看懂5G的2B应用!解读射频设计面临的挑战

2022-05-11 11:13:22 来源:EETOP 作者:Nancy Zhou

5G手机无疑是最早一批5G技术部署的行业应用。5G扩展到PC是一个比较容易的方向5G的前几个标准版本也主要侧重于提升5G手机的性能。然而,如果谈到5G,你只想到智能手机,那说明你需要更新对5G技术演进的认识了随着今年3月3GPP宣布完成Rel-17的功能性冻结,5G能扩展到的终端及用例也越来越清晰地呈现在我们现实应用中。

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新型 Keysight M9484C VXG 微波矢量信号发生器

 

近日,是德科技推出了一款新型M9484C VXG 微波矢量信号发生器,其频率高达 54 GHz,配合是德科技V3080A 微波矢量信号发生器频率扩展器使用时,频率范围甚至可扩展到 110 GHz,并具有高达 5 GHz 的射频RF)带宽和出色的频谱纯度。


为什么是德科技在这个时间节点推出这么一款高端设备呢?是德科技大中华区政府与服务市场经理李坚解释说:“其实早在四五年前,我们就已经将原型技术进行了原型产品化。而其中的多项创新技术,更是早在十年前左右就作为储备技术开展早期研究。这些新技术新产品什么时候能够推向市场,则完全根据市场需要来择机发布。”


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是德科技大中华区政府与服务市场经理 李坚


什么市场机会来了?

 

这就得先从Rel-17扩展的应用看,Rel-17支持的扩展特性之一是将毫米波频段扩展到了71GHz二是引入了面向较低复杂度物联网终端的“NR-Light”(即RedCap)三个非地面通信(NTN)是全新特性,也就是卫星通信。此外,Rel-17还支持增强的工业物联网、定位和V2X。Rel-17将之前5G标准版本中的工业物联网技术持续扩展;进一步完善了定位技术,在提高定位精度的同时缩短时延;同时进一步扩展了直连通信功能,支持任意类型的两个终端之间的通信;并且还引入了增强的集成接入与回传(IAB)和射频中继器。

 

是德科技大中华区市场总经理郑纪峰分享说,当我们在讲5G的时候,如果我们只讲5G的手机,那它侧重的应用在传统上讲叫带宽,移动超带宽,这个是跟我们每个人息息相关的。但5G发展到Rel-16、Rel-17,包括未来的Rel-18,这时候所定义的进一步增强的5G网络,它很大的应用其实是垂直应用,包括像工业互联网、超低延迟的低延时和高可靠的网络等。总的来说,我们相信5G在垂直行业可发挥的空间很大,应用也很广。例如自动采矿、自动港口、自动驾驶、智能化工厂、远程医疗等。此外,5G也不停止向B5G和6G演进的脚步,近来我们也很高兴地看到行业内对此正在加速推进。

 

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是德科技大中华区市场总经理 郑纪峰


新的 5G 移动通信、6G 研究、卫星通信和雷达应用涵盖了广泛的频率范围,甚至包括毫米波(mmWave)频谱。为了测试这些应用,信号生成设备需要能够以极高带宽(高达 2 GHz)生成毫米波信号。这些新应用还采用了空间分集、空间复用和波束赋形等多天线技术,由此获得卓越的分集、复用和天线增益性能,实现高吞吐量和稳定可靠的通信。

 

据介绍,M9484C VXG微波矢量信号发生器的推出,主要就是面向5G这些新的市场应用,尤其是高频、大带宽以及多天线的应用。新的M9484C VXG微波矢量信号发生器提供了多种不同的配置,无论是从通道数、频率以及带宽,都可以来满足用户当前以及未来的测试需要。作为单台仪表提供了包括一个单通道、双通道以及四通道的配置,可以满足各种测试需求。用户可以选择只要一个单通道,可以达到54GHz的一个信号的产生;或需要MIMO的信号仿真,可直接产生一个四通道的信号。如果需要的通道数更多,则可以通过多台仪表的级联实现更高通道数的产生和模拟。据介绍,是德科技现已通过8个仪表级联,实现32个通道同时产生的一个功能。

 

是德科技大中华区射频微波产品市场经理刘斌介绍说:“M9484C VXG微波矢量信号发生器是是德科技目前最高端的一款微波矢量信号发生器,采用了很多技术创新,都是基于是德科技所独有的核心技术。从硬件的角度来看,它实际上是有两个非常重磅的ASIC芯片,一个是DAC,还有一个是DSP芯片。无论是从信号的纯度,如相位噪声、EVM调制质量、ACPR等,这些硬性指标上都有了全新的提升。”

 

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是德科技大中华区射频微波产品市场经理 刘斌

 

是德科技大中华区无线市场经理白瑛表示:“M9484C VXG微波矢量信号发生器不仅仅是一个软件方面的提升,也不单纯是硬件某一个方面的提升,它是划时代的革命性的提升。”


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是德科技大中华区无线市场部经理 白瑛

 

这么高端的产品,将在哪些具体的行业应用中发挥重要作用呢?


