【原创】疫情过后5G井喷,但这五大5G测试挑战你必须拿下

winniewei 提交于 周三, 04/15/2020
【原创】疫情过后5G井喷,但这五大5G测试挑战你必须拿下

作者:张国斌

目前,全球新冠肺炎疫情形势严峻,不过中国疫情在政府和人民的齐心努力下已经取得了阶段性成果,很多生产活动已经开始恢复,近期中国政府联系连续出台了多项政策推动疫情后的新基建,据统计,全国各省市投资多达37万亿元,这其中,5G是热点中的热点,5G投资持续加码,最新信息显示中国移动年内将建设30万5G基站,中国联通与中国电信将在三季度末新建设25万5G基站。2020年三大运营商资本开支总额约3348亿元,5G相关投资约1800亿,占资本开支总投资5成以上!

图1  三大运营商开支

图1  三大运营商开支

资料来源:wind、三大运营商推介资料,东吴证券研究所。

随着5G基础建设加速,5G应用和终端市场也将走热,拉动5G相关设计、测试走热,不过由于5G技术频率高,带宽宽以及采用多天线应用,5G产品设计异常复杂,因此5G测试成为为5G设计保驾护航的关键,5G测试中,这五大测试挑战你必须攻克。

图2  5G建设产业链

图2  5G建设产业链

数据来源:“新基建” 发展白皮书,东吴证券研究所

挑战1: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。

考虑到信号在毫米波和低于10GHz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,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100MHz,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800MHz的聚合带宽。未来规范可能会将这一聚合带宽提高至超过1GHz。

表1.宽带5G波形的各种物理层配置

表1.宽带5G波形的各种物理层配置

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新挑战,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3  5G毫米波上行链路和下行链路OFDM操作灵活的5G.Numerology图3  5G毫米波上行链路和下行链路OFDM操作灵活的5G.Numerology

图3  5G毫米波上行链路和下行链路OFDM操作灵活的5G.Numerology

NI解决方案

为了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。

更详细测试方案请大家扫描下面的二维码下载NI编撰的《5G半导体测试工程师指南》。

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挑战2:更宽的频率范围

为了实现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10,000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。

图4  5G新空口的频率范围

图4  5G新空口的频率范围

毫米波系统以前是在军用和航天领域使用,目前尚未有合适的民用毫米波测试系统。由于各种新设备不断出现及未知的未来需求,开发更有效的验证平台对测试工程师而言是一项很大的挑战。

传统的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。工程师很难集成、扩展或优化其仪器来实现自动化设备验证。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解决方案

利用NI的PXIe-5831毫米波矢量信号收发仪,可以将频率范围扩展至毫米波,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。低相位 噪音、高线性度和获得专利的I/Q校准的结合,意味即使在最窄的5G子载波间隔下,VST也可利用 256-QAM等高阶调制方案来精准地测量误差矢量幅度(EVM)。

图5 基于毫米波VST的5G测试台,适用于毫米波应用

图5 基于毫米波VST的5G测试台,适用于毫米波应用

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。

更了解详细测试方案请大家扫描下面的二维码下载NI编撰的《5G半导体测试工程师指南》。

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挑战3:与其他标准/技术兼容性测试

很多地区的5G初始部署采用非独立组网模式(NSA)模式,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。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。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。某个标准的谐波、非线性频谱增生以及各种 杂散会影响5G.NR设备的灵敏度。

图6 WLAN带外泄漏导致的5G.NR减敏现象

图6 WLAN带外泄漏导致的5G.NR减敏现象

此外,工程师在开发发射/接收系统时还必须考虑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。还有移相器、可变衰减器和增益控制放大器以及其他器件的容差也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。

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(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。

图7  包络测试的系统图

图7  包络测试的系统图

还有,工程师还要面临来自包络测试、新型毫米波操设备测试、RF-RF波束成形器测试、IF-RF波束成形器测试、数字控制测试的一系列挑战,要解决这些挑战需要一套完整的系统级测试方案。

NI解决方案

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。

更了解详细测试方案请大家扫描下面的二维码下载NI编撰的《5G半导体测试工程师指南》。

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挑战4:大规模MIMO测试

Massive MIMO(大规模天线技术)是5G中提高系统容量和频谱利用率的关键技术。它最早由美国贝尔实验室研究人员提出,研究发现,当小区的基站天线数目趋于无穷大时,加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计,数据传输速率能得到极大提高。

MIMO指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。它能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量。

图8   通过波束成形实现空间复用

图8   通过波束成形实现空间复用

在大规模的MIMO系统中,基站天线的数量远超用户终端数量。因此,5G标准纳入了多用户 MIMO(MU-MIMO)技术,其中基站向有源天线系统馈送预编码信号,然后在空间上将多路同步数 据流发送给多个用户,用户端的每个接收器均可选择其所需的数据流。为了实现该空间多路复用,gNB需要将辐射能量通过波束成形技术集中至各个接收器。基于波束成形技术,工程师可以 实现MU-MIMO,以提高gNB容量并减少发射过程中的能量消耗。

