盡管全球才剛剛開始布建LTE和LTE-Advanced網絡，新一代無線網絡的研究已如火如荼地展開。新一代5G可能由密集且高度整合的小蜂窩（small cells）網絡組成，并利用數種不同的空中接口，在微波和毫米波頻段中傳輸，以支持高達10 Gbps的峰值數據速率，和不到1 ms的往返延遲。這個組合式網絡也許能支持各類的情境，包含簡單的機器對機器（M2M）設備，或是沉浸式虛擬現實串流。5G技術預計將帶來美好的終端使用者體驗，但同時也讓5G系統開發工程師面臨許多有趣的挑戰。

產生與分析5G波形的測試挑戰

從技術預測跳躍到實際部署，必須從創造、產生、和分析原型信號開始。目前業界還沒有發布5G標準，因此也尚未定義物理層波形。雖然業界對于5G波形仍無共識，但是多載波濾波（FBMC）、通用濾波多載波（UFMC）以及正交分頻多任務（OFDM）波形都在候選名單中。其他可能的選項還包括sub-6 GHz頻率的波形，以及在微波和毫米波（mmWave）頻段的波形，其帶寬可能高達2 GHz。目前仍在研究中的各種波形、頻率及帶寬，為5G信號的產生與分析，帶來各式各樣新的測試挑戰。

克服這些挑戰的關鍵在于，進行5G研究及先期測試時的靈活性。在評估初期概念和新的候選5G波形時，工程師必須具備執行假設（What-If）分析的能力。少了這項能力，將導致選擇錯誤路徑、或是直到開發后期才發現問題的風險升高，而開發后期的任何變更，都將耗費更多的代價與時間。因此信號發生與分析工具的靈活性顯得特別重要，因為它們讓工程師能在出現更強大的5G候選波形時，迅速改變研發方向。工程師也需要能夠靈活地使用大范圍的調制帶寬（從幾MHz到數個GHz），以及從RF到微波、甚至是毫米波的頻段。

Keysight  5G波形產生與分析測試平臺參考解決方案，是克服這些挑戰的理想工具。它結合了市售的現成軟硬件，來打造一個靈活無比的5G波形產生和分析測試平臺。

5G波形產生與分析測試平臺參考解決方案

這個測試平臺參考解決方案的多元軟件和硬件組件，提供了更高的靈活性。在軟件部分，這種靈活性確保工程師可產生并分析各種不同形態的5G候選波形及客制波形。而在硬件部分，靈活性和擴充性則使得工程師能夠產生并分析從RF到毫米波頻段的信號，帶寬可高達2 GHz。

圖1顯示的軟硬件組合，可用來建構一個靈活的5G波形產生與分析測試平臺參考解決方案。為了產生調制帶寬高達2 GHz、頻率高達44 GHz的寬帶測試信號，這個解決方案使用了精密型任意波形發生器（ARB），以及具有寬帶I/Q輸入的矢量信號發生器，再搭配信號發生軟件。此外，它可通過升頻器來產生更高頻的信號。

這種軟硬件的組合，使得工程師能夠輕易產生各種5G候選波形，如客制的FBMC、OFDM，以及單載波波形。此外，系統級設計軟件與硬件的整合，方便工程師進一步評估客制或是專屬的算法以及假設情境。舉例來說，工程師可評估LTE信號是否可與FBMC信號并存。

測試平臺參考解決方案也能用來解調制并分析測試信號。在這個案例中，Keysight 89600 VSA軟件通常與仿真軟件搭配使用，或是在多個不同的硬件選項上執行。這些硬件選項包含了信號分析儀、示波器、或是控制各類儀器和數字轉換器的個人計算機。

圖1、靈活的5G波形產生與分析測試平臺參考解決方案

我們將舉兩種不同的測試案例，來展示這個測試平臺參考解決方案的功能。第一個測試信號是一個頻率為28 GHz、帶寬接近1 GHz的客制OFDM信號；第二個測試信號則是頻率為73 GHz、帶寬為2 GHz的單載波信號。

微波案例：客制28 GHz寬帶OFDM信號發生與分析

在此案例中，測試平臺參考解決方案基本配置結合了精密型AWG，以及具有寬帶I/Q輸入的矢量信號發生器，以便產生高達44 GHz的寬帶微波測試信號。

如圖2所示，信號發生軟件產生了一個客制的OFDM波形，這個波形在28 GHz頻率上具有近乎1 GHz的調制帶寬。我們設定了前置碼（preamble）、前導（pilot）和數據副載波的資源映像參數，包括其位置和每個資源區塊的放大，并且設定前置碼、調制，以及前導與數據載荷的I/Q值。

