【原創】疫情過后5G井噴,但這五大5G測試挑戰你必須拿下

winniewei 提交于 周三, 04/15/2020
【原創】疫情過后5G井噴,但這五大5G測試挑戰你必須拿下

作者:張國斌

目前,全球新冠肺炎疫情形勢嚴峻,不過中國疫情在政府和人民的齊心努力下已經取得了階段性成果,很多生產活動已經開始恢復,近期中國政府聯系連續出臺了多項政策推動疫情后的新基建,據統計,全國各省市投資多達37萬億元,這其中,5G是熱點中的熱點,5G投資持續加碼,最新信息顯示中國移動年內將建設30萬5G基站,中國聯通與中國電信將在三季度末新建設25萬5G基站。2020年三大運營商資本開支總額約3348億元,5G相關投資約1800億,占資本開支總投資5成以上!

圖1  三大運營商開支

圖1? 三大運營商開支

資料來源:wind、三大運營商推介資料,東吳證券研究所。

隨著5G基礎建設加速,5G應用和終端市場也將走熱,拉動5G相關設計、測試走熱,不過由于5G技術頻率高,帶寬寬以及采用多天線應用,5G產品設計異常復雜,因此5G測試成為為5G設計保駕護航的關鍵,5G測試中,這五大測試挑戰你必須攻克。

圖2  5G建設產業鏈

圖2? 5G建設產業鏈

數據來源:“新基建” 發展白皮書,東吳證券研究所

挑戰1:更復雜的寬帶波形

3GPP.5G新空口規范包括兩種已獲得批準的正交頻分多路復用技術(OFDM)、各種調制和代碼集、靈活的參數配置(numerology)和多個信道寬帶。除了這些參數外,5G波形還包括用于信道估計、優化MIMO操作和振蕩器相位噪聲補償的參考信號。5G波形引入了自包含(self-contained)集成子幀 設計,同一個子幀內包含了上行鏈路/下行鏈路的調度信息、數據傳輸和確認。

考慮到信號在毫米波和低于10GHz頻率下有著不同傳播和反射行為,5G標準規定了在兩種不同基本頻段的操作,在許多情況下,整個RF規范的要求會因兩種不同頻率范圍而有所不同。低頻范圍內(FR1)的信號可以使用頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)兩種模式,帶寬高達100MHz,載波聚合頻率高達400MHz。而FR2信號的頻率最高可達52.6.GHz.,僅可在TDD模式 下運行,并且單信道帶寬高達400MHz。FR2信號還可以將多個載波組合在一起,以實現高達800MHz的聚合帶寬。未來規范可能會將這一聚合帶寬提高至超過1GHz。

表1.寬帶5G波形的各種物理層配置

表1.寬帶5G波形的各種物理層配置

所有這些因素都給研究人員和工程師研究對應的新波形帶來了更大難度。他們在創建、發布和生成符合標準上行鏈路和下行鏈路信號方面面臨新挑戰,因為這些信號相比以往具有更多配置、選項和更寬的帶寬。

圖3  5G毫米波上行鏈路和下行鏈路OFDM操作靈活的5G.Numerology圖3  5G毫米波上行鏈路和下行鏈路OFDM操作靈活的5G.Numerology

圖3? 5G毫米波上行鏈路和下行鏈路OFDM操作靈活的5G.Numerology

NI解決方案

為了幫助工程師在驗證設備性能時能更輕松地創建多個5G波形組合,NI開發了NI-RFmx波形發生 器。NI-RFmx波形發生器提供了一個統一的軟件環境,適用于創建和回放符合無線標準的波形,包 括最新的新空口規范,可在NI.PXI儀器上生成波形,或創建未鎖定、未加密的I/Q波形文件,以便在 自動測試序列中進行回放。用戶可選擇CP-OFDM或DFT-S-OFDM方案,并且可配置信道寬度、開 關調制方案并添加I/Q減損。

更詳細測試方案請大家掃描下面的二維碼下載NI編撰的《5G半導體測試工程師指南》。

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挑戰2:更寬的頻率范圍

為了實現5G增強型移動寬帶某些極具挑戰性的關鍵性能指標,即超出20.Gb/s的下行峰值速率以及10,000倍以上的流量,5G標準規定了兩個基本頻率范圍內不同信道帶寬下的寬帶場景。這旨在 復用400.MHz左右至7.125.GHz(FR1)和24.GHz至52.6.GHz.(毫米波FR2)范圍內的許多現有頻段及 一些未獲得許可的新蜂窩頻段。

