华为5G芯片率先完成SA/NSA全部测试的背后

7月17日,由IMT-2020(5G)推进组联合中国通信学会与中国通信标准化协会共同主办的2019年IMT-2020(5G)峰会正式召开。 IMT-2020(5G)推进组是由工信部、发改委、科技部于2013年联合推动成立的,致力于推动5G技术研究。

根据IMT-2020(5G)推进组组长王志勤公布的信息显示,目前在IMT-2020(5G)推进组测试的四款5G芯包括:华为海思的巴龙5000、高通骁龙X50、联发科Helio M70和紫光展锐的春藤510。

其中,在组网方式方面,只有高通骁龙X50只支持NSA(非独立组网),而其他三款5G芯片均支持NSA和SA(独立组网)。

而在IMT-2020(5G)推进组的5G网络测试方面,可支持NSA/SA双模的华为海思的巴龙5000芯片,已经率先完成了从室内到外场的SA/NSA全部网络测试。

联发科Helio M70目前已完成了SA/NSA室内网络测试部分,而在SA/NSA外场网络测试部分只完成了一半。

紫光展锐的春藤510由于发布时间相对较晚,目前NSA室内网络测试部分刚刚开始,而SA室内网络测试和SA/NSA外场网络测试部分尚未进行。

最早发布的高通骁龙X50虽然最早完成了NSA室内和外场网络测试,但是由于其不支持SA网络,所以这块也就没法测试了。

另外值得一提的是,在之前6月26日的MWC上海展上,中国移动董事长杨杰表示,“明年1月1日开始,政府不允许NSA手机入网,SA是发展方向,中国会尽快过渡到SA”。显然,接下来国内将会主推同时支持NSA/SA组网的5G手机。

综合来看,在接下来的5G市场,华为无疑将取得先发优势。

而华为巴龙5000率先完成SA/NSA全部测试的背后,则离不开测试工程师以及测试厂商出色的测试方案及测试设备的支持。

由于5G采用新频段、更高带宽、Massive MIMO大规模天线阵列、波束成形、毫米波等技术,这给5G设计和测试工程师带来严峻挑战,因此虽然在各大设备厂商、运营商的努力下,5G时代离我们已经越来越近,但我们还需要更强有力的5G测试方案来支持!

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新频段、更高带宽和新波束成形技术为5G设计和测试带来了严峻挑战!

如何解决?

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测试面临更复杂的宽带波形

3GPP 5G新空口规范包括两种已获得批准的正交频分多路复用技术(OFDM)、各种调制和代码集、 灵活的参数配置(numerology)和多个信道宽带。除了这些参数外,5G波形还包括用于信道估计、优化MIMO操作和振荡器相位噪声补偿的参考信号。5G波形引入了自包含(self-contained)集成子帧设计,同一个子帧内包含了上行链路/下行链路的调度信息、数据传输和确认。

5G基站以及其他基础设施设备,简称gNode B (gNB),在下行链路中使用循环前缀OFDM (CP-OFDM)方案,而用户设备(UE)两种方案都支持,即CP-OFDM和离散傅里叶变换扩频 OFDM(DFT-S-OFDM)方案,具体取决于gNB指示UE使用这两种方案中的哪一种方案来进行上 行操作。DFT-S-OFDM具有较低的峰均功率比(PAPR),因此有助于提高功率放大器的效率和能效。

CP-OFDM 在资源模块中提供了很高的频谱封装效率(高达98%),并为MIMO 提供了良好的支持。因此,当运营商优先考虑尽可能提高网络容量时(例如在密集城市环境中),可能会使用该波形。DFT-s-OFDM 是用于LTE 上行链路的同一波形,其频谱封装效率更低,但范围更广(下表)。

