIMO信道近些年来一直是学术界的研究热点。MIMO信道模拟器是在实验室条件下精确可重复地模拟复杂的无线信道环境的仪器。它与信号源、信号分析仪有一些类似的技术特点，比如宽频带、大带宽等。

  4G时期，随着芯片制造工艺的发展进步，芯片的主流工艺已经从28nm进入到新的技术阶段，芯片的处理器核数也发展到64位应用处理器芯片或者8核处理方案。

  4G时代的手机，多模多频的能力持续加强，2G/3G以及LTE（TDD/FDD）的全模支持能力需求也持续在增长；同时，手机的Bluetooth/GPS/WIFI以及NFC的通信需求也在持续不断的增加；射频方面，手机的频点和带宽能力覆盖了2/3/4G技术各个版本的需求，如R10版本要求终端支持5CC最大100M的下行带宽，后续版本中需要终端支持对MIMO和跨频段载波聚合以及TDD-FDD不同制式的载波聚合。

  为了适应这些芯片与终端的发展，传统的综测技术也有必要进行相应的革新：为满足多样化的测试需求，单台终端测试仪表需要具备各种通信制式（2G/3G/4G和BWG）的空口协议栈模拟能力，以适应终端研发过程对于网络侧模拟的要求，同时终端测试仪表应具备通过集成和开放接口搭建射频/协议/RRM一致性检测系统的能力；

  矢量网络分析仪矢量网络分析仪主要用来测量射频器件的S参数，具备高性能、大动态、低噪声的优势，大范围的应用于移动通信、军工雷达、半导体、广播电视、科研教育等领域射频器件、组件的研发和生产测试。

  4G时代的射频器件形态多样，有半导体芯片、滤波器、RF连接器以及天线等。矢量网络分析仪也不再局限于S参数的测量，还具备插入损耗IL、驻波比VSWR、Smith图的测量功能，为RF器件、半导体及终端天线提供最基本的性能检测。

  扫频仪、发射机、手持式频谱仪和手持式天馈线分析仪等仪表大范围的应用于室外模拟测试和室内覆盖测试。其中，室外模拟测试包括传播模型校正和基站覆盖测试；室内覆盖测试则主要包含了室分系统模块设计验证及系统验收。

  扫频仪具有扫描速度快、灵敏度较高、动态范围大和独立于网络来测试等突出特点；发射机则经历了从发射连续波到发射简单导频再到模拟基站的发展历史，支持远程可控；手持式频谱仪用于频谱分析、干扰排查等，能够解调参数从而进行各种信道的分析，具有宽频带、高动态、便携性等突出优势；手持式天馈线分析仪用于查找天馈线的问题，测量距离大，方便灵活。

  信号源与分析仪仍将是5G时代最重要的通用测量仪器。5G信号源与分析仪，工作频段需要覆盖从低频到微波毫米波的范围，同时支持500MHz甚至数GHz的矢量信号带宽。

  实现数GHz带宽的信号发生与分析，主要技术难点包括射频、微波、毫米波技术的综合开发，高动态高采样率的ADC，高速FPGA和DSP信号处理平台，以及高吞吐量数据交换。频率覆盖方面，国外高端矢量信号源频率已达到44GHz，矢量信号分析仪工作频率可达85GHz；调制带宽方面，RS公司的矢量信号源SMW200A内调制带宽最高可达2GHz。

  针对5G大规模MIMO的数字多波束阵基于数字域的波束赋形原理，可提供高空间分辨率的高增益窄波束，具有灵活的空间复用能力和较低的用户间干扰。

  传统的天线测量系统基于信号源和矢网，而数字多波束方案从原理和技术层面都使得传统的天线测量系统无法复用：传统表征天线性能的指标，不再适合描述数字多波束阵列；未来Tx/Rx组件与天线单元高度集成，无法单独测量; 数字与模拟的混合导致的非线性特性使得天线测量成为系统性能测量。

  3、Massive MIMO阵列天线G的关键使能技术之一，大规模天线技术不可避免地为天线测试带来一系列挑战。传统的多端口测试大多基于单台矢网分步测试或多台矢网级联测试，都会存在着测试速度慢与通道校准复杂的弊端，此外由于矩阵开关的引入，导致动态范围等性能恶化。

  随着2016年7月标准冻结，NB-IoT作为新一代物联网，具有广泛的应用前景。

  目前国内支持NB-IoT 技术的测试设备相对较少，亟需低成本、高指标的NB-IoT测试仪器完善产业链发展。一些潜在的关键技术将大大加速NB-IoT测试仪器的研发进程，例如：小型化、低噪声的本振合成技术，宽带脉内稳幅技术可用来实现宽带信号的稳定输出，变频跟踪滤波技术可用来实现全频段杂散大幅度抑制，宽带小数内插技术可以在一定程度上完成矢量信号精确测量。

  5G信道模拟器将在多通道（64、128甚至更多）的基础上，实现500MHz以上的更大带宽，覆盖6GHz以上的更高频段，支持丰富多样的5G信道模型。目前国际上现有信道模拟器在工作频率、通道数和带宽等关键指标上不足以满足5G需求。

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