摘要：隨著5G NR網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模的投入商用，如何快速高效的對(duì)5G終端進(jìn)行測(cè)量越來(lái)越讓業(yè)界關(guān)注。由于大規(guī)模MIMO和毫米波技術(shù)的引入使得對(duì)5G NR終端信號(hào)分析成為了終端射頻一致性測(cè)試的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。本文在分析了5G NR終端頻譜發(fā)射模板測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，提出了一種快速測(cè)量方法和硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn).測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞：5G NR;頻譜發(fā)射模板（SEM）

0 引言

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（英語(yǔ)：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，簡(jiǎn)稱(chēng)5G或5G技術(shù)）是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，也是繼4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統(tǒng)之后的延伸。5G網(wǎng)絡(luò)正在發(fā)生深刻變化，旨在滿足高數(shù)據(jù)速率、最低保證數(shù)據(jù)速率、大容量、低時(shí)延等方面的需求[1]。5G的性能目標(biāo)是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。所以，在通信產(chǎn)在通信產(chǎn)業(yè)鏈中，終端和通信芯片的生產(chǎn)和測(cè)試推動(dòng)通信技術(shù)的成熟和通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是5G NR終端測(cè)試已成為通信測(cè)試行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)，尤其在終端設(shè)備的研發(fā)和產(chǎn)線測(cè)試上。不同芯片和不同廠商生產(chǎn)的終端在性能方面也會(huì)表現(xiàn)不一致，從而影響了運(yùn)營(yíng)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化定位以及終端和芯片自身的運(yùn)行性能。5G NR終端測(cè)試包括三個(gè)方面：射頻一致性測(cè)試、RRM資源一致性測(cè)試以及協(xié)議一致性測(cè)試[2]。目前業(yè)內(nèi)5G NR終端測(cè)試射頻一致性測(cè)試技術(shù)并未完全成熟，本文結(jié)合3GPP測(cè)試協(xié)議，針對(duì)射頻一致性測(cè)試中的頻譜發(fā)射模板測(cè)試提出了一種快速測(cè)量方法和硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

1 5G NR頻譜發(fā)射模板測(cè)試設(shè)計(jì)

1.1測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

5G NR規(guī)范包括了兩種已獲得批準(zhǔn)的正交頻分多路復(fù)用（OFDM）、各種調(diào)制和代碼集、靈活的參數(shù)配置（numerology）和多個(gè)信道寬帶等新技術(shù)[3]，考慮到信號(hào)在毫米波和低于10GHz頻率下有著不同傳播和反射行為，5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在兩種不同基本頻段的操作，在許多情況下，整個(gè)RF規(guī)范的要求會(huì)因兩種不同頻率范圍而有所不同。低頻范圍內(nèi)（FR1）的信號(hào)可以使用頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）兩種模式，帶寬高達(dá)100MHz，載波聚合頻率高達(dá)400MHz。而FR2信號(hào)的頻率最高可達(dá)52.6.GHz.，僅可在TDD模式下運(yùn)行，并且單信道帶寬高達(dá)400MHz。FR2信號(hào)還可以將多個(gè)載波組合在一起，以實(shí)現(xiàn)高達(dá)800MHz的聚合帶寬。未來(lái)規(guī)范可能會(huì)將這一聚合帶寬提高至超過(guò)1GHz[3]。

由于5G NR技術(shù)新增了5G Massive MIMO（NR MIMO）技術(shù)，其基站側(cè)的天線數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用戶(hù)段的天線數(shù)量，使得終端射頻一致性測(cè)試與TD-LTE技術(shù)有所不同[4]。在5G Massive MIMO下表現(xiàn)明顯的就是信號(hào)帶寬變大和信號(hào)帶寬類(lèi)型組合增多，對(duì)射頻器件和中頻分析帶寬均提出了新的要求，同時(shí)增加了數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度。綜合考慮到多方面因素，本文提出了一種硬件總體設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

