【经验】尝试在厘米/毫米波频段使用5G候选波形通信，实现4GHz超宽带信号的发射和接收

▷ 其次是硬件能否实现在灵活在射频~100GHz频段，实现500M到2GHz超宽带信号的发射和接收；

▷ 测试仪表在技术指标上至少得再提升一个数量级，同时还得能提供全面灵活的验证和测试能力，比如系统级验证和软件硬件甚至模块的验证和测试。

毫米波和超宽带信号

基于是德科技SystemVue系统设计软件，M8190A超宽带任意波形发生器，E8267D微波矢量信号发生器，N9040B UXA超宽带信号分析仪以及90000系列高带宽示波器，KEYSIGHT搭了一套测试平台，可以直接产生和分析毫米波频段超过500M带宽的5G物理层信号，进行系统级和软硬件模块的验证和测试。keysight这次试验，先选用FBMC。

如何产生5G信号？

1、N7608BSignal Studio

是德科技有两种方法可以产生5G信号。一种方法是使用面向测试工程师的N7608B Signal Studio 定制调制软件，快速地生成定制的 F-OFDM、FBMC、OFDM 、类LTE信号和 Customized IQ 信号。设置方便而快捷，不仅可以加速信号定义，并且很容易进行修改和定制。

2、SystemVue的5G基带模型库

另一种方法是更加强大的SystemVue的W1906BEL 5G 基带模型库。它有可以立即使用的5G候选信号模型。借助这个基带程序库，基带物理层设计人员可以大幅节省时间提升工作效率，系统架构师、算法开发人员和基带硬件设计人员可以充分利用集成仿真环境，应用动态链路级场景研究、实现和验证通信物理层信号处理设计，也可以非常方便地重新设计参考发射机和接收机，以获得最佳性能，并于其他候选技术设计进行比较。W1906BEL5G 基带程序库包括源代码、模型、子系统、仿真实例和基础组件，可以提供用于5G 候选波形的数字信号处理模块，端到端物理层发射和接收仿真模型，频率和时间同步，信道估计和修正，生成参考波形以验证射频电路设计，系统级性能验证和BER/FER 测试，以及连接到硬件仪表构建实物仿真和测试平台的能力。

5G备选波形，keysight先使用了FBMC，以后再试验F-OFDM、FB-OFDM等

图1

图1所示为FBMC与OFDM在实现上的区别。FBMC主要包括符号映射，子载波映射，OQAM处理，IFFT，滤波器组处理，并串行转换等过程，与OFDM比较主要区别就在于OQAM和滤波器组处理。

OQAM处理将QAM信号转换为Offset QAM，主要包含2个步骤，首先是将QAM符号从复数转为实部和虚部两个实数，并且采样率变成2倍，然后与序列相乘，m代表Sub-channel，n代表离散时间变量，OQAM处理是将QAM符号的实部或虚部做1/2符号周期的时间偏移，对于连续的Sub-channel，假定为m（偶数序号）和m+1（奇数序号），对Sub-channelm，QAM符号的实部做1/2符号周期的时间偏移，对Sub-channelm+1，QAM符号的虚部做1/2符号周期的时间偏移。OQAM处理的主要好处是可以降低信号的峰均比PAR。

上式为滤波器组输出S[m]表达式，其中也包含了OQAM处理的部分。

图2

图3

滤波器组的含义是指第1个滤波器为原型滤波器，其它滤波器是通过对原型滤波器进行频移得到的。原型滤波器的特性由混叠系数K决定，混叠系数K可以表述为滤波器的冲激响应时间与子载波符号周期T的比值，也是子载波符号在时域上混叠的数目，从图2和图3中可以看到，K值越大，滤波器滚降越陡峭，但是混叠子载波旁瓣数量也越大，所以FBMC子载波之间存在干扰，不是正交的，而OFDM可以看作是K=1的情况。

W1906BEL在FBMC的发射机模型中还插入了Preamble和Pilot信号，在接收机模型中基于Preamble和Pilot提供了时间和频率同步，信道估计和均衡修正，Pilot相位跟踪修正等功能，这样就可以实现与硬件仪表连接构建实际的发射机和接收机

