7月17日，由IMT-2020(5G)推進組聯合中國通信學會與中國通信標準化協會共同主辦的2019年IMT-2020(5G)峰會正式召開。IMT-2020(5G)推進組是由工信部、發改委、科技部于2013年聯合推動成立的，致力于推動5G技術研究。

根據IMT-2020(5G)推進組組長王志勤公布的信息顯示，目前在IMT-2020(5G)推進組測試的四款5G芯包括：華為海思的巴龍5000、高通驍龍X50、聯發科Helio M70和紫光展銳的春藤510。

其中，在組網方式方面，只有高通驍龍X50只支持NSA（非獨立組網），而其他三款5G芯片均支持NSA和SA（獨立組網）。

而在IMT-2020(5G)推進組的5G網絡測試方面，可支持NSA/SA雙模的華為海思的巴龍5000芯片，已經率先完成了從室內到外場的SA/NSA全部網絡測試。

聯發科Helio M70目前已完成了SA/NSA室內網絡測試部分，而在SA/NSA外場網絡測試部分只完成了一半。

紫光展銳的春藤510由于發布時間相對較晚，目前NSA室內網絡測試部分剛剛開始，而SA室內網絡測試和SA/NSA外場網絡測試部分尚未進行。

最早發布的高通驍龍X50雖然最早完成了NSA室內和外場網絡測試，但是由于其不支持SA網絡，所以這塊也就沒法測試了。

另外值得一提的是，在之前6月26日的MWC上海展上，中國移動董事長楊杰表示，“明年1月1日開始，政府不允許NSA手機入網，SA是發展方向，中國會盡快過渡到SA”。顯然，接下來國內將會主推同時支持NSA/SA組網的5G手機。

綜合來看，在接下來的5G市場，華為無疑將取得先發優勢。

而華為巴龍5000率先完成SA/NSA全部測試的背后，則離不開測試工程師以及測試廠商出色的測試方案及測試設備的支持。

由于5G采用新頻段、更高帶寬、Massive MIMO大規模天線陣列、波束成形、毫米波等技術，這給5G設計和測試工程師帶來嚴峻挑戰，因此雖然在各大設備廠商、運營商的努力下，5G時代離我們已經越來越近，但我們還需要更強有力的5G測試方案來支持！

測試面臨更復雜的寬帶波形

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。

5G基站以及其他基礎設施設備，簡稱gNode B (gNB)，在下行鏈路中使用循環前綴OFDM (CP-OFDM)方案，而用戶設備(UE)兩種方案都支持，即CP-OFDM和離散傅里葉變換擴頻 OFDM(DFT-S-OFDM)方案，具體取決于gNB指示UE使用這兩種方案中的哪一種方案來進行上 行操作。DFT-S-OFDM具有較低的峰均功率比(PAPR)，因此有助于提高功率放大器的效率和能效。

CP-OFDM 在資源模塊中提供了很高的頻譜封裝效率（高達98%），并為MIMO 提供了良好的