5G芯片设计-射频工程师的挑战

 

随着5G的发展,射频前端的重要性不断攀升,包括器件的用量,设计和工艺的要求都随之大幅度提升。高频资源的不断解锁,需要射频前端不断推出新技术以保证性能。可以预见的是,到6G时代,射频前端的需求和重要性还将进一步提升。

 

随着无线通讯技术不断向前发展,芯片设计也不断面临着很多新的挑战。比如,如何在频段不断提升,在带宽不断扩大的情况下,去确保射频指标的各项性能仍然能够满足,甚至超出标准,或者说客户所预期的结果?在大带宽,超过500兆,甚至超过1G以上的带宽的情况之下,EVM怎么控制在小于2%,甚至1%以下的量?能不能进一步地提升相噪?能不能进一步把功放的(3DB)压缩点进行提升?所有这些,对5G芯片厂商都是一个非常大的挑战。

     

此外,5G的应用前景主要是垂直应用。而5G的垂直应用是多样化的,甚至在某种程度上是定制化的。如石油系统、电力系统、医院、银行以及港口等应用场景一定都是不一样的,无论频段、带宽,还是射频测试的指标、性能,甚至是包括软件上层的开发应用等都是不一样的。

 

针对上层的应用软件,白瑛分享说,5G的专用网络和以前的公网是不一样的。所以,它在系统集成、在上层应用软件开发等方面,都需要高度的定制化和集成化。而且通常意义上而言,5G垂直行业里面的终端用户,很可能是对于传统的移动通信,或蜂窝网络是没有多少技术储备的。这就提出了一个新的挑战,即如何能够把这个应用做的简易化,且可操作性强、可维护性强,并且要足够安全。

 

这些通信技术的不断创新和应用需求的不断催生,带来的芯片设计的挑战,直接体现在了射频层。射频工程师需要找到能够提高系统吞吐量、链路稳健性和数据处理能力的技术,还需要一种能够快速轻松地验证被测器件并确保设计符合最新标准和测试要求的测试解决方案。这给工程师的工作带来了诸多挑战,因为设计和验证测试变得更复杂、更耗时,成本也更高。


  • 频率扩展在带来更多可用频谱的同时,也给设计和测试带来了诸多挑战,例如路径损耗、噪声系数、相位噪声和频率响应等。多天线技术可以实现速度更快、可靠性更高的通信,但它们也会让系统设计变得更复杂。射频工程师需要在各种真实的测试场景中仿真多信道信号,从而评测系统的性能。 

  • 大带宽可实现高数据吞吐量和低时延。然而,带宽越大,引入的噪声就越多,这样会降低系统性能。除了产生系统噪声之外,带宽的增加还会带来其他设计和测试挑战,例如调制损伤、频率响应和非线性失真。虽然也有一种可提高数据吞吐量的策略是使用更高阶的调制方案,但符号距离更近、对噪声更敏感。随着调制密度的增加,设备需要更好的调制质量,这就对设计和测试裕量提出了更严苛的要求。因此,准确地表征元器件和子系统是打造可靠设计、构建出色产品的关键。

 

M9484C VXG 微波矢量信号发生器具有先进的射频性能,例如相位噪声、EVM 和 ACPR 都非常出色,提高测量完整性,还能最大限度降低测量不确定度。 此外,Keysight VXG 微波矢量信号发生器设计紧凑、容易扩展,能进一步简化测试系统设置,实现准确、可重复的多信道测量

 

如果是在传统的射频频段,只有几个GHz,线缆的损耗或者影响基本可以忽略不计。但是当频率升到更高时,如几十个GHz、上百GHz,无论是线缆本身硬性的影响,还是成本,都会与原来传统射频端的测试有很大的差异。为了尽量减少路径上的损耗和整个测试系统所带来的测试的误差,是德科技提供的做法是在高频段上通过频率扩展器的方式,尽量缩短用户的待测件到测试端口之间的距离,来减少这些路径上的损耗和影响。

 

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传统信号发生器的架构通常会通过基带的信号发生器来产生相应的IQ数据,然后通过DAC,先模拟IQ的上变频,然后进行IQ调制,接下来再让上变频达到射频或者微波的频段。这种方式的最大问题是模拟IQ的IQ调制器,其自身器件的影响会引入很多镜像信号的干扰以及一些杂波的产生。

