一、什么是5G

隨著移動通信系統帶寬和能力的增加，面向個人和行業(yè)的移動應用快速發(fā)展。移動互聯網和物聯網的快速發(fā)展，成為5G的主要驅動力。中國IMT-2020 (5G) 推進組對5G網絡的性能要求和效率需求通過一株綻放的鮮花來進行定義，其中花瓣代表5G的六大性能指標，體現了5G滿足未來多樣化業(yè)務與場景需求的能力，花瓣頂點代表了相應指標的最大值；綠葉代表效率指標，是5G可持續(xù)發(fā)展的基本保障。

5G性能和效率需求

可見5G系統同之前的通信系統相比，從傳輸速率，網絡容量，穩(wěn)定性，移動性等都有了很大的提高，同時對成本和能效等指標也提出了新的需求。

二、Channel sounding方案原理

傳統的民用移動通信頻段都集中在6 GHz以下，但是對于5G系統，毫米波已經是業(yè)內認可的一項關鍵技術，也就是說5G系統的頻段很有可能在6 GHz到100 GHz 或者更高的頻率。但是對于毫米波頻段的信道特性（比如路徑損耗，時間選擇性衰落，遮擋和反射的影響等等）了解甚少，所以為了更好的選擇適合5G系統的頻段，研究機構需要對毫米波頻段的信道特性進行深入的研究，同時由于5G系統會是高帶寬系統，寬帶信道特性也是研究的重要方向。

常見的信道探測方法主要由如下兩種：

(一) 使用矢量網絡分析儀進行探測，該方法的優(yōu)點是可以測試各種頻段完整的信道響應特性，但是也存在著只能測試時不變多徑信道，以及外場測試受限于收發(fā)同臺儀表等缺點；

(二) 直接信道沖擊響應方法測量，該方法主要是通過PN序列相關來進行信道探測，但是傳統的發(fā)射設備由于硬件的原因受限于帶寬，很難產生高帶寬的PN序列。

提出的信道探測解決方案也是使用PN序列相關方法來進行，但是由于矢量信號發(fā)生器SMW200A最大可實現2 GHz帶寬信號的產生，所以可以從根本上克服以前直接信道沖擊響應方法帶寬受限的缺點。同時，該信號發(fā)生器單臺儀表可以產生40 GHz的頻率的信號，如果配合響應外部混頻模塊，可以產生100 GHz頻率的信號。在接收端，矢量信號分析儀FSW最高頻率可達到85 GHz，同樣配合混頻模塊可以實現高達100 GHz信號的接收和分析，FSW自身的分析帶寬為1.2 GHz，配合RTO可以實現2 GHz帶寬信號的分析。下圖為針對Channel Sounding的基本測試環(huán)境，如果在發(fā)射端和接收端分別配置天線，即可實現外場測試：

Channel Sounding測試方案

三、Channel sounding方案優(yōu)勢

在Channel Sounding測試過程中，通常存在最關鍵的兩個問題來限制測試的有效性：(一) 測試系統的靈敏度，該指標決定著可以外場探測信道的距離；(二) 發(fā)射端和接收端設備的同步，該項決定了測試系統使用的方便性和可行性。Channel Sounding方案很好的解決了這兩個問題，可以輕松的完成5G系統Chanel Sounding測試，分別介紹如下：

1、系統靈敏度

Channel Sounding系統的靈敏度由兩部分組成，一是發(fā)射端的最大輸出功率，另一個是接收端的最小靈敏度。矢量信號發(fā)生器SMW200A最大可以產生17 dBm的信號 (手冊指標，可以標量)。接下來，我們計算接收機FSW的靈敏度，以熱噪聲為-174 dBm/Hz計算，當信號帶寬有100MHz時，相關PN序列的增益為80 dB，同時FSW接收機的噪聲系數典型值為10 dB，也就是說FSW接收機的極限靈敏度為-84 dBm。那么在Channel Sounding系統中，發(fā)射端和接收端都會配置天線，以兩個天線的增益為30 dB舉例，同時加上FSW本身預放增益30 dB，可見整個系統的接收靈敏度為-144 dBm，如果在除掉兩根10 m線纜的損耗，那么系統的靈敏度也有-124 dBm/100 MHz。由此我們可以推算出Channel Sounding系統，在100 MHz帶寬情況下，可以測量信道的衰減為17 dBm- (-124 dBm) = 141 dB。根據自由空間衰減公式，當信號頻率為60 GHz時，距離1000m，信號的衰減大致為128 dB，所以該方案靈敏度可以滿足客戶的需求。

2、系統同步

由于Channel Sounding系統的發(fā)射機和接收機是位于不同位置的兩臺儀表，所以很多廠家的方案是需要兩臺儀表進行頻率同步的，這樣可以提高測試的精度，但是同時會帶來測試的復雜性和難實施，很多外場環(huán)境下，是無法實現兩臺儀表同步的。該方案不需要發(fā)射機和接收機的頻率同步，可以在很大程度上提高系統的使用靈活性。具體分析如下，Channel Sounding系統的頻率誤差由發(fā)射機和接收機兩部分組成，兩者相差不多，我們可以認為系統的頻率誤差約為2倍的Δf，如下表所示不同頻率誤差在不同的載波頻率所帶來的誤差分別為：

SMW和FSW參考時鐘誤差可以達到10^-9，所以當測試頻率為67 GHz時，系統的頻率誤差約為2*134 Hz = 268Hz，以測試100 MHz帶寬信號為例，在接收端的采樣率至少為200 MHz (大于2倍帶寬)，那么268 Hz的頻率偏移，相對于200 MHz的采樣率，才會帶來1.34*10-6的影響，不會影響測試結果精度。