表:关键的5G 规范

5G NR Release 15 使用CP-OFDM的波形并能适配灵活可变的参数集。可变参数集可以将不同等级和时延的业务复用在一起,并允许毫米波频段采用更大的子载波间隔。由于信号不再保持正交性,由此引入了大峰均比的问题和子载波干扰的问题。在上行信道,UE的发射功率受限并且对功率效率要求较高,于是采用DFT-S-OFDM波形来既降低信号的峰均比。

图:波形和可变的参数集影响着信号峰均比

规范还确认,尽管数据速率得到提高,但5G 移动宽带的时间排程就如同LTE,且对核心RF 实施不会产生任何额外影响。 然而,5G 技术大大降低了延迟,因此天线交换和天线调谐的可用时间更少。 这可能导致需要使用在某些应用中速度比4G 快10 倍的开关技术。

4G 到5G 过渡过程中的另一个重大变化就是手机必须支持宽度前所未有的带宽。提高带宽是5G 的基本宗旨:是实现以全新5G 频段为目标的更高数据速率的关键。单载波带宽可高达100 MHz,即LTE 最高带宽20 MHz 的5 倍(下图),且在FR1频率范围内,可存在2 个上行链路和4个下行链路载波,以分别实现200 MHz 和400 MHz 的总带宽。管理该带宽所面临的挑战预计将影响整个RF 子系统,这样即使是最具创新精神的RF 公司也要提高标准。

图:最大信道带宽比较:4G LTE与5G NR

此外,考虑到信号在毫米波和低于10 GHz频率下有着不同传播和反射行为,5G标准规定了在 两种不同基本频段的操作(下表)。在许多情况下,整个RF规范的要求会因两种不同频率范围而 有所不同。低频范围内(FR1)的信号可以使用频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种模式,带宽高 达100 MHz,载波聚合频率高达400MHz。而FR2信号的频率最高可达52.6 GHz,仅可在TDD模式下运行,并且单信道带宽高达400MHz。FR2信号还可以将多个载波组合在一起,以实现高达800 MHz的聚合带宽。不久之后,规范可能会将这一聚合带宽提高至超过1GHz。

表:新空口频率范围

所有这些因素都给研究人员和工程师研究对应的新波形带来了更大难度。他们在创建、发布和生成符合标准上行链路和下行链路信号方面面临着新的挑战,因为这些信号相比以往具有更多配置、选项和更宽的带宽。

图:5G毫米波上行链路和下行链路OFDM操作

为帮助工程师在验证设备性能时能更轻松地创建多个5G波形组合,NI开发了NI-RFmx波形发生器。NI-RFmx波形发生器提供了一个统一的软件环境,适用于创建和回放符合无线标准的波形,包括最新的新空口规范,可在NI PXI仪器上生成波形,或创建未锁定、未加密的I/Q波形文件,以便在自动测试序列中进行回放。用户可选择CP-OFDM或DFT-S-OFDM方案,并且可配置信道宽度、开关调制方案并添加I/Q减损。用户还可以创建无线局域网(WLAN)、蓝牙以及2G至4G和5G波形,以测试这些标准是否能够共存。

图:NI-RFmx波形发生器可轻松生成新空口波形

除了RFmx 波形发生器外,NI还提供NI-RFmx分析驱动和API。这些API经过高度优化,可对LTE-A和新空口等无线标准进行物理层(PHY)RF测量。NI-RFmx软面板 (SFP)提供了熟悉且直观的交互式体验,可让用户轻松展示RF测量结果。

配置宽带测试台,以覆盖广泛的频率范围

增强型移动宽带(eMBB,Enhance Mobile Broadband)是ITU-R确定的5G三大主要应用场景之一。

5G增强型移动宽带:具备更大的吞吐量、低延时以及更一致的体验。5G增强型移动宽带主要体现在以下领域:3D超高清视频远程呈现、可感知的互联网、超高清视频流传输、高要求的赛场环境、宽带光纤用户以及虚拟现实领域。以前,这些业务大多只能通过固定宽带网络才能实现,未来5G将让它们移动起来。

