罗德与施瓦茨 5G Channel Sounding测试平台

一、什么是5G

随着移动通信系统带宽和能力的增加，面向个人和行业的移动应用快速发展。移动互联网和物联网的快速发展，成为5G的主要驱动力。中国IMT-2020 (5G) 推进组对5G网络的性能要求和效率需求通过一株绽放的鲜花来进行定义，其中花瓣代表5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力，花瓣顶点代表了相应指标的最大值；绿叶代表效率指标，是5G可持续发展的基本保障。

5G性能和效率需求

可见5G系统同之前的通信系统相比，从传输速率，网络容量，稳定性，移动性等都有了很大的提高，同时对成本和能效等指标也提出了新的需求。

二、Channel sounding方案原理

传统的民用移动通信频段都集中在6 GHz以下，但是对于5G系统，毫米波已经是业内认可的一项关键技术，也就是说5G系统的频段很有可能在6 GHz到100 GHz 或者更高的频率。但是对于毫米波频段的信道特性（比如路径损耗，时间选择性衰落，遮挡和反射的影响等等）了解甚少，所以为了更好的选择适合5G系统的频段，研究机构需要对毫米波频段的信道特性进行深入的研究，同时由于5G系统会是高带宽系统，宽带信道特性也是研究的重要方向。

常见的信道探测方法主要由如下两种：

(一) 使用矢量网络分析仪进行探测，该方法的优点是可以测试各种频段完整的信道响应特性，但是也存在着只能测试时不变多径信道，以及外场测试受限于收发同台仪表等缺点；

(二) 直接信道冲击响应方法测量，该方法主要是通过PN序列相关来进行信道探测，但是传统的发射设备由于硬件的原因受限于带宽，很难产生高带宽的PN序列。

提出的信道探测解决方案也是使用PN序列相关方法来进行，但是由于矢量信号发生器SMW200A最大可实现2 GHz带宽信号的产生，所以可以从根本上克服以前直接信道冲击响应方法带宽受限的缺点。同时，该信号发生器单台仪表可以产生40 GHz的频率的信号，如果配合响应外部混频模块，可以产生100 GHz频率的信号。在接收端，矢量信号分析仪FSW最高频率可达到85 GHz，同样配合混频模块可以实现高达100 GHz信号的接收和分析，FSW自身的分析带宽为1.2 GHz，配合RTO可以实现2 GHz带宽信号的分析。下图为针对Channel Sounding的基本测试环境，如果在发射端和接收端分别配置天线，即可实现外场测试：

Channel Sounding测试方案

三、Channel sounding方案优势

在Channel Sounding测试过程中，通常存在最关键的两个问题来限制测试的有效性：(一) 测试系统的灵敏度，该指标决定着可以外场探测信道的距离；(二) 发射端和接收端设备的同步，该项决定了测试系统使用的方便性和可行性。Channel Sounding方案很好的解决了这两个问题，可以轻松的完成5G系统Chanel Sounding测试，分别介绍如下：

1、系统灵敏度

Channel Sounding系统的灵敏度由两部分组成，一是发射端的最大输出功率，另一个是接收端的最小灵敏度。矢量信号发生器SMW200A最大可以产生17 dBm的信号 (手册指标，可以标量)。接下来，我们计算接收机FSW的灵敏度，以热噪声为-174 dBm/Hz计算，当信号带宽有100MHz时，相关PN序列的增益为80 dB，同时FSW接收机的噪声系数典型值为10 dB，也就是说FSW接收机的极限灵敏度为-84 dBm。那么在Channel Sounding系统中，发射端和接收端都会配置天线，以两个天线的增益为30 dB举例，同时加上FSW本身预放增益30 dB，可见整个系统的接收灵敏度为-144 dBm，如果在除掉两根10 m线缆的损耗，那么系统的灵敏度也有-124 dBm/100 MHz。由此我们可以推算出Channel Sounding系统，在100 MHz带宽情况下，可以测量信道的衰减为17 dBm- (-124 dBm) = 141 dB。根据自由空间衰减公式，当信号频率为60 GHz时，距离1000m，信号的衰减大致为128 dB，所以该方案灵敏度可以满足客户的需求。

2、系统同步

由于Channel Sounding系统的发射机和接收机是位于不同位置的两台仪表，所以很多厂家的方案是需要两台仪表进行频率同步的，这样可以提高测试的精度，但是同时会带来测试的复杂性和难实施，很多外场环境下，是无法实现两台仪表同步的。该方案不需要发射机和接收机的频率同步，可以在很大程度上提高系统的使用灵活性。具体分析如下，Channel Sounding系统的频率误差由发射机和接收机两部分组成，两者相差不多，我们可以认为系统的频率误差约为2倍的Δf，如下表所示不同频率误差在不同的载波频率所带来的误差分别为：

SMW和FSW参考时钟误差可以达到10^-9，所以当测试频率为67 GHz时，系统的频率误差约为2*134 Hz = 268Hz，以测试100 MHz带宽信号为例，在接收端的采样率至少为200 MHz (大于2倍带宽)，那么268 Hz的频率偏移，相对于200 MHz的采样率，才会带来1.34*10-6的影响，不会影响测试结果精度。

