5G技術的宗旨是實現更快、更可靠的行動通訊。為了實現行動寬頻通訊，5G使用現有技術和新技術來達到極高的傳輸速率。然而，這些技術帶來新的測試需求，包括毫米波頻率測試、更寬的通道頻寬和複雜的多天線配置。
基地台和行動終端發射器和接收器的測試從模擬5G New Radio(NR)標準相符訊號開始。為了準確模擬訊號，測試設備必須支援通道編碼和多天線，並且必須允許以多種組合操作各種訊號參數支援複雜的測試設定。此外，需要計量等級的參考訊號，才能看到真正的待測裝置特性。強固的測試系統能產生支援各種測試情境的測試訊號，從元件特性分析、設計驗證、初期認證到大量生產測試。本文將探討如何成功產生5G NR測試訊號，並加速完成5G NR設計驗證。
簡化5G測試波形產生 加速NR設計驗證
3GPP規定用戶端設備(UE)和基地台(gNB)的5G NR測試要求。表1說明UE和gNB最低測試要求和相符性測試的技術規格(TS)。相符性測試文件規定了量測程序。測試方法包括執行測試、輻射測試或各種頻率範圍的混合測試。
每個文件指定發射器特性、接收器特性和效能測試要求。另外，第一部分為傳導測試，第二部分為輻射測試。第三部分用於NR UE在頻率範圍1(sub-6GHz)和頻率範圍2(毫米波頻率)互通，或NR和LTE之間的互通。
為執行相符性測試，3GPP指定測試案例所需的測試訊號。例如，3GPP定義了用於5G NR gNB發射器測試的測試模型(TM)和TS 38.141的5G NR gNB接收器測試的固定參考通道(FRC)。
為測試設定的實體通道需基於規格，包括邏輯通道、資源分配、酬載資料、頻寬元件、控制資源集合、基地台特定設定和RF參數。每個測試訊號有超過50個，有相關的頻寬和參數集(子載波間隔)的可調參數。支援預先定義、基於標準相符性測試設定的測試設備可以節省設定時間，確信量測符合標準。
圖1顯示FR1的5G NR TM1.1。整個無線電框架的圖形顯示位於左下角。x軸表示基於當前參數集的空隙，y軸表示資源區塊(RB)的值。大面積A區塊表示下行鏈路共享通道(DL-SCH)，左下A區塊上的直線條表示下行鏈路控制訊息(DCI)。詳細的RB映射在右下角，包括小區塊B的解調變參考訊號(DMRS)和A的物理下行鏈路共享通道(PDSCH)。預先配置的設定可幫助產生符合3GPP 5G NR標準的訊號，以便如右上角所示，快速輕鬆地測試gNB、UE發射器和接收器。
圖2說明用於gNB接收器測試的上行鏈路FRC，使用預先配置工具，測試工程師可簡單地選擇測試類型，如接收器靈敏度和通道內靈敏度，或特定測試案例的動態範圍，然後選擇具有指定子載波間隔的FRC、資源區塊數量、調變編碼機制和編碼速率。
評估5G NR波形 篩選有用功率資訊
在現代無線通訊中，調變機制變得更加複雜。複雜的調變訊號導致更高的峰均功率比(PAPR)，這可能導致待測物(如放大器和混頻器)更高的非線性失真。因此，要從複雜訊號中提取有用的功率相關資訊，須對功率位準進行統計分析。
功率互補累積分布函數(CCDF)曲線評估訊號峰值高於平均功率位準的機率，並提供關鍵資訊，如PAPR。透過CCDF，工程師可以了解給定訊號在元件中產生非線性的機率，以及可能須要應用多少的補償，才能夠避免訊號峰值被削波。在使用訊號產生器模擬數位調變訊號的時候，須要確保訊號產生器不會導致輸出訊號飽和。
如果訊號產生器的輸出訊號飽和，不僅會影響輸出功率位準準確度，還會因為振幅壓縮影響到調變品質。對於高PAPR訊號，訊號產生器上的振幅位準設定不能大於訊號產生器的最大輸出功率(PEP)，即峰值波封功率，減去PAPR。