为实现5G增强型移动宽带某些极具挑战性的关键性能指标,即超出20 Gb/s的下行峰值速率以 及1万倍以上的流量,5G标准规定了两个基本频率范围内不同信道带宽下的宽带场景。这旨在复用400 MHz左右至7.125 GHz(FR1)和24 GHz至52.6 GHz (毫米波FR2)范围内的许多现有频段及 一些未获得许可的新蜂窝频段。5G 频率趋势一般低于 40 GHz。

图:5G新空口的频率范围

5G 网络建设需要综合考虑频率、设备、终端、业务等发展成熟度,按照 5G业务发展规律,需合理规划5G设备演进路标。

以中国联通5G网络建设远景目标为例,联通5G网络建设远景目标是建设“4G+5G”两张网,两张目标网的定位如下:

● 5G 目标网,以 3.5GHz 频段作为城区连续覆盖的主力频段,2.1GHz 频段可用于提高 5G 覆盖容量补充,后续新申请的毫米波频毫米波频段 26GHz+40GHz作为城区数据热点的重要补充;

● 4G目标网,以 900MHz 和 1800MHz 频段作为主要频段,900MHz 主要用于广覆盖(兼顾 NB-IoT、eMTC 等物联网业务),1800MHz 为 LTE 网络容量层(远期根据 4G 业务量情况逐步重耕用于 5G);

● 2G 和 3G 网络将逐步实现退网,将频率重耕用于4G和5G。

图:网络演进目标

对于面向大众市场的移动行业来说,目前尚未有合适的毫米波测试系统。由于各种新设备的不断出现及未来出现的未知需求,开发更有效的验证平台对测试工程师而言是一项巨大地挑战。

传统5G设备(包括最新的毫米波组件)测试方法需要工程师使用一系列昂贵的大型台式仪器进行手动测试。工程师亟需经济高效的测试设备来针对新设备类型配置大量测试平台,这些测试设备应具备以下特点:高度线性化;在极大的带宽范围中,具有紧密的幅度和相位精度;低相位噪音;广泛的频率覆盖范围,适用于多频段设备;能够利用其它无线标准测试是否共存。为了适应快速变化的测试要求,他们需要基于软件的模块化测试和测量平台来覆盖较宽的频率范围。

NI PXI矢量信号收发仪(VST)结合了RF和基带矢量信号分析仪,具有1GHz瞬时RF分析带宽或复杂I/Q 带宽。VST不仅具备生产测试仪器的快速测量速度和小巧的外形结构,同时也兼具研发级台式仪器的灵活性和高性能。凭借其高带宽,VST可直接用于5G测试平台,并适用于各种具有挑战性的 测试用例,包括载波聚合5G波形的数字预失真以及4G和5G的带内和带间共存。

此外,得益于PXI 平台的亚纳秒级同步功能,测试台可轻松增加更多的VST仪器,以支持MIMO配置的实现。

PXIe-5831毫米波矢量信号收发仪将频率范围扩展至毫米波

毫米波VST为5G毫米波设备测试工程师提供了最高可达5G 毫米波频率范围(FR2)的VST性能,。毫米波VST采用经过验证的VST架构,能够以非常高的性价比提供更高的测量速度和毫米波性能。

毫米波VST支持多种频率,工程师只需使用一台仪器即可进行IF(5-21 GHz)和射频(23-44 GHz) 测试,因此也可以在同一系统上灵活地连接许多新型DUT,并测试新技术。每个毫米波VST 均支持集成校准开关,用户无需大量成本或大幅增加系统复杂性即可轻松扩展端口数量, 而且多个毫米波VST可集成到一个PXI系统中,从而进一步增加了测试台的功能来测试 MIMO和相控阵列等新技术。

图:基于毫米波VST的5G测试台,适用于毫米波应用

分析和验证5G组件

与其他标准和技术共存

随着5G网络的大规模部署,会考虑采用独立5G系统单独进行组网,这种情况下,虽然5G可以提供高速业务和更高的业务质量,但是在某些覆盖不足的地方,仍可以借助LTE系统来提供覆盖和容量,因此双连接仍将是一个不可或缺的技术手段。