圖4  5G新空口的頻率范圍

圖4? 5G新空口的頻率范圍

毫米波系統以前是在軍用和航天領域使用,目前尚未有合適的民用毫米波測試系統。由于各種新設備不斷出現及未知的未來需求,開發更有效的驗證平臺對測試工程師而言是一項很大的挑戰。

傳統的5G設備(包括最新的毫米波組件)測試方法需要工程師使用一系列昂貴的大型臺式儀器進行手動測試。工程師很難集成、擴展或優化其儀器來實現自動化設備驗證。工程師亟需經濟高效的測試設備來針對新設備類型配置大量測試平臺,這些測試設備應具備以下特點:高度線性化、在極大的帶寬范圍中,具有緊密的幅度和相位精度;低相位噪音;廣泛的頻率覆蓋范圍,適用于多頻段設備;能夠利用其它無線標準測試是否共存。為了適應快速變化的測試要求,他們需要基于軟件的模塊化測試和測量平臺來覆蓋較寬的頻率范圍。

NI解決方案

利用NI的PXIe-5831毫米波矢量信號收發儀,可以將頻率范圍擴展至毫米波,PXI矢量信號收發儀(VST)結合了RF和基帶矢量信號分析儀,具有1GHz瞬時RF分析帶寬或復雜I/Q 帶寬。VST不僅具備生產測試儀器的快速測量速度和小巧的外形結構,同時也兼具研發級臺式儀 器的靈活性和高性能。

憑借其高帶寬,VST可直接用于5G測試平臺,并適用于各種具有挑戰性的 測試用例,包括載波聚合5G波形的數字預失真以及4G和5G的帶內和帶間共存。此外,得益于PXI 平臺的亞納秒級同步功能,測試臺可輕松增加更多的VST儀器,以支持MIMO配置的實現。低相位 噪音、高線性度和獲得專利的I/Q校準的結合,意味即使在最窄的5G子載波間隔下,VST也可利用 256-QAM等高階調制方案來精準地測量誤差矢量幅度(EVM)。

圖5 基于毫米波VST的5G測試臺,適用于毫米波應用

圖5?基于毫米波VST的5G測試臺,適用于毫米波應用

毫米波VST支持多種頻率,工程師只需使用一臺儀器即可進行IF(5-21.GHz)和射頻(23-44.GHz). 測試,因此也可以在同一系統上靈活地連接許多新型DUT,并測試新技術。每個毫米波VST 均支持集成校準開關,用戶無需大量成本或大幅增加系統復雜性即可輕松擴展端口數量, 而且多個毫米波VST可集成到一個PXI系統中,從而進一步增加了測試臺的功能來測試 MIMO和相控陣列等新技術。

更了解詳細測試方案請大家掃描下面的二維碼下載NI編撰的《5G半導體測試工程師指南》。

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挑戰3:與其他標準/技術兼容性測試

很多地區的5G初始部署采用非獨立組網模式(NSA)模式,在這種模式下UE仍需要依賴LTE網絡進行鏈路控制,并使用5G連接作為高帶寬數據傳輸通道。因此,工程師需要驗證5G新空口(NR)與帶內和鄰帶 LTE的共存性。5G系統將采用帶寬分塊(bandwidth.parts)機制來實現5G和LTE信號的載波共享, 因而工程師需要使用間隔非常小的信號來驗證其設備的性能。

未來的NR規范將納入未授權頻譜的輔助授權接入(LAA)技術,作為聚合輔助信道。這意味著工程師必須測試其設備對特定未授權頻段的影響情況,以確保兩者之間的共存。當UE包含符合各種標準的多個無線電收發器時,工程師必須進一步關注帶內和帶外信號 的濾波和抗擾設計,以確保設備內不同標準的共存。某個標準的諧波、非線性頻譜增生以及各種 雜散會影響5G.NR設備的靈敏度。