圖2、使用信號發生軟件產生寬帶客制OFDM信號

所產生的波形會被讀進AWG中，接著我們可以使用AWG的前端面板軟件來播放此波形。AWG的IQ輸出被饋送入矢量PSG的寬帶IQ輸入中，接著PSG將IQ波形調制至一個28 GHz的載波頻率上。PSG RF輸出測試信號后，您可使用63 GHz高效能示波器和89600 VSA軟件進行分析。

圖3以6組軌跡圖來顯示使用Keysight 89600 VSA軟件測量測試信號后的結果：

1、左上：星座圖
2、中上：EVM和副載波
3、右上：搜尋時間
4、左下：中央頻率為28GHz的近1 GHz寬帶譜
5、中下：誤差總表
6、右下：OFDM均衡器信道頻率響應

圖3、28 GHz的寬帶（近1 GHz）客制OFDM信號解調制

毫米波案例：73 GHz的寬帶單載波信號發生與分析

在此例中，測試平臺參考解決方案基本配置使用毫米波升頻器，讓信號發生頻率擴展到73 GHz，接著再使用毫米波降頻器或是智能型波導混頻器來進行信號分析。圖4的簡易方塊圖展示了用來產生與分析此毫米波信號的73 GHz硬件配置模板。我們使用微波信號發生器來為毫米波升頻器提供LO，而毫米波放大器/濾波器則被用于升頻器的輸出端（未顯示于圖4中）。

圖4、73 GHz毫米波波形產生與分析的硬件配置范例

如結合使用波導智能型混頻器與信號分析儀及示波器，您可分析從60至90 GHz的信號。波導智能型混頻器可連接至毫米波升頻器的輸出端，而IF的輸出會被接入信號分析儀，以進行頻譜分析。輔助IF輸出端則被饋送入示波器，以便使用VSA軟件進行寬帶信號之解調制分析。

在這些頻率和帶寬中，在由AWG、矢量信號發生器、升頻器、波導智能型混頻器、電纜／接駁線，以及信號分析儀所組成的信號鏈中，可能會出現線性振幅和相位誤差。我們可利用VSA軟件的可調式均衡器，導入必要的矢量校正，以減少線性振幅和相位誤差。該均衡器會產生復數值（complex-valued）頻率響應，可用來將振幅和相位誤差極小化。系統級設計軟件可讀取此頻率響應，以便產生寬帶波形，接著使用它來預先修正（pre-correct）波形響應，如圖5所示。

圖5、設計軟件和測試設備的整合，用以修正測試信號的線性振幅和相位誤差

圖6顯示一個頻率為73 GHz、調制帶寬為2 GHz的矢量校正波形的解調制分析。在大帶寬下，如果因為硬件缺損而沒有可調式均衡器可使用，要對2 GHz寬帶信號進行解調制是非常困難的任務。然而，在此例中，您可在仿真時修正線性振幅和相位誤差，無需可調式均衡器就可以產生低EVM的校正后波形。

圖6、用2 GHz調制帶寬來解調制73 GHz的波形

開發5G的道路上布滿荊棘，充滿了各種難以克服的挑戰。研究人員和工程師們需要高度的靈活性，來全面因應這些挑戰，并且隨著5G的演進，快速改變研發方向。

本文討論的5G波形產生與分析測試平臺參考解決方案，結合使用軟硬件，來建構靈活的5G波形產生與分析測試平臺。工程師和研究人員可利用這套解決方案來產生并分析各種新興的5G候選波形。該測試平臺的軟件組件可靈活無比地產生并分析各種5G候選波形；而硬件部分則提供從RF到微波及毫米波頻率的靈活性和可擴充性，并且具有高達2 GHz的調制帶寬。

作者：Greg Jue/Keysight Technologies

Greg Jue為是德科技5G應用產品的應用開發工程師暨科學家。Greg曾服務于是德科技航天與國防應用、高效能示波器以及EEsof等不同部門，專攻WLAN 802.11ac、LTE、WiMAX、航天與國防，以及SDR應用。Greg撰寫過是德科技LTE book的設計模擬章節，同時也是許多文章、演講、應用文件和白皮書的撰稿者，作品包括《部署靈活的5G 波形產生與分析測試平臺》白皮書。在安捷倫時期，Greg是最早推出結合了設計模擬與測試之整合式解決方案的先鋒，并曾撰寫許多關于結合新興科技模擬和測試的應用說明。在1995年加入HP/安捷倫之前，他曾在加州理工學院噴射推進實驗室的深空網絡（Deep Space Network）計劃中從事系統設計。

本文刊登于微波射頻網旗下《微波射頻技術》雜志 2016無線射頻專刊，未經允許謝絕轉載。