其中射頻頻率范圍為70 MHz-7100 MHz，首先將1.47456GHz中頻輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器后和7GHz固定本振混頻到8.47456GHz中頻，8.47456GHz中頻信號(hào)和8.54456GHz～15.57456GHz掃頻本振混頻后實(shí)現(xiàn)70MHz～7100MHz射頻信號(hào)輸出。因?yàn)楦哌_(dá)-135dB/Hz@10MHz的整機(jī)相位噪聲指標(biāo)要求，5G NR終端綜合測(cè)試平臺(tái)射頻前端和發(fā)射通道本振電路采用多環(huán)方案。小數(shù)分頻鎖相環(huán)產(chǎn)生高分辨率頻率信號(hào)，給主環(huán)提供參考信號(hào)，取樣環(huán)輸出高純信號(hào)與主環(huán)反饋信號(hào)混頻后送入鑒相器，最終產(chǎn)生寬頻帶高性能本振信號(hào)。整機(jī)軟件主要包括FPGA+ARM組成的核心基帶軟件、整機(jī)控制與數(shù)據(jù)顯示接口軟件。其中中頻處理模塊的采樣率為30.72 Mbps，分析帶寬為30.72 MHz;高速基帶處理模塊采用了多核DSP+FPGA實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)物理層處理過(guò)程。每個(gè)射頻通道配置各自的中心頻率且每個(gè)通道之間的頻率間隔為采樣時(shí)鐘頻率，目的是在有限射頻通道帶寬和有限中頻分析帶寬的情況下，提高信號(hào)分析帶寬，以滿足載波聚合下上行帶寬測(cè)試要求。多路射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻通道模塊到達(dá)中頻模塊，中頻模塊采用寬帶調(diào)制器對(duì)每一路信號(hào)處理為低頻信號(hào)再經(jīng)過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào);中頻模塊中的FPGA通過(guò)幀同步與終端上行信號(hào)進(jìn)行同步，并對(duì)無(wú)線幀中子幀2的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集長(zhǎng)度為1ms，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)每個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)為，其中。在FPGA內(nèi)部對(duì)所有碼元的采樣點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)度為的復(fù)數(shù)快速傅里葉變換，輸出FFT后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為，每個(gè)點(diǎn)功率值為：

其中，為每個(gè)碼元采樣點(diǎn)的功率值，為FFT變換后的功率值，為整個(gè)射頻通道的通道增益功率值。

1.2 測(cè)試方法

帶外雜散是落在通信載波之外的干擾雜散，通常源于信號(hào)調(diào)制過(guò)程和發(fā)射機(jī)的非線性，但不包括雜散發(fā)射[5]。頻譜發(fā)射模板主要用于逐點(diǎn)驗(yàn)證終端的帶外雜散性能。終端發(fā)射機(jī)射頻頻譜如圖2所示，其中為帶外雜散。

頻譜發(fā)射模板由信道帶寬（channel bandwidth）、帶外輻射（）和雜散輻射區(qū)域（spurious emission）組成。在不同的帶外輻射（）、信道帶寬（channel bandwidth）下和測(cè)量帶寬下，對(duì)5G頻譜發(fā)射模板的功率指標(biāo)有著不同的要求，具體參考3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2條。由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上支持毫米波的5G NR終端尚處于驗(yàn)證階段且難以購(gòu)買(mǎi)，因此在毫米波條件下的測(cè)試不在本文論述中。

初始測(cè)試配置包括基于3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2中規(guī)定的NR工作帶的環(huán)境條件、測(cè)試頻率、測(cè)試信道帶和子載波間距。

測(cè)試方法如下：

（1）同步信號(hào)通過(guò)PDCCH DCI格式0_1為C_RNTI發(fā)送每個(gè)UL HARQ進(jìn)程的上行調(diào)度信息，以根據(jù)3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2中規(guī)定的參數(shù)調(diào)度ULRMC。由于UL沒(méi)有有效載荷，也沒(méi)有環(huán)回?cái)?shù)據(jù)來(lái)發(fā)送，因此UE會(huì)在ULRMC（上行參考測(cè)量通道）上發(fā)送上行MAC填充位。

（2）連續(xù)向UE發(fā)送功率控制“向上”命令，直到UE在PUMAX級(jí)傳輸。允許UE至少有200ms達(dá)到PUMAX級(jí)別。

（3）根據(jù)測(cè)試配置測(cè)量無(wú)線接入模式信道帶寬中UE的平均功率，應(yīng)滿足3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2中規(guī)定的指標(biāo)要求。測(cè)量周期應(yīng)至少在連續(xù)活動(dòng)上行槽上持續(xù)1ms。對(duì)于TDD，僅測(cè)試包含UL符號(hào)的插槽。