5G的初始部署可能采用非独立组网模式(NSA),在这种模式下UE仍需要依赖LTE网络进行链路控制,并使用5G连接作为高带宽数据传输通道。

LTE系统中,处于双连接模式下的UE,只在MeNB与MME之间存在一个S1-MME连接。提供S1-MME连接的eNodeB称为主eNodeB(即MeNB),另一个eNodeB用于提供额外的资源,称为次eNodeB(即SeNB)。每个eNodeB都能够独立管理UE和各自的小区中的无线资源。MeNB与SeNB之间的资源协调工作经由X2接口上的信令消息来传送。

图:双连接模式下的UE的控制面连接示意图,其中,S1-MME终结在MeNB,MeNB与SeNB之间经由X2-C来互连。

因此,工程师需要验证5G新空口(NR)与带内和邻带 LTE的共存性。5G系统将采用带宽分块(bandwidth parts)机制来实现5G和LTE信号的载波共享, 因而工程师需要使用间隔非常小的信号来验证其设备的性能。

未来的NR规范将纳入未授权频谱的辅助授权接入(LAA)技术,作为聚合辅助信道。这意味着工程师必须测试其设备对特定未授权频段的影响情况,以确保两者之间的共存。同样地,当UE包含符合各种标准的多个无线电收发器时,工程师必须进一步关注带内和带外信号的滤波和抗扰设计,以确保设备内不同标准的共存。

TX/RX 互易性 

工程师在开发发射/接收系统时必须考虑的另一项重要因素是TX和RX路径之间的互易性。例如, 当系统驱动发射功率放大器(PA)完全进入压缩区时,该PA引入的幅移和相移(AM-AM和AM-PM 相应 )以及其他热效将超过接收器路径中低噪声放大器(LNA)所引入的这些效应。另外,移相器、可变衰减器和增益控制放大器以及其他器件的容差可能导致信道之间的相移不均匀,从而 影响系统的预期相位相干性。

因此对前端模块(PA和LNA)、双工器、混频器和滤波器等RF通信组件进行特性分析将面临着一系列新的测量挑战。为在较大带宽下实现更高的能效和线性度,5G PA引入了数字预失真(DPD) 等线性化技术。由于电路模型难以预测记忆效应,因此降低记忆效应唯一有效方法是测试PA并在时域信号通过DUT后采集该信号,并应用DPD技术。现有的DPD技术要求测试设备生成并测量3到5倍带宽的信号。这对于需要对带宽为100、200和400 MHz的5G信号进 行预失真的测试设备来说是一个很大的挑战。

图:发射器和接收器的互易性分析

测试多频段设备

5G NR大致可分为两种非常不同的频率范围。其中FR1的频段低于6GHz,与目前我们使用的4G LTE网络使用的2至3GHz频段相差的距离并不远。然后FR2,它使用的是24GHz范围以上的频段,基本上可以说进入到了非常高的范围,而这种频段通常被称为毫米波(mmWave)。简单的说,FR1的传输距离更远,有助于帮助5G网络覆盖更广泛的范围。而另一方面FR2则更具有挑战性:它能提供巨大的带宽,但传输距离很近,并且也很难通过像墙壁这样的障碍物。

以下是目前主流运营商采用FR1和FR2频段的汇总:

随着市场需求的变化和行业的发展,对多频段前端模块(front-end module,FEM)和PAMiD(power amplifier modules with integrated duplexer,带集成双工器的功率放大器模块)进行特性分析和测试也日益困难。这些器件需要能够快速切换的多信道测试台,以测试不同路径和频段组合的性能,有时可能需要并行测量不同的组合。此外,典型的测试还需要在不同的电压电平;不同的载荷条件;有或无DPD情况下的输出功率电平、线性度和调制精度;不同的频段组合以及不同的温度下进行全面测试。