随着5G商业化的逐步实现,目前的趋势是使用片上天线(AoC)和封 装天线(AiP)设备来实现毫米波频率下的波束成形,但这种设备没有可用的RF测试端口,迫使业界亟需寻找可以使用OTA辐射测试方法来进行设备特性分析的测试系统。

随着工程师从传统的RF半导体传导测试转向OTA测试方法,他们面临的挑战是建立动态OTA测试系统来准确测试RF性能。因此,工程师将DUT放置在电波暗室内受控的RF环境中,与测量系统呈 一定距离和角度,进行OTA特性分析和验证测试。

此外,工程师还面临温度测试挑战、空间扫描测试挑战、接收器测试挑战以及毫米波测试的不确定性挑战如系统误差、校准测量误差、DUT测量误差等,此外,要减小OTA测量不确定性,还要面临来自将不确定性来自系统子组件中测量设备、暗室、定位器、测量和基准天线的挑战,面对这些挑战必须用系统性的软硬件方案来应对。

NI解决方案

对于需要进行RF-RF或IF-RF OTA性能分析或AiP器件或天线模块设计验证的毫米波半导体工程师而言,NI毫米波OTA参考设计使其能够准确测量DUT在所有传输方向上的完整辐射场。

图9 NI毫米波OTA参考解决方案简图

图9 NI毫米波OTA参考解决方案简图

与通过软件来指示DUT定位器在空间采样网格上的每个点进行加速、停止和测量的测量系统不同,NI系统提供了亚纳秒定时和触发功能,可显著缩短测试时间。NI OTA参考解决方案实现了基于硬件的实时运动控制系统,可以更加快速地驱动DUT定位器,更加迅速地扫描空间网格,同时触发5G RF快速测量。

更了解详细测试方案请大家扫描下面的二维码下载NI编撰的《5G半导体测试工程师指南》。

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挑战5:5G量产测试

随着5G大规模商用,市场对5G产品的需求会指数级增大,这就要求5G终端产品测试要大大缩短,以提高产量以及降低资本和运营费用。

目前传统上采用OTA测试设备的方法,但谈到OTA测试解决方案,就要说RF暗室,好的RF暗室可提供安静的RF环境,确保设计满足所有性能和法规要求,并具有足够的裕量和可重复性。不过对于量产产品来说,微波暗室会占用大量的生产空间,并增加资本支出。

为了解决这些问题,市场上出现了具有OTA功能的IC测试插座(带有集成天线的小型RF外壳), 从而将半导体OTA测试功能小型化,不过,小型测试插座存在反射问题,另外,采用小型RF外壳也带来新的测试挑战。如在28GHz 时,DUT和天线之间即便仅仅是10cm的距离也会导致自由空间路径损耗超过30dB(包括发射和接收 天线的增益),而如果使用同等长度的同轴电缆,损耗仅为1dB左右。

还有一种OTA测试方法是生产测试系统采用更长的RF机箱,DUT会使用整个天线阵列启用波束成形功能,并在关键波束成形方向上寻找聚合RF性能。这里的测试挑战在于识别芯片和封装基板之间的连接是否断开或很弱,同时还要测量封装内天线的质量。

NI解决方案

NI用于特性分析和验证任务的模块化测试平台可完全满足生产车间的测试需求,它与最新的5G NR PHY层要求保持同步,包含了构建多通道测试系统所需的测量科技和瞬时带宽,这些基于PXI的测试系统可以使用PXle-5840 VST测量FR1频段的5GNR宽分量载波或载波聚合信号,也可以使用毫米波VST对FR2频段进行测量。

图10 基于半导体测试系统的毫米波生产解决方案

图10 基于半导体测试系统的毫米波生产解决方案

该解决方案结合了数十个双向RF端口,可直接用于5G测试,并与高端台式仪器的宽带性能相匹配,同时每分钟可以测试更多设备。NI将所有这些功能集成到单平台测试解决方案中,不仅可直接用于量产环境,而且还能够以经济高效的方式快速、可靠地进行5G测试,同时最大限度地降低费用和占地面积要求,从而让投资回报最大化。

更了解详细测试方案请大家扫描下面的二维码下载NI编撰的《5G半导体测试工程师指南》。

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总结

NI是全球最早介入5G研究的企业之一,NI的测试设备确保了5G系统的研发和规模量产,早在2016年,诺基亚就与NI合作,共同研究毫米波频谱下的移动接 入技术,为下一代无线通信奠定了集成。在那次合作中,NI和诺基亚网络公司联合开发了传输 、速率超过10.Gb/s的毫米波通信链路,这是迄今为止公开展示的最快速的移动接入无线系统。

全球众多5G企业与科研机构都在与NI合作,推进5G的商用,基于5G测试方面的积累,NI编撰了5G半导体测试工程师指南》白皮书,这本白皮书介绍了宽带5G应用在半导体器件测试方面所面临的新挑战以及详细的应对措施,工程师盆友只要扫一扫二维码即可轻松下载该白皮书!

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