如果系统需要测试绝对时延，可以外接触发信号：

绝对时延测试

四、Channel Sounding系统组成

Channel Sounding系统主要由矢量信号产生系统，矢量信号分析系统和控制软件三部分组成，针对不同频段的信道探测所需的仪表配置有所不同，下面分频段介绍Channel Sounding 系统组成。

1、40 GHz (含40 GHz) 频段以下

40 GHz以下频段的Channel Sounding系统主要由矢量信号发生器SMW200A (100 KHz~40 GHz)、矢量信号分析仪FSW43 (2 Hz~43.5 GHz) 以及Channel Sounding测试控制软件组成。SMW200A本机的信号带宽为2 GHz，FSW本机的分析带宽为1.2 GHz，配合外部RTO可以实现2 GHz信号分析，结构示意图如下：

40 GHz以下Channel Sounding系统组成

该系统通过SMW200A发射伪随机序列，长度客户可以自定义，带宽最大为2 GHz，AD精度为16 bit，最大发射功率为18 dBm，接收机灵敏度可达到-124 dBm/100 MHz (具体见第四章描述)。发射机和接收机之间不需要时钟同步。

提供全自动测试软件完成相应的操作，系统全部采用自动方式，用户只需简单设置，点击运行即可，增加用户的工作效率，减轻用户的工作量。同时，系统软件可以提供图形化显示。全自动测试软件还具有记录基本信息、历史记录和自动生成报告等功能。目前 Channel Sounding测试软件只能分析静态衰落信道各个径的时延和衰减。

2、40 GHz ~85 GHz

由于SMW200A最高频率为40 GHz，如果要产生45 GHz的信号进Channel Sounding，那么需要外接混频器使SMW200A产生高于40 GHz信号。同时，FSW85单台仪表即可实现85 GHz以下信号的分析。所以相比40 GHz系统，差别就是在信号产生端加入一个混频设备即可。示意图如下：

40 GHz~85 GHz信号产生

五、测试配置方案

1、R&S罗德与施瓦茨 SMW200A 矢量信号发生器

主要特点：

- 频率最高达 67 GHz（双通道：最高 44 GHz）

- 2 GHz 调制带宽

- 集成式衰落，最高 800 MHz 带宽和 8x8MIMO

- 符合所有主要数字通信标准的信号生成

- 高级 GNSS 和雷达模拟器

性能和功能要求因测试装置和应用而异。R&S SMW200A 能够非常出色地满足各种要求，树立了信号发生器。R&S SMW200A 性能优异，能够在组件、模块和完整基站等各类被测设备的开发和验证应用中轻松生成合适的测试信号。R&S SMW200A 采用灵活的模块化设计，能够根据应用需求装配合适的选件。仪器支持所有配置，包括经典的单通道矢量信号发生器和多通道 MIMO 接收机测试仪。

2、R&S罗德与施瓦茨 SMA100B 射频和微波信号发生器

主要特点：

- 性能频率范围：8 kHz 至 3、6、12.75、20、31.8、40、50 和 67 GHz（在过范围模式下最高达 72 GHz）

- 10 GHz、10 kHz 偏移时，SSB 相位噪声为 –132 dBc（典型值）

- 10 GHz、30 MHz 偏移时，宽带噪声为 –162 dBc（测量值）

- 在宽频率范围内最大输出功率超过 30 dBm

- 极低的谐波

射频和微波信号发生器提供性能。在维持最高输出功率和谐波的同时提供纯净的输出信号，优于同类产品。作为全球头等的信号发生器，它可以完成射频半导体、无线通信、航空航天和国防领域苛刻的模块和系统测试与测量任务。

3、R&S罗德与施瓦茨 FSW 信号与频谱分析仪

主要特点：

- 8.3 GHz 内部分析带宽

- 800 MHz 实时分析带宽

- SCPI 记录器简化代码生成

- 具备相位噪声和灵敏度

- 高动态范围实现出色的 EVM 性能

FSW 高性能信号与频谱分析仪重新定义了精度，在日常工作中提供出色的分析结果。这款功能强大的分析仪具备相位噪声性能，能够提供可靠的测量结果，非常适合从复杂的通信系统到射频器件的广泛应用。无论是开发高性能雷达还是表征宽带器件，FSW 都能提供内部分析带宽和准确度，树立了信号分析。每天您都可以放心地使用 FSW 来完成高难度任务。

4、R&S罗德与施瓦茨 RTO6 示波器

主要特点：

- 最大 6 GHz 带宽

- 每秒一百万波形

- 9.4 ENOB，确保非凡的信号完整性

- 最大 2 Gpoints 存储深度

- 独树一帜的频率区域触发

RTO6 示波器实验室设备专用于提供可靠结果，能够快速解决测量问题，帮助您按时完成任务。RTO6 示波器系列利用工程师的专业技能，能够随时根据需要为您提供深度见解，让您的测量值得信赖。

RTO6 示波器系列提供出色信号，助您了解应用情况。这款全集成式测试解决方案兼具 15.6" 大触摸屏、全新图形用户界面、波形捕获率、信号保真度、数字触发和快速响应的深存储，可用于频率、协议和逻辑分析。RTO6 示波器系列具有丰富的测量工具和新型用户界面，能够快速解决各种简单或复杂的电路问题。