图: 基于VST的多通道前端模块测试系统

许多多频段设备必须支持E-UTRAN New Radio Dual Connectivity(EN-DC)技术,即4G和5G标准双连接技术。因此,需要覆盖的测试用例也不断增加,包括单载波和载波聚合信号的多种组合。此外,这些用例不仅需要在低于6GHz的频段下进行测试,现在也需要在7GHz左右的频段下进行测试,以考虑工作于非授权频谱的5G NR(NR-U)。由于这些设备具有更高的集成度和组件密度, 因此分析LTE和NR信号传输时的热管理和散热就变得非常重要。 

图: FEM的测试用例数量随着NR标准的演变不断增加

包络跟踪

随着蜂窝技术发展,调制的复杂度提高,对 RF 组件的要求也变得越来越严格。在 RF 功率和线性度需求持续上升的同时,人们强烈要求降低电流消耗,这对电池寿命和热性能产生了直接影响。5G 也不例外,5G规范让困难度成倍增加。现在包络跟踪技术被越来越广泛地运用于优化射频功率放大器(PA)的功率附加效率(PAE),而射频功率放大器射频PA正是电池电量最主要的消耗源之一。

包络跟踪技术的原理在于使放大器尽可能地在压缩区运行。该项技术基于这一事实:功率放大器的效率峰值点和输出功率峰值点都会随着供电电压(Vcc)的变化而变化. 如下图显示了不同供电电压值下,功率附加效率与输出功率的函数关系。我们可以看出峰值效率的输出功率随着供电电压的增大而增大。

图:不同供电电压下PAE与输出功率之间的关系

包络跟踪测试使得原本就复杂的系统变得愈加复杂。为了让功率放大器成功地执行一项包络跟踪计划,射频基带波形和供给电压之间必须紧密同步。如下图所示,一个典型的包络跟踪测试系统包括一个射频信号发生器和分析仪、用于控制功率放大器的高速数字波形发生器以及一个用于为放大器供电的电源。 

图:典型的包络跟踪测试装置

高效5G前端的测试工程师需要测试其设备在5G信道带宽下的包络或更高频率。将包络跟踪技术扩展到5G NR所需的100 MHz上行带本不太可能,因为测试台必须能够触发并生成极宽的基带包络信号大型波形基本完全对齐。然而,工程师也在努力尝试实现这一性能效率和电池寿命,从而满足用户需求。此外,可精确部署包络跟踪覆盖范围和容量,这两个参数均是网络运营商的重要指标。

图:包络跟踪测试系统图

新型毫米波操设备

5G为了进一步提高频谱效率、克服传播损耗等问题,5G大规模天线基站普遍采用波束成形技术。基站要通过波束扫描找到手机,然后手机和基站之间通过业务波束信号建立业务交互。这是一个很吸引人的设计,当然实现起来也是非常复杂的。波束使用同频还是异频,波束参数,信号质量、端到端性能,OTA射频性能等看起来简单几个问题,其实从系统设计与仿真阶段就要考虑进来,一个成功的系统设计能够显著降低产品生命周期各阶段的风险。

高级波束成形技术需要系统级的设计

为了避免大量传播损耗,5G需要采用波束成形子系统和天线阵列。测试新的波束成形IC需要采用快速可靠的多端口测试方案。这些测试方案必须测试每条路径的信号增益和相位控制,以确保适当的信号细窄/尖锐程度(level tapering)和相位调整,从而减少旁瓣和正确控制波束的方向。但是,由于这些测试方案需要朝着毫米波方向设计,因此本振引入的系统相位噪音会成倍增加,甚至可能占据主导地位,从而给组件测试带来了极大的挑战。测试仪器必须在FR1和FR2范围内均提供足够的动态范围,以分析和验证这两个5G频段内的组件性能是否一致。