圖3顯示使用測試模型(TM)1.1，具有100MHz頻寬的5G NR FR1下行鏈路訊號波形模擬。波形的PAPR高達19.5dB。若訊號產生器的最大輸出功率為+20dBm，則訊號產生器可使用的最大振幅設定(平均功率)為+0.5dBm(20-19.5=0.5)。如此可防止訊號產生器的功率放大器飽和。訊號產生器需要非常線性、失真較小的輸出來產生5G訊號。
5G FR2毫米波操作頻段有更寬的通道頻寬，可實現5G對極端資料速率的承諾，但它也暴露了訊號傳播的問題，即過大的路徑損耗。為了克服路徑損耗，5G NR使用相位陣列天線增加天線指向性和增益，因此需進行空中傳輸測試。
為了克服電纜、切換器和空中更新(OTA)過大的路徑損耗，訊號產生器需要更高的輸出功率位準來補償損耗。適用於5G測試的訊號產生器，在高輸出位準時，須具有線性輸出、低失真和低相位雜訊。在毫米波頻率下進行精確量測時，這些因素至關重要，可確保誤差不是來自訊號產生器。
寬頻訊號通道響應最小化
增強型行動寬頻(eMBB)為5G定義的使用案例之一。它使用現有技術和新技術來實現預期的極速資料傳輸，包括更寬的通道頻寬、載波聚合、高調變密度和多天線。5G NR FR2最大通道頻寬為400 MHz，最大聚合通道頻寬(連續)高達1.2 GHz。一般而言，隨著通道頻寬增加，通道平坦度會下降。表2說明新無線標準的最大通道和聚合頻寬。
大多數新型向量訊號產生器都支援內部校驗程序，也稱為工廠校驗，該程序可在所有射頻頻率和功率位準範圍內，收集基頻和射頻振幅與相位誤差的修正資料。校正資料包括套用於基頻波形的校正濾波器參數。修正處理由數位訊號處理器(DSP)即時實現。
圖4顯示啟用內部通道修正後，400 MHz頻寬的5G NR訊號的量測結果。振幅的頻率響應小於±0.1dB，相位為0.5度，表現出優異的效能。
校驗對於確保量測系統產生準確結果至關重要。由於平坦度誤差，儀器和待測物(DUT)間，路徑上的電纜、元件和切換器會降低量測準確度。必須將量測準確度從訊號產生器的輸出(參考平面)延伸到待測物的測試埠，如圖5所示。訊號產生器和設備之間的任何網路元件(電纜、連接器或測試夾具)都會影響到訊號傳真度。
藉由量測網路元件的響應來獲得修正後的過濾波形。以是德科技(Keysight)所提供的量測修正方塊精靈為例子，可協助完成量測和計算外部網路的修正，包括電纜、連接器，以及訊號產生器和待測物之間的其他被動元件。完成所需拓撲結構的特性分析之後，就可以從輸出訊號消除影響，將有效參考平面移到儀表/分析儀連接處。
提高頻外(Out-of-Band)效能
採用振幅和相位偏移的數位調變會產生失真，這種情形又稱為頻譜再生。圖6顯示數位調變訊號的頻譜再生。頻譜再生會在擴散到主通道之外。相鄰通道功率比(ACPR)量測，可量測主通道功率和落入相鄰通道的功率比，以檢查這類失真。ACPR量測是多數蜂巢式相符性規範之主要發射器特性。執行ACPR量測時，須使用具備超低失真效能的訊號產生器，來產生符合標準的特定測試波形。
3GPP 5G NR標準並未定義用於正交分頻多工(OFDM)訊號的特定基頻濾波器。在實作中，設計工程師實作OFDM窗口和基頻濾波器，以有效地最小化頻內和頻外發射。對於功率放大器等5G RF元件測試，舉例來說，Keysight Signal Studio軟體提供基頻窗口和濾波選項，允許修改訊號的誤差向量振幅(EVM)和ACPR特性，如圖7所示。
如前所述，訊號產生器需要更高的輸出功率位準，以補償毫米波頻率下過多的路徑損耗。但是，高功率訊號可能導致訊號失真，調變品質下降(EVM)和頻譜再生(ACPR)。它需要最佳化訊號產生器的輸出線性度，並在高輸出位準時將相位雜訊降到最低，為5G NR測試提供最佳的EVM和ACPR效能。
產生各種符合標準的5G NR測試訊號需要靈活的波形創造軟體平台和高效能硬體。波形創造軟體使用預先配置基於標準的測試訊號，輕鬆地創造客製化5G波形。選擇符合效能和頻寬要求的訊號產生器，可隨著5G標準演變的擴展。
