利用不同訊號路徑實現精確5G毫米波測量
2021-11-25
作者
Dylan McGrath，EEWeb
本文探討毫米波頻率帶來的一些技術挑戰，以及這些挑戰對精確、可重複的測量造成的困難；還提出一些策略建議，利用不同的訊號路徑設置來提高訊號分析儀的測量精準度。
與其前代無線通訊技術相比，5G擁有巨大的潛力可望實現顯著改進，尤其是在速度、延遲、頻寬和品質方面，其主要的進步均來自對毫米波(mmWave)頻譜中5G FR2的充分利用。
毫米波頻譜對無線通訊極具吸引力，因為這些頻段的利用率還相對較低，這意味著有足夠的頻寬空間可供開發。相比其他無線通訊訊號，毫米波傳輸訊號波長較短，因此非常適合在擁擠的城市地區進行高速傳輸，因為這些區域的設備密度都很高。
然而，毫米波在5G通訊方面的優勢卻因一些技術難點而大打折扣。首先，毫米波不能傳播得很遠。毫米波訊號很容易被大氣吸收，並且無法穿透樹木、建築物牆壁和其他基礎設施。利用空中更新(OTA)測試設備和相應方法精確測量毫米波設備的性能也很困難。5G通訊另一個極具吸引力的特性是毫米波的寬頻寬，還會降低訊噪比(SNR)，因為其訊號能量會擴散至整個頻寬。最後，毫米波採用高階調變方案來提升頻譜效率，這反過來又要求改進誤差向量幅度(EVM)的性能。
圖1：訊號分析儀功能框架圖。
隨著訊號強度的降低，用於測量它的測試系統雜訊也會降低SNR，從而對最終結果產生影響。因此，我們通常採用訊號分析儀來應對多種類型的測試應用，包括高功率和低功率模式、窄頻和寬頻訊號模式、頻譜或向量模式。然而，這種多功能性將許多可能的元件導入了訊號路徑，如低雜訊放大器(LNA)、前置放大器、衰減器、預選濾波器等，應用或調整其中一些元件可以提高不同測試場景中的測量精準度。
本文探討毫米波頻率帶來的一些技術挑戰，以及這些挑戰對進行精確、可重複的測量造成的困難。本文還提出一些策略建議，透過利用不同的訊號路徑設置來提高訊號分析儀的測量精準度。
路徑損耗(Path loss)
路徑損耗過大是5G毫米波通訊最令人頭痛和常被詬病的缺點之一。待測物(DUT)和測量設備之間的路徑損耗會降低SNR，導致無法對EVM、相鄰通道功率和雜散發射等指標進行精確測量。
讓測試工作更複雜的是，元件和天線陣列的小尺寸排除了放置探頭進行測試的可能性，因此必須採用OTA (或輻射)測試。考慮到毫米波傳輸過多的訊號路徑損耗，OTA測試需要對測試裝置周圍的輻射環境進行控制和校準。
抵消訊號路徑損耗需要靈活的訊號分析儀硬體和軟體，以便為特定訊號和測量創建最佳的解決方案。例如，訊號分析儀可以在較高功率電平應用衰減器，或在較低功率電平應用前置放大器，以測量各種輸入訊號。訊號分析儀能夠提供多條射頻(RF)訊號路徑以降低雜訊、提高靈敏度並減少訊號路徑損耗。
測量低電平訊號(預設訊號路徑)
預設情況下，訊號分析儀的標準訊號路徑為：輸入訊號通過RF衰減器、前置放大器和預選器，最後到達混頻器，這種訊號路徑非常適合測量頻寬小於45MHz的低電平訊號。
分析寬頻向量訊號(微波預選器旁路路徑)
毫米波寬頻訊號的測量尤其具有挑戰性。在增加RF分析頻寬以分析寬頻向量訊號時，繞過訊號分析儀的預選器是一個不錯的選擇，這樣寬頻訊號可以不受阻礙地通過RF鏈。繞過預選器不僅可以實現寬頻分析，而且還可以消除幅度漂移和預選器的通帶波紋，進一步提高測量的整體精準度。
圖2：微波預選器旁路。
改善調變分析(低雜訊訊號路徑)
低雜訊訊號路徑非常適合進行EVM測量，以及其他在更高功率電平下測試發射機調變品質的測量。由於放大器的增益、頻率響應和插入損耗會在較高頻率下複合，繞過前置放大器及其路徑中的有損開關可以實現最佳的RF訊號路徑。這條路徑減少了路徑損耗，以及前置放大器和開關產生的頻率回應和雜訊，在寬頻EVM測量中選擇這種訊號路徑，可以實現更高頻率下的測量，同時提高測量靈敏度和訊號保真度。
寬頻調變分析(全旁路訊號路徑)