如果系統需要測試絕對時延，可以外接觸發(fā)信號：

絕對時延測試

四、Channel Sounding系統組成

Channel Sounding系統主要由矢量信號產生系統，矢量信號分析系統和控制軟件三部分組成，針對不同頻段的信道探測所需的儀表配置有所不同，下面分頻段介紹Channel Sounding 系統組成。

1、40 GHz (含40 GHz) 頻段以下

40 GHz以下頻段的Channel Sounding系統主要由矢量信號發(fā)生器SMW200A (100 KHz~40 GHz)、矢量信號分析儀FSW43 (2 Hz~43.5 GHz) 以及Channel Sounding測試控制軟件組成。SMW200A本機的信號帶寬為2 GHz，FSW本機的分析帶寬為1.2 GHz，配合外部RTO可以實現2 GHz信號分析，結構示意圖如下：

40 GHz以下Channel Sounding系統組成

該系統通過SMW200A發(fā)射偽隨機序列，長度客戶可以自定義，帶寬最大為2 GHz，AD精度為16 bit，最大發(fā)射功率為18 dBm，接收機靈敏度可達到-124 dBm/100 MHz (具體見第四章描述)。發(fā)射機和接收機之間不需要時鐘同步。

提供全自動測試軟件完成相應的操作，系統全部采用自動方式，用戶只需簡單設置，點擊運行即可，增加用戶的工作效率，減輕用戶的工作量。同時，系統軟件可以提供圖形化顯示。全自動測試軟件還具有記錄基本信息、歷史記錄和自動生成報告等功能。目前 Channel Sounding測試軟件只能分析靜態(tài)衰落信道各個徑的時延和衰減。

2、40 GHz ~85 GHz

由于SMW200A最高頻率為40 GHz，如果要產生45 GHz的信號進Channel Sounding，那么需要外接混頻器使SMW200A產生高于40 GHz信號。同時，FSW85單臺儀表即可實現85 GHz以下信號的分析。所以相比40 GHz系統，差別就是在信號產生端加入一個混頻設備即可。示意圖如下：

40 GHz~85 GHz信號產生

五、測試配置方案

1、R&S羅德與施瓦茨 SMW200A 矢量信號發(fā)生器

主要特點：

- 頻率最高達 67 GHz（雙通道：最高 44 GHz）

- 2 GHz 調制帶寬

- 集成式衰落，最高 800 MHz 帶寬和 8x8MIMO

- 符合所有主要數字通信標準的信號生成

- 高級 GNSS 和雷達模擬器

性能和功能要求因測試裝置和應用而異。R&S SMW200A 能夠非常出色地滿足各種要求，樹立了信號發(fā)生器。R&S SMW200A 性能優(yōu)異，能夠在組件、模塊和完整基站等各類被測設備的開發(fā)和驗證應用中輕松生成合適的測試信號。R&S SMW200A 采用靈活的模塊化設計，能夠根據應用需求裝配合適的選件。儀器支持所有配置，包括經典的單通道矢量信號發(fā)生器和多通道 MIMO 接收機測試儀。

2、R&S羅德與施瓦茨 SMA100B 射頻和微波信號發(fā)生器

主要特點：

- 性能頻率范圍：8 kHz 至 3、6、12.75、20、31.8、40、50 和 67 GHz（在過范圍模式下最高達 72 GHz）

- 10 GHz、10 kHz 偏移時，SSB 相位噪聲為 –132 dBc（典型值）

- 10 GHz、30 MHz 偏移時，寬帶噪聲為 –162 dBc（測量值）

- 在寬頻率范圍內最大輸出功率超過 30 dBm

- 極低的諧波

射頻和微波信號發(fā)生器提供性能。在維持最高輸出功率和諧波的同時提供純凈的輸出信號，優(yōu)于同類產品。作為全球頭等的信號發(fā)生器，它可以完成射頻半導體、無線通信、航空航天和國防領域苛刻的模塊和系統測試與測量任務。

3、R&S羅德與施瓦茨 FSW 信號與頻譜分析儀

主要特點：

- 8.3 GHz 內部分析帶寬

- 800 MHz 實時分析帶寬

- SCPI 記錄器簡化代碼生成

- 具備相位噪聲和靈敏度

- 高動態(tài)范圍實現出色的 EVM 性能

FSW 高性能信號與頻譜分析儀重新定義了精度，在日常工作中提供出色的分析結果。這款功能強大的分析儀具備相位噪聲性能，能夠提供可靠的測量結果，非常適合從復雜的通信系統到射頻器件的廣泛應用。無論是開發(fā)高性能雷達還是表征寬帶器件，FSW 都能提供內部分析帶寬和準確度，樹立了信號分析。每天您都可以放心地使用 FSW 來完成高難度任務。

4、R&S羅德與施瓦茨 RTO6 示波器

主要特點：

- 最大 6 GHz 帶寬

- 每秒一百萬波形

- 9.4 ENOB，確保非凡的信號完整性

- 最大 2 Gpoints 存儲深度

- 獨樹一幟的頻率區(qū)域觸發(fā)

RTO6 示波器實驗室設備專用于提供可靠結果，能夠快速解決測量問題，幫助您按時完成任務。RTO6 示波器系列利用工程師的專業(yè)技能，能夠隨時根據需要為您提供深度見解，讓您的測量值得信賴。

RTO6 示波器系列提供出色信號，助您了解應用情況。這款全集成式測試解決方案兼具 15.6" 大觸摸屏、全新圖形用戶界面、波形捕獲率、信號保真度、數字觸發(fā)和快速響應的深存儲，可用于頻率、協議和邏輯分析。RTO6 示波器系列具有豐富的測量工具和新型用戶界面，能夠快速解決各種簡單或復雜的電路問題。