圖6 WLAN帶外泄漏導致的5G.NR減敏現象

圖6 WLAN帶外泄漏導致的5G.NR減敏現象

此外,工程師在開發發射/接收系統時還必須考慮TX和RX路徑之間的互易性。例如, 當系統驅動發射功率放大器(PA)完全進入壓縮區時,該PA引入的幅移和相移(AM-AM和AM-PM 相應)以及其他熱效將超過接收器路徑中低噪聲放大器(LNA)所引入的這些效應。還有移相器、可變衰減器和增益控制放大器以及其他器件的容差也可能導致信道之間的相移不均勻,從而影響系統的預期相位相干性。因此對前端模塊(PA和LNA)、雙工器、混頻器和濾波器等RF通信組件進行特性分析將面臨著一系列新的測量挑戰。

隨著市場需求的變化和行業的發展,對多頻段前端模塊(front-end.module,FEM)和PAMiD(帶集成雙工器的功率放大器模塊)進行特性分析和測試也日益困難,這些器件需要能夠快速切換的多信道測試臺以測試不同路徑和頻段組合的性能,有時可能需要并行測量不同的組合。此外,典型的測試還需要在不同的電壓電平不 同的載荷條件有或無DPD情況下。

圖7  包絡測試的系統圖

圖7 ?包絡測試的系統圖

還有,工程師還要面臨來自包絡測試、新型毫米波操設備測試、RF-RF波束成形器測試、IF-RF波束成形器測試、數字控制測試的一系列挑戰,要解決這些挑戰需要一套完整的系統級測試方案。

NI解決方案

NI測試解決方案基于PXI儀器和靈活的測試軟件,使工程師能夠快速配置時間同步且相位相干的 多通道測試系統,以實現自動化RFIC特性分析、驗證和生產測試。

最新的多核處理器可幫助用戶更快速地生成并行測量結果,以應對不斷增加的測試用例。此外, 該解決方案還集成了各種快速的數字預失真算法,使用戶能夠部署和實時執行自定義算法,從 而快速可視化PA性能結果。

更了解詳細測試方案請大家掃描下面的二維碼下載NI編撰的《5G半導體測試工程師指南》。

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挑戰4:大規模MIMO測試

Massive MIMO(大規模天線技術)是5G中提高系統容量和頻譜利用率的關鍵技術。它最早由美國貝爾實驗室研究人員提出,研究發現,當小區的基站天線數目趨于無窮大時,加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負面影響全都可以忽略不計,數據傳輸速率能得到極大提高。

MIMO指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線,使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收,從而改善通信質量。它能充分利用空間資源,通過多個天線實現多發多收,在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下,可以成倍的提高系統信道容量。

圖8   通過波束成形實現空間復用

圖8? ?通過波束成形實現空間復用

在大規模的MIMO系統中,基站天線的數量遠超用戶終端數量。因此,5G標準納入了多用戶 MIMO(MU-MIMO)技術,其中基站向有源天線系統饋送預編碼信號,然后在空間上將多路同步數 據流發送給多個用戶,用戶端的每個接收器均可選擇其所需的數據流。為了實現該空間多路復用,gNB需要將輻射能量通過波束成形技術集中至各個接收器。基于波束成形技術,工程師可以 實現MU-MIMO,以提高gNB容量并減少發射過程中的能量消耗。

隨著5G商業化的逐步實現,目前的趨勢是使用片上天線(AoC)和封 裝天線(AiP)設備來實現毫米波頻率下的波束成形,但這種設備沒有可用的RF測試端口,迫使業界亟需尋找可以使用OTA輻射測試方法來進行設備特性分析的測試系統。

隨著工程師從傳統的RF半導體傳導測試轉向OTA測試方法,他們面臨的挑戰是建立動態OTA測試系統來準確測試RF性能。因此,工程師將DUT放置在電波暗室內受控的RF環境中,與測量系統呈 一定距離和角度,進行OTA特性分析和驗證測試。

此外,工程師還面臨溫度測試挑戰、空間掃描測試挑戰、接收器測試挑戰以及毫米波測試的不確定性挑戰如系統誤差、校準測量誤差、DUT測量誤差等,此外,要減小OTA測量不確定性,還要面臨來自將不確定性來自系統子組件中測量設備、暗室、定位器、測量和基準天線的挑戰,面對這些挑戰必須用系統性的軟硬件方案來應對。