（4）配置測(cè)試儀中頻采樣時(shí)鐘頻率為30.72Mbps，用于A/D數(shù)據(jù)采樣。

（5）配置測(cè)試儀本振頻率，相對(duì)于左偏移30.72MHz即，存儲(chǔ)采樣后的數(shù)據(jù)，再設(shè)置本振頻率，相對(duì)于右偏移30.72MHz即，同樣對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

（6）采樣的數(shù)據(jù)通過(guò)中頻處理模塊進(jìn)行FFT、RMS檢波之后送到數(shù)據(jù)與圖像顯示處理模塊合并、數(shù)據(jù)擬合、計(jì)算和繪制跡線，并根據(jù)協(xié)議給出測(cè)試要求進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的判斷。

（7）對(duì)于下一幀數(shù)據(jù)重復(fù)步驟（4）（6）進(jìn)行測(cè)量。

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和測(cè)試方法相比，本文提出的測(cè)試方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）5G NR終端綜合測(cè)試平臺(tái)射頻前端和發(fā)射通道本振電路采用多環(huán)方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)高達(dá)-135dB/Hz@10MHz的整機(jī)相位噪聲指標(biāo)要求。

（2）由FPGA+ARM組成的核心基帶軟件，共同完成物理層解調(diào)和解碼過(guò)程，通過(guò)硬件加速模式提高了物理層解析速度，從而提高了儀器的測(cè)試處理效率。

（3）在測(cè)試中要觀測(cè)帶外輻射，本文采取依靠控制本振頻率左右偏移量使得在頻域上可以完全覆蓋最大值，這樣做的目的在于利用有限的射頻帶寬和中頻帶寬提高信號(hào)總分析帶寬，減少了硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜性以及成本。

2 測(cè)試結(jié)果

本文選擇中心頻率1GHz作為測(cè)試?yán)?，終端測(cè)試時(shí)的參數(shù)配置完全按照3GPP TS 38.522協(xié)議中表6.5.2.2.3-1測(cè)試初始條件規(guī)定進(jìn)行配置，系統(tǒng)帶寬選擇100MHz，發(fā)射功率設(shè)置為-10dBm，對(duì)FDD_CP_OFDM_30kHz_16QAM_273RBs信號(hào)進(jìn)行頻譜發(fā)射模板測(cè)試。整個(gè)測(cè)試過(guò)程完全按照本文設(shè)計(jì)的測(cè)試方法進(jìn)行，具體的測(cè)試結(jié)果如下：

圖3中的紅色跡線表示按照3GPP TS 38.522協(xié)議規(guī)定測(cè)試要求規(guī)定的頻譜模板上限值，具體區(qū)間有九部分組成，分別為偏離中心頻率±105MHz-100MHz、±100MHz-5MHz、±5MHz-1MHz、±1MHz-0MHz以及帶內(nèi)的-50MHz-+50MHz。從圖中可以看出頻譜跡線均在頻譜模板線以?xún)?nèi)，并有較大余量，占用帶寬100MHz，所有測(cè)試結(jié)果完全滿足協(xié)議規(guī)定的測(cè)試要求。

結(jié) 論

本文提出的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)高性能本振信號(hào)的產(chǎn)生、多路射頻信號(hào)的收發(fā)、基帶信號(hào)的高速處理，從而滿足對(duì)5G NR終端信號(hào)測(cè)量分析帶寬要求，同時(shí)配合高效的測(cè)試方法和校準(zhǔn)軟件以及數(shù)據(jù)處理方法極大地提高了5G NR終端綜合測(cè)試儀的測(cè)試效率。本文所提方法可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活性高，可以運(yùn)用到其他制式測(cè)試中，僅憑單臺(tái)儀器就可以完成多模（2/3/4/5G）、多制式、多頻段終端測(cè)試需求。

參考文獻(xiàn)

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[7]3GPP TS 38.522 V11.1.0 User Equipment （UE） conformance specification; Applicability of RF andrrm TEST[S] ， 2017

作者簡(jiǎn)介：

崔琦 （1981.6-），男，漢族，安徽省蚌埠市，通信作者，碩士，工程師，主要研究方向：5G NR移動(dòng)通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)