平台的结构和仪表

▷ SystemVue W1906BEL程序库组成了软件处理的部分，

▷ 硬件平台分成信号产生（发射机）和信号接收分析（接收机）。

发射机硬件由M8190A宽带任意波形发生器和E8267D PSG微波矢量信号源构成。M8190A任意波性发生器每个通道具备8GHz采样率14bit量化或12GHz采样率12bit量化，可以直接产生5GHz模拟带宽，采样率可以灵活调整，并内置数字上变频DUC功能。M8190A输出的两路IQ差分信号给E8267D PSG，调制到微波/毫米波的载波频率。E8267D PSG具备从250KHz到最高44GHz的频率范围，不仅具备内置的基带信号发生器，同时可以包含宽带IQ信号调制器，标称宽带IQ调制带宽为2GHz，实际测试E8267D PSG输出的IQ调制带宽超出2GHz，最大到4GHz。

接收机选择N9040B UXA或高带宽示波器两种类型仪表，N9040B UXA是最新型信号分析仪， 1GHz 分析带宽，具备全带宽内14bit量化，IQ带宽内无失真动态范围超过75dBc，相噪指标也达到了业界最高的-136dBm/Hz（1GHz载波，20KHz偏移），是兼顾5G宽带信号接收测量和射频微波测量精度动态范围的最佳选择，90000系列高带宽示波器可以提供最高达63GHz的接收和分析带宽，可以满足更高带宽的需要

5G毫米波超宽带信号产生和线性失真校正

图4所示的例子是该验证测试平台产生的载波频率为20GHz，调制带宽为4GHz，调制方式为16QAM的FBMC信号，使用信号分析仪测量OBW占用带宽，测量得到的信号99%累积功率占用带宽约为3.9GHz

图4

但是也可以看到图4所示的4GHz调制带宽信号明显存在带内不平坦现象，主要是宽带IQ调制器存在的线性失真，会明显影响发射信号的矢量误差。为提高超宽带发射机的调制质量，该平台采用了一种简便直接的矢量校正方法，首先产生一个可以覆盖工作带宽的宽带调制信号，调制方式可以选择QPSK或16QAM，其中16QAM效果较好，然后采用矢量信号分析仪解调测量EVM，并通过均衡器计算并提取频率响应曲线的矢量值，然后再对基带信号进行预失真处理。典型的宽带16QAM信号解调和均衡器计算频率响应的曲线如下图5所示

图5

经过宽带校正最终产生出来的信号如图6所示，可以看到除了子载波数字调制引起的峰均比外，整个带宽内信号分布比较平坦

图6

5G收发信机系统级吞吐率

我们搭建的这个平台包含了完整的5G发射机和接收机，因此可以完成比较全面的5G验证和测试，既可以做系统级性能验证，算法验证，也可以测试发射机和接收机指标，还可以验证和调试5G元器件。系统级验证主要是通过误码率BER或吞吐率等指标来反映5G系统在各种参数条件和传播条件下的性能。

下面是两种典型调制带宽和调制格式参数系统在AWGN信道条件下的验证结果，其中使用的指标是吞吐率，系统物理层理论的峰值吞吐率计算方法如下：

Throughput(bps)=Number of bits per frame/Frameduration

考虑误码率BER后的实际数据吞吐率计算方法如下：

Throughput(bps)=(Number of bits per frame/Frame duration)x(1-BER%)

第1个实例是在20GHz载波频率和500MHz调制带宽验证了系统级吞吐率，信号载波频率为20GHz，调制带宽为500MHz，调制方式为FBMC 64QAM，AWGN信道，信噪比从0-20dB变化，图7所示为系统级吞吐率Throughput与信噪比SNR的关系曲线，可以看到吞吐率Throughput约为1.06Gbps到1.63Gbps

图7

第2个实例是在20GHz载波频率和4GHz调制带宽验证了系统级吞吐率，信号载波频率为20GHz，调制带宽为4GHz，调制方式为FBMC 16QAM，AWGN信道，信噪比从10-35dB变化，图8所示为系统级吞吐率Throughput与信噪比SNR的关系曲线，可以看到吞吐率Throughput约为7.4Gbps到9.3Gbps

图8

在系统调试的过程中，我们了解到最新推出的Keysight K3104A Signal Optimizer软件，它提供了一站式的校准、信号产生和信号分析的功能。通过单个软件方便地将多台顶尖性能的设备组成了一套系统，免去了仪表间的繁杂的校准和调试工作，使测试系统实现了目前业界最佳5G发射信号质量。待我们下次验证其它5G备选波形等物理层技术的时候也试试这个新工具。