NI解決方案

對于需要進行RF-RF或IF-RF OTA性能分析或AiP器件或天線模塊設計驗證的毫米波半導體工程師而言,NI毫米波OTA參考設計使其能夠準確測量DUT在所有傳輸方向上的完整輻射場。

圖9 NI毫米波OTA參考解決方案簡圖

圖9?NI毫米波OTA參考解決方案簡圖

與通過軟件來指示DUT定位器在空間采樣網格上的每個點進行加速、停止和測量的測量系統不同,NI系統提供了亞納秒定時和觸發功能,可顯著縮短測試時間。NI OTA參考解決方案實現了基于硬件的實時運動控制系統,可以更加快速地驅動DUT定位器,更加迅速地掃描空間網格,同時觸發5G RF快速測量。

更了解詳細測試方案請大家掃描下面的二維碼下載NI編撰的《5G半導體測試工程師指南》。

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挑戰5:5G量產測試

隨著5G大規模商用,市場對5G產品的需求會指數級增大,這就要求5G終端產品測試要大大縮短,以提高產量以及降低資本和運營費用。

目前傳統上采用OTA測試設備的方法,但談到OTA測試解決方案,就要說RF暗室,好的RF暗室可提供安靜的RF環境,確保設計滿足所有性能和法規要求,并具有足夠的裕量和可重復性。不過對于量產產品來說,微波暗室會占用大量的生產空間,并增加資本支出。

為了解決這些問題,市場上出現了具有OTA功能的IC測試插座(帶有集成天線的小型RF外殼), 從而將半導體OTA測試功能小型化,不過,小型測試插座存在反射問題,另外,采用小型RF外殼也帶來新的測試挑戰。如在28GHz 時,DUT和天線之間即便僅僅是10cm的距離也會導致自由空間路徑損耗超過30dB(包括發射和接收 天線的增益),而如果使用同等長度的同軸電纜,損耗僅為1dB左右。

還有一種OTA測試方法是生產測試系統采用更長的RF機箱,DUT會使用整個天線陣列啟用波束成形功能,并在關鍵波束成形方向上尋找聚合RF性能。這里的測試挑戰在于識別芯片和封裝基板之間的連接是否斷開或很弱,同時還要測量封裝內天線的質量。

NI解決方案

NI用于特性分析和驗證任務的模塊化測試平臺可完全滿足生產車間的測試需求,它與最新的5G NR PHY層要求保持同步,包含了構建多通道測試系統所需的測量科技和瞬時帶寬,這些基于PXI的測試系統可以使用PXle-5840 VST測量FR1頻段的5GNR寬分量載波或載波聚合信號,也可以使用毫米波VST對FR2頻段進行測量。

圖10 基于半導體測試系統的毫米波生產解決方案

圖10?基于半導體測試系統的毫米波生產解決方案

該解決方案結合了數十個雙向RF端口,可直接用于5G測試,并與高端臺式儀器的寬帶性能相匹配,同時每分鐘可以測試更多設備。NI將所有這些功能集成到單平臺測試解決方案中,不僅可直接用于量產環境,而且還能夠以經濟高效的方式快速、可靠地進行5G測試,同時最大限度地降低費用和占地面積要求,從而讓投資回報最大化。

更了解詳細測試方案請大家掃描下面的二維碼下載NI編撰的《5G半導體測試工程師指南》。

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總結

NI是全球最早介入5G研究的企業之一,NI的測試設備確保了5G系統的研發和規模量產,早在2016年,諾基亞就與NI合作,共同研究毫米波頻譜下的移動接 入技術,為下一代無線通信奠定了集成。在那次合作中,NI和諾基亞網絡公司聯合開發了傳輸 、速率超過10.Gb/s的毫米波通信鏈路,這是迄今為止公開展示的最快速的移動接入無線系統。

全球眾多5G企業與科研機構都在與NI合作,推進5G的商用,基于5G測試方面的積累,NI編撰了5G半導體測試工程師指南》白皮書,這本白皮書介紹了寬帶5G應用在半導體器件測試方面所面臨的新挑戰以及詳細的應對措施,工程師盆友只要掃一掃二維碼即可輕松下載該白皮書!

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注:本文為原創文章,轉載請注明作者及來源

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