移动高清视频和自主车辆以及工业 iot 等大量应用导致移动网络的数据要求不断增加，意味着将需要在毫米波频率部署部分全新 5g 网络，而英国已针对 24.25 ghz 至 27.5 ghz 频段定义了 26 ghz 先锋频段。
与 4g 网络相比，5g 网络频率增加了近 10 倍并带来了诸多挑战，包括设计和实施必要子组件、网络基础设施和最终用户设备，以及用于推动这些开发工作的测试与测量方法挑战。
此次我们将介绍在这些频率中测试与测量设备的主要挑战。之后，我们将展示使用 5g nr 测试波形测试 26 ghz 至 28 ghz 先锋频段双通道放大器评估模块。
tudor williams1，darren tipton2，florian ramian3
1 compound semiconductor applications catapult, regus house, falcon drive, cardiff bay, cardiff cf10 4ru, uk
2 rohde and schwarz uk ltd, harvest crescent, fleet, gu51 2uz, uk
3 rohde & schwarz gmbh & co. kg. muehldorfstrasse, munich, germany
直到最近，3gpp 移动通信标准才迎来可在 2 ghz 至 3 ghz 频率范围内操作且单通道带宽不超过 20 mhz 的频段。随着 3gpp r15 规范和 5g 新空口 (5g nr) 技术推出，这种情况发生了变化，可以在 sub 6 ghz 和毫米波频谱范围内分别提供高达 100 mhz 和 400 mhz 的通道带宽。
对比 lte 标准和 3gpp 38.141 5g 标准测量，可以发现多种 lte 测量方法已复制到 5gnr 同等测量中。但是，由于 5g 新空口标准增加了其他“模式”，因此可能的测量方法数量也显著增加。主要差异包括：
3gpp 38.141-1 文档介绍了传导测量，38.141-2 文档描述了辐射测量。文档指出，在 fr1 和 fr2 频率范围内，采用 256qam 调制方案时 evm 性能需低于 4.5%。
该文档还讨论了每种通道带宽的 evm 计算要求，以及每种所用子载波间隔的 fft 大小和 evm 窗口要求，这些都是分析信号处理必须予以关注的因素。
尽管 fr1 中的 evm 测量可以采用传导测量和辐射测量两种形式，但 fr2 中的 3gpp 测量应仅在辐射环境中执行，而这与当前标准显著不同，并且是毫米波频率内更高集成要求导致的直接结果。在毫米波频率范围内，预计电路上将无任何测量点可以执行传导测量，这增加了系统设计工作量以及测试复杂性。
考虑到在 fr2 辐射测量中需满足 evm 限值为 4.5% 的严苛要求，需要考虑三个重要因素，并处理相应标准未完全满足的任一因素：
由于 3gpp 38.141 第 6.6.3.1 部分描述的 evm 定义包含使用均衡，因此测量中的 evm 影响大部分都包含在标准中。这将在测量过程中自行校正通道的频率和相位响应。
噪声导致的 evm 测量影响比较难以处理，尤其是在 ota 环境中。测量人员必须充分考虑测量系统的整体链路预算，以确保系统的噪声性能不会影响被测设备的 evm。
项目 1 可以通过均衡器进行特性测量和补偿，项目 3 可以通过数字预失真进行特性测量和补偿，但测量点 2 仅可以进行 evm 特性测量，但无法进行补偿，只能通过设计尽量降低影响。图 1 显示了不含被测设备的 evm 测试系统的原始性能，强调需要优化毫米波频率范围内的链路预算。与 sub 6 ghz 频段中执行的测量相比，毫米波频段测量的动态范围较小。
对于本文中的被测设备测试，连接设备后使用符合 3gpp 的波形和分析方法，以便相应结果可为整体系统设计提供有用信息。
图 1 展示的测试装置包括一台 smw200a 矢量信号发生器（40 ghz 射频带宽，最高 2 ghz 调制带宽）、fsw43 信号与频谱分析仪（43.5 ghz 射频带宽，2 ghz 分析带宽，800 mhz 实时带宽），以及 e36313a 可编程直流电源（用于偏置放大器的两个阶段）。
测试第一阶段在 smw200a 中使用发行版本的 smw-k144 选件，该选件可生成符合上述 3gpp 标准的纯净 5g nr 波形。在本例情况下，该选件提供了平坦频率响应以及高达 2 ghz 的带宽，在 fsw 中使用相应 fsw-k144 选件时，可以在传导测量范围内使用符合标准的参数，针对下行链路信号进行所需的深度分析。
测试第二阶段关注放大器的数字预失真 dpd，以确定使用激励信号（导致被测设备失真）时的设备性能。使用符合 3gpp 标准的波形执行这些测量，同时利用 fsw 信号分析仪的相应 fsw-k18 放大器测试固件。除 evm 之外，此固件还可测量 dpd 应用前后的其他设备特性，例如 am/am、am/pm、增益压缩和 acp，以显示在最终测试系统中可实现的最佳设备性能。
测试设备——24 ghz 至 28 ghz 双通道功率放大器