 

信号发生器的输出端口到用户待测件之间会有很多线缆、连接器或者家具的连接带来的影响,特别是在毫米波或者更高微波频段的时候,这种影响是不可忽略的。M9484C VXG微波矢量信号发生器采用的是全新的DDS技术,是一个全数字基带的方式,是德科技所独有的核心技术。通过DDS可实现从直流一直到8.5 GHz带宽全频段的一个连续的数模转换,它带来性能提升的同时,还可以实现高精度或者高集成度信号的产生。M9484C VXG微波矢量信号发生器采用了信道校正技术,利用外接的功率计、频谱仪或者是网络分析仪,在进行信道校正的时候,把最终的精准的信号输出可以移到用户连接网络的最前端,也就是最临近用户待测件的输入端这个方式。所以整个可以把相应的线缆或者连接器、开关矩阵等等所带来的一些影响消除掉,这样可以使得用户所接收到的是一个非常精准的信号。

 

据介绍,除了全新的DDS技术,M9484C VXG微波矢量信号发生器里还采用了全新的DSP ASIC,可提供每秒高达3 GSa/s采样率的一个处理能力。同时它可以在每一个射频通道上提供一个8路的实时信号产生,如此便可在一台仪表上模拟多个过往需要多台仪表才能完成的信号仿真的功能。同时它还配置了一个高性能的上变频器,使得整个信号的保真度大幅提升。另外内置的所有的信号参考,也可实现超净的性能,并且相噪性能可以达到-185dBc/Hz,这个是业界最高的性能参考。

 

刘斌自豪地说:“所谓打铁还要自身硬。作为信号源来讲,全新的M9484C VXG微波矢量信号发生器在整个硬件平台的创新性能以及可以给用户带来的新体验上,都可以满足用户当前以及未来的测试需要。用户可以充满信心的接受测量的结。”

 

5G基站

 

这得先从中国5G基站的建设说起。数据显示,目前中国已经累计建成并开通155.9万个5G基站,实际连接的用户超过5亿。5G网络已覆盖全国所有地级市和县城城区。在今年的第十三届全国人大五次会议上,工信部表示,2022年中国5G基站总数有望突破200万个。近日,工信部又提出计划:将实施5G行业应用“十百千”工程,即选择10个垂直行业,每个行业形成100个标杆示范,新建1000个5G行业虚拟专网。

 

5G基站是5G网络的核心设备,提供无线覆盖,实现有线通信网络与无线终端之间的无线信号传输。因此,是德科技也把5G基站测试列为M9484C VXG微波矢量信号发生器比较典型的应用。对于一个基站而言,他测试的主要功能是5G的同时,不可忽视地要去测试其他的干扰信号或者说信号共存的情况。白瑛介绍说:“这款全新的信号发生器,它的调制带宽足够大,完全可以实现多个不同制式的信号共存,仅仅用一台信号发生器甚至是用一台信号发生器其中的一个通道就可以模拟出从2G到5G,甚至是现存的目前已知所有无线制式的信号,这是它的一大亮点。”

 

在传统的LTE网络里,基站采用的是2根天线,与传统的手机共同构成了2×2的MIMO。MIMO全称是多输入多输出(Multi Input Multi Output),也可理解为多天线系统。通过使用多个天线,MIMO天线能够在相同无线电发射功率下实现高于单个天线的吞吐量和传输距离。MIMO早已成为5G的关键技术,大规模MIMO在5G中更是可实现16/32/64通道。5G基站中有4根天线。如果用传统的信号发生器,就只能一台仪表,一根通道,需要多台仪表,才能完成一个2×4的MIMO。而是德科技此次推出的这款新品,只用单台仪表,就可以实现模拟2×4的MIMO的复杂类型,同时还具备接收回馈信号的能力。此外,基于实时信号,它还可以模拟真实场景的信道仿真。

 

卫星通信及不断演进的垂直应用

 

最近卫星通讯,尤其是第一轨的卫星通讯是一个非常热的热点,这主要得益于马斯克的星链计划。李坚分享说:“低轨卫星网与5G的结合其实是一个非常大的趋势。是德科技很多现场的实验都是正在做的。”

 

5G无线通讯和卫星通讯,在信号、性能等方面的要求有什么差异呢?

