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华为5G芯片率先完成SA/NSA全部测试的背后:面临哪些挑战?

2019-07-19 10:12
来源: 芯智讯

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。

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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:

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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