RF-RF波束成形器

测试5G波束成形设备时,如下图中的波束成形设备,工程师需要在多个宽频段下测试最大线性输 出以及各个路径的压缩行为。他们还必须检查衰减器的步进误差以及每个步进的相位偏差。对于接收路径,他们还需要对噪声系数与频率之间的关系进行分析。

鉴于信号是双向的,因此最简单的测试方法是反转与测试仪器之间的连接,但对于水平和垂直极 化的多端口设备(8个、16个甚至更多)来说,这个方法并不可行。测试仪器必须包括专为多端口测 试而设计的快速双向切换解决方案。

图:水平和垂直极化的波束成形器IC

IF-RF波束成形器

其他类型的波束成形设备(即IF-RF波束成形器)可将中频(IF)信号上变频为RF信号。反之,这些设 备也可以将接收到的RF信号下变频为IF信号(见下图)。正如上述针对RF-RF波束形成器的讨论, 工程师还需要在不同频率范围内分析这些组件的性能,测量每个步进的幅度和相位变化,并检查 频率变化是否适当,同时最小化镜像信号和高阶谐波干扰。IF-RF波束成形器还带来了其他测量 挑战,因为它们需要在不同中频下生成IF信号并进行分析,具体频率取决于特定设备的频率设计。例如,部分DUT在 8或12 GHz的IF下工作,而有些DUT则将其IF设置为18GHz。 

图:IF-RF波束成形器设备

工程师需要分析和校正5G波束成形器设备的误差源,以确保正确的传输功率、精确的方向控制和可靠的灵敏度。这些误差源包括:IQ减损和信号平坦度,模块之间的LO相位噪声和频移,天线元件之间的相位差,信号细窄/尖锐程度(tapering)控制以及隔离和互耦。

这需要测量信号从一个路径传输到另一个路径的变化是否最小,这是因为天线元件和信号路径之间的互耦会影响MIMO操作和信号解调性能。

数字控制挑战

自动分析多频带FEM和多通道波束成形器还需要快速且简单的数字DUT控制。很多时候,工程师需要串行外设接口(SPI)和MIPI等数字协议在超频状态下进行测试,以便在真实应用场景中运行其DUT。例如,如果是波束成形器,则该设备必须满足5G技术对波束灵活性的要求(波束搜索、匹配、跟踪和波束成形等)。这需要在极短时间内更改状态。为了满足这一需求,测试台需要的数字仪器必须能够更快速实现数字协议。

NI测试解决方案基于PXI仪器和灵活的测试软件,使工程师能够快速配置时间同步且相位相干的多通道测试系统,以实现自动化RFIC特性分析、验证和生产测试。

最新的多核处理器可帮助用户更快速地生成并行测量结果,以应对不断增加的测试用例。此外, 该解决方案还集成了各种快速的数字预失真算法,使用户能够部署和实时执行自定义算法,从而快速可视化PA性能结果。

图:集成式PXI工作台采用DPD和包络跟踪技术进行FEM测试

此外,针对需要控制和测试IC的半导体工程师,NI PX平台还提供了专用的高速数字I/O仪器。这些数字仪器基于drive format和time set概念,其中NI 数字pattern编辑器提供了丰富的软件体验,包含了各种调试和特性分析工具,比如数字示波器。

2019年是中国5G商用元年,5G网络建设需要考虑多种建设场景。为了满足市场对5G技术的迫切需求,研究人员和工程师需要依赖于更快、更具成本效益的测试系统来应对这些挑战。

虽然测试系统和测量系统在设计上必须能够测试目前的AiP设备,它们还必须能够适应未来的波束成形和OTA的测试要求。这意味着,测试系统必须具备灵活性,不仅可以测试当前的设备,而且也可以适应未来的半导体技术。由模块化硬件和灵活软件组成的NI平台使工程师能够利用新的仪器功能来加快并简化5G设备的特性分析、验证和生产测试。

编辑:芯智讯-浪客剑/夏天

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