時至今日,6GHz以下頻段已過於擁擠、複雜,而且可用頻譜非常有限。相較之下,釐米波(centimetre wave;CMW)和毫米波(millimeter wave;MMW)頻段可提供更大的連續頻寬,相當適合要求高資料傳輸速率的5G應用。有鑑於此,電信監管機構正逐步開放更多頻譜。

舉例來說,2016年7月,美國聯邦通訊委員會(FCC)通過新的法令,將11GHz的高頻段頻譜分配給無線寬頻服務,以促進下一代5G技術和服務的快速開發與部署,其中包括3.85GHz的授權頻譜和7GHz的免授權頻譜,這些被其定義為可用於超高微波彈性應用服務(Upper Microwave Flexible Use)的頻譜,具體分佈在28GHz(27.5-28.35GHz)、37GHz(37-38.6GHz)、39GHz(38.6-40GHz),以及一個64至71GHz的全新免授權頻段。

授權頻譜共享已成趨勢,這一點從FCC新頒佈的法令可見一斑。例如28GHz這個授權頻段,目前由固定衛星服務(FSS)的地球對太空通訊應用所使用。

衛星通訊和5G應用如採共享方式使用頻譜,將面臨兩者共存可能產生的干擾問題。深入調查5G候選波形與衛星波形間潛在的共存問題,即將成為越來越重要的研究領域。靈活的測試平台讓工程師能在實際進行現場測試和部署硬體系統之前,先在研發實驗室環境中探索各種不同的訊號共存情境。

本文探討的測試平台可用於研究未來5G和衛星通訊共存於28GHz頻段的應用情境。利用模擬軟體,再搭配寬頻的高頻測試設備,即可靈活地產生測試訊號。本文並提供案例研究,探討多種不同測試情境下的5G候選波形和衛星波形,並評估兩者在28GHz頻段中共存的情形。此外,這個測試平台具備高系統擴充性,還可廣泛用於sub-6GHz共存案例研究和毫米波應用。

共存性測試平台

圖1顯示用於28GHz案例研究的測試平台。如欲產生多種寬頻28GHz衛星訊號和5G候選測試訊號,則需使用一台配備寬頻I/Q輸入的PSG向量訊號產生器,以及一台精密型寬頻任意波形產生器(AWG)。首先利用AWG產生I/Q訊號,並搭配使用PSG向量訊號產生器,在接近28GHz的載波頻率上進行調變。AWG與PSG向量訊號產生器的完美組合,可產生頻率高達44GHz、調變頻寬高達2GHz的測試訊號。測試訊號可透過具有1GHz頻寬的50GHz訊號分析儀或33GHz示波器進行分析。

20170516_Keysight_TA31P1 圖1:28GHz共存案例分析使用的測試平台

設計模擬軟體已安裝於AWG的嵌入式控制器中。工程師可使用此軟體產生接下來要檢驗的共存情境。

28GHz共存案例研究

在這個共存情境中,我們以寬頻振幅和相移鍵控(APSK)波形作為範例衛星波形。APSK模擬訊號源如圖2左上方所示。我們並使用客製的寬頻正交分頻多工(OFDM)波形作為5G候選波形,如圖2左下方所示。圖2的設計模擬電路圖可用來產生28GHz共存訊號情境。

無論是哪一個模擬訊號源,均提供許多可設定的參數,以供使用者配置波形特性。本文雖選擇使用上述兩種波形來說明共存情境的概念,但使用者可依據實際的應用情境,選擇其他合適的波形。

20170516_Keysight_TA31P2 圖2:模擬電路圖用於產生及下載28GHz共存測試訊號

我們透過設計模擬軟體的訊號組合元件進行重新取樣,並將衛星波形和5G候選波形結合在一起。該元件可組合多個中心頻率、頻寬,和取樣率各不相同的輸入波形,以產生單一複合輸出波形。將此波形載入測試設備後即可產生共存測試訊號。

這需要用到模擬電路圖右側所示的AWG下載元件。模擬完畢後,複雜的I/Q複合波形可自動載入AWG。AWG的I/Q輸出埠將連接到PSG向量訊號產生器背板的寬頻IQ輸入埠,並在接近28GHz的載波頻率上進行調變。

所產生的測試訊號如圖3所示。頻譜畫面左邊的是客製OFDM波形,右邊則是APSK衛星訊號。在此測試情境中,中心頻率和頻寬皆已經過適當調整,讓這兩個訊號之間具有足夠的保護頻段。

20170516_Keysight_TA31P3 圖3:候選5G波形和衛星波形達到良好的共存

此共存情境以測試設備搭載的向量訊號分析儀軟體來解調客製的OFDM波形。OFDM星座圖看起來相當乾淨,說明這兩種波形在此情境中能夠達到良好的共存。

接著變更兩個訊號之間的頻率間隔,以修改訊號情境。圖4所示的衛星訊號已干擾到OFDM波形,顯示這兩個訊號之間的保護頻段不足。

20170516_Keysight_TA31P4 圖4:候選5G波形和衛星波形之間的共存性不佳

透過向量訊號分析儀(VSA)量測進行觀察,就能知道這種情境對於共存效能的影響。星座圖呈現顯著頻散,這是受到衛星訊號干擾的結果。藉由量測誤差向量幅度(EVM)與次載波的關係,可進一步觀察受干擾的程度,如圖5所示。

20170516_Keysight_TA31P5 圖5:藉由觀察EVM與次載波的關係,可深入分析干擾

左圖VSA畫面右上角,是EVM對次載波的關係圖,圖中可見衛星訊號的影響,靠近次載波的上頻段訊號緣尤為明顯。EVM的量測結果顯示於左圖VSA畫面右下角,圖中可看出EVM相當高,表示在此情境中,候選的客製5G OFDM波形與衛星波形的共存性不佳。EVM數值為整體擷取時間和訊號頻寬的平均值,VSA軟體還可提供誤差相對於頻率(或次載波),或誤差相對於時間(或符號)的擷取細節。

右圖的VSA畫面將X軸放大,以觀察受到衛星干擾影響的次載波。白色軌跡是EVM對次載波的平均值。此數值在上頻段訊號緣明顯增加,表示候選的5G OFDM訊號正受衛星訊號干擾。藍色和綠色垂直線表示EVM結果相對於每個次載波和符號的分佈。

隨著5G與頻譜管理政策持續發展,頻譜共存逐漸成為未來一大重要課題。本文探討一個靈活的測試平台,可用於研究各種訊號情境的潛在共存問題。雖然上述情境中,模擬軟體皆與寬頻測試設備搭配使用,但是這些情境亦可單獨模擬來進行評估(例如,模擬共存影響下的誤碼率)。這個測試平台也可用來產生39GHz頻段的共存訊號情境。