全旁路訊號路徑可降低路徑損耗、提高訊號保真度並提高測量靈敏度。與預設訊號路徑相比，全旁路訊號路徑最多可將毫米波頻率的損耗降低10dB。
全旁路訊號路徑是低雜訊訊號路徑和微波預選器旁路路徑的結合，它避開了低頻段開關電路和微波預選器中的多個開關。不過，儘管採用全旁路路徑的優勢很明顯，但它也有一些缺點，比如可能產生頻段內成像，或降低測試低功率訊號時的SNR。不過，透過添加一個帶通濾波器來消除特定頻段中的影像可以將EVM結果提高1~2dB。在測試低功率訊號時，外部前置放大器則可以提高SNR。
其他考量
影響5G毫米波測量精準度的另一個關鍵因素是輸入混頻器的電平。訊號分析儀的輸入混頻器電平設置可以實現失真性能和雜訊靈敏度之間的平衡，如上所述，由於寬頻雜訊和過多的路徑損耗，5G毫米波訊號中的SNR會降低，從而導致EVM和相鄰通道功率比測量結果不佳，無法表現DUT的實際性能。
訊號分析儀的輸入混頻器是另一種協助應對5G毫米波頻率測量挑戰的工具。最佳的混頻器電平設置取決於測量硬體、輸入訊號特性和規格測試要求，也可以將外部LNA應用到訊號分析儀的前端，以最佳化混頻器的輸入電平。一些新型訊號分析儀(例如是德科技的N9042B UXA X系列訊號分析儀)在訊號路徑中包含了LNA，以及前置放大器，使用者無需外部元件即可獲得利用LNA最佳化混頻器輸入電平的好處。
為了獲得最佳EVM測量結果，訊號分析儀的中頻(IF)雜訊必須夠低，以免進一步降低SNR。數位化儀的輸入訊號必須夠高，但又不能太高，以免數位化儀超載。最佳的平衡就如微妙的舞蹈，需要結合RF衰減器、前置放大器和基於訊號峰值電平的IF增益值來決定。而採用新型訊號分析儀，使用者只需按一個按鈕即可最佳化這些硬體設置，提高SNR，同時避免數位化儀超載。不過，為了最佳化測量結果，通常還需要手動調整IF增益和 RF衰減器等設置以獲得最佳配置。
訊號路徑中的元件
實現精確的5G毫米波測量還需要考慮另一個關鍵因素，即在訊號分析儀和DUT之間的路徑上所有元件可能產生的影響，訊號路徑中的元件會降低訊號分析儀的整體測量精準度。
圖3：所有的測試網路元素都需要納入考量。
隨著頻寬變得更寬並且頻率提高到毫米波頻譜中，測量精準度變得更加重要。在容錯裕度變小的條件下，工程師們需要找出方法來消除頻率回應誤差。頻率回應誤差常發生在不同頻率之下，並影響相位和幅度回應，訊號分析儀通常會提供內部校準程式來校正其頻率回應。
由於頻率回應誤差，訊號分析儀和DUT之間訊號路徑中的電纜、連接器、開關和夾具都會降低測量的精準度。使用不同的幅度校正配置和複雜的校正將有助於消除頻率回應，從而更準確地體現DUT的性能。
訊號分析儀能夠同時配置幅度校正和複雜的校正，以修正頻率回應(儘管還需要高性能訊號產生器或向量網路分析儀來校準測試網路)。進行幅度校正的有效方法是使用訊號產生器並結合功率計和感測器來測量幅度，然後將校正值輸入訊號分析儀。
專為訊號分析儀接收機測量系統而設計的新型接收機校準儀(例如是德科技的U9361 RCal)提供了一種傳輸標準，可以改善絕對幅度並實現複雜的幅度與相位校正。
圖4：頻率擴展器連接到接收機校準儀。
在毫米波頻段實現5G精確測量
5G的前景(尤其是5G毫米波FR2頻段)毋庸置疑，它實現了速度、頻寬和性能的階梯式提升，並將最終帶來全新的用例和業務模型。但毫米波頻率應用也面臨一些障礙，尤其是在路徑損耗方面，這使得進行精確、可重複的測量變得極具挑戰性。瞭解並利用訊號分析儀上的各種RF訊號路徑選擇，將協助你攻克測量5G毫米波時面臨的挑戰。
(參考原文：Using Different Signal Paths to Make Accurate 5G mmWave Measurements，by Dylan McGrath)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年11月號