 

5G和卫星网,特别是低轨卫星网其实是一个很好的配合,它们展示了很多共同的发展的方向。

 

首先,频率和带宽都在不断增加。以往的高轨卫星,因为轨道比较高,三万多公里,所以它的功率传递到地面的时候往往是比较弱的。根据香农定理的话,信噪比决定了信道的容量,通常来说速率不会太高。现在低轨卫星提供了一个很大的机会,在现代像马斯克提供的商用机会里面,它的速率可以达到相对比较稳定的50兆(BTS)。据介绍,在是德科技的一些实验里面,已经有200兆、400兆的信道带宽,超GHz的传输速度。这跟5G对FR1、FR2的发展的方向其实是具有一定的相似性的。

 

其次,信号的调制方式在一定程度上也是有一定的趋同性的。传统的卫星通讯采用的是DBBS,不过,现在也考虑用5G的OFDMA等信道调制技术、复用技术。

 

第三,多通道领域也趋于类似技术。所有技术的目的都是希望提供一个更宽带宽的接入,这样一些共同的技术趋势使得他们对于器件的要求、对于测试设备的要求都有一个趋同的倾向。

 

是德科技这次推出的M9484C VXG微波矢量信号发生器,更多就是针对5G、6G和卫星通讯,特别是低轨宽待卫星通讯这样一个应用的场景。这款微波信号发生器,采用了新型数字变频技术,即DUC技术, 其中核心是Deck。另外通过高度集成的多通道技术,在一个VXG中,可以集成四个通道,如此便可很好的覆盖5G和卫星通讯的应用领域。并且,它具有非常强的可扩展性,如频率的扩展,单机本身可以达到54 GHz的频率输出,如果通过是德科技的V3080A频率扩展器,则可以达到110 GHz。

 

刘斌介绍说:“这款信号发生器到底在5G领域里面如何能帮助客户获取成功,能够简化测试流程,并且能够在未来的5G以及6G的研发测试当中做好一切准备。这款新产品的应用场景非常广泛,用户完全可以根据需求来进行量身定制,以及为当前和未来的一些需要做准备。”

 

是德科技在5G方面从端到端所有的解决方案,到今天为止随着新品不断的加入以及随着是德科技对诸如Anite、Ixia等等公司的收购、并购,已经真正实现了5G从端到端,从层一到层七的全覆盖。无论是手机端、基站端、核心网这一端、网络操作这一端,还是最后的运营商的入网认证测试这一端,是德科技的方案都是非常完备的。

 

白瑛分享说:“我们认为,5G是作为一个跟4G不同的技术,它是要改变社会的,我们非常认可一句话,5G到现在为止在中国发展的很快。但它在垂直行业领域内仍有很大发展空间。目前不管是政府、企业还是厂商都对5G专网的推广力度很大,希望5G专网能够从多方面去改变社会。我们相信5G在垂直行业可发挥的空间很大,应用也很广。例如自动采矿、自动港口、自动驾驶、智能化工厂、远程医疗等。此外,5G也不停止向B5G和6G演进的脚步,近来我们也很高兴地看到行业内对此正在加速推进。

 

展望与趋势

 

最近两三年,疫情加速了企业运营的改变。彭博社、麦肯锡以及其他公司的调查结果显示,这种情况已经发生:很多或大多数公司认为,疫情将他们的数字化转型时间表加快了三到七年。平均下来,相当于加快了 5.3 年。未来,我们会高度依赖网络。这种虚拟协作的运营,会给我们的生产经营带来很大的变化。

ü 对于通讯技术来讲,网络安全毋庸置疑是一个非常重要的话题;

ü 对于产品设计来讲,通过全息技术和仿真技术的应用,将来可能全世界各地的团队都可以实现仿真和产品的设计和定性;

ü 对于企业运营来讲,打造弹性的应链会是一个非常重要的议题,所以直至今日对未来技术前瞻的研究还有很多的议题,包括像虚拟现实、AR、VR、AI、机器学习、大规模物联网等话题。

 

郑纪峰分享说,未来,6G未来会给我们带来更多无缝的网络连接,如全息技术甚至于天地一体化通讯的覆盖等。5G时代的一些垂直行业应用,也许到6G才会真正实现。比如自动驾驶,在5G发展可以预见的短期内,即2023年-2925年,第四级或第五级的自动驾驶还不太容易实现。未来可能随着5G技术的不断演进,将来平滑的过渡到6G,这些垂直应用可能会真正实现。所以6G会给人类带来更多全新的垂直行业的应用,更高速率的体验,天地一体化的无缝连接、全息技术、数字孪生等。未来网络世界的前景,是非常值得期待的。同时也期望到2029年或者2030年可以看到6G技术在全世界的应用。

 

白瑛最后说道:“这些技术的演进和应用的不断深化,对是德科技是挑战,更是机遇。我想,我们比较幸运,或者说我们的产品相对比较有预见性和有规划的。从未来发展策略看,是德科技是硬件和软件两条腿并行走路的。在跟大家一起迎接5G专网大规模到来的时代里面,是德科技做好了准备!”

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