2019 年世界无线电通信大会 (wrc-19) 将就毫米波 5g 的最终工作频段达成一致；在欧洲，rspg 于 2016 年 11 月在其《欧洲战略路线图》中提议将 26 ghz 频段（24.25 ghz 至 27.5 ghz）作为毫米波 5g 的先锋频段。
图 3 展示了 plextek rfi 开发的 24 ghz 至 28 ghz 功率放大器 mmic，该功率放大器涵盖先锋频段且性能卓越。该部件经专门设计，p1db 输出大于 24.5 dbm，增益约为 20 db，1 db 压缩条件下频段范围内 pae 超过 22%，6 db 回退功率条件下 pae 超过 7%。
未来 5g 网络面临的重大挑战之一将是需要实现高度集成（例如用于波束控制的相控阵列），在此类情况下可能将需要在单个封装中实现多个 mmic。
此类集成示例包括，compound semiconductor applications catapult 委托 plextek rfi 和 filtronic 合作开发、设计并制造评估模块，其中在单个低成本 7 mm x 7 mm 层压 qfn 封装中安装 2 个上述功率放大器 mmic。
所实现的双通道放大器如图 4 所示，mmic 性能与射频晶圆上测量相似，仅微小信号和功率性能方面有微弱变化。
压缩测量
设备的最大额定输入功率为 10 dbm 峰值。据此，决定尽量驱动设备以获得此类情况下的较差测量结果。
在此情况下提供输入信号，导致输入功率为 -1.3 dbm，增益为 19.1 db，并且信号的波峰因数压缩为 1.8 db。
在这些条件下，放大器的平均 evm 为 5.1%（图 7）
图 8——“未使用已知数据”重度压缩情况下符合 3gpp 标准
现在，在符合 3gpp 标准的信号处理条件下测量该设备，evm 测量值降低至 4.69%。（图 8）。这是因为在 3gpp 测量条件下，信号分析仪将尝试在解调期间重建参考信号。如果解调信号严重失真（包括误码），这将产生错误的参考信号，并因此导致 evm 测量值错误。
如要在这些条件下正确测量 evm，系统必须完全了解已发送信号，即必须使用已知的数据方法。
设备制造商和测量工程师需要注意这个关键点。
在邻道性能方面，400 mhz 偏置条件下，原始放大器性能的邻道功率可达到 32 dbc（下相邻通道）和 33.5 db（上相邻通道）。
在压缩测量 3 db 功率和 6 db 回退功率条件下执行 acp 测量，分别获得 38 dbc 和 43 dbc 测量值。
应用 dpd 后的测量结果
可以在补偿设备的非线性效应时展示设备“能”实现的最佳性能，这也是将在网络中部署的最终产品将出现的真实情况。
为此，我们使用 fsw 的内置 dpd 算法测量 dpd 应用前后的 evm 和 acp 数值。这种直接 dpd 方法所使用的算法在参考文档 [2] 和 [3] 中有所描述。
中心频率仍为 26 ghz，并继续使用满载 256 qam 400 mhz 带宽载波。同样，以放大器测量功率驱动放大器，使其进入重度压缩状态。
上述 5.2 部分介绍了应用 dpd 之前的性能测量结果，应用 dpd 之后 evm 从 5.1% 降低至 1.7%。
应用 dpd 之后，acp 同样显著改善，从 32 db 提高至 42 db 左右。
图 12 和 13 清楚显示放大器的 am-pm 性能得到显著改善，并显示了校正前后的相应 am-pm 性能。从图中可以看出，校正后 10° 压缩条件左右的 am-pm 测量值显著降低，几乎可以忽略不计。
在放大器的正常操作条件下，为实现最大效率，通常以压缩或近压缩状态驱动放大器。为达到 3gpp 标准规定的 4.5% evm 目标，放大器显然需要应用一定程度的预失真。
在推动放大器达到性能限值时进行测量，会遇到一系列测量挑战，包括动态范围以及准确、可重复的调制质量测量。射频工程师必须了解设备在符合 3gpp 标准的操作条件以及真实操作条件下的性能限值。
本文由多名业内开心体育的合作伙伴共同完成，介绍了有关 5g 新空口重要主题的主要设计和测量挑战。
参考
[1] 3gpp ts 38.141-1 和 38.141-2 v1.1.0，第三代开心体育的合作伙伴计划；基站 (bs) 一致性测试。
[2]“使用非连续波激励信号的放大器特性测量”(amplifier characterization using non-cw stimulus )，http://ieeexplore.ieee.org/iel7/7990360/7999522/07999563.pdf
[3] 罗德与施瓦茨应用指南《1ef99：迭代式直接 dpd》(1ef99: iterative direct dpd)，https://www.rohde-schwarz.com/us/applications/iterative-direct-dpd-white-paper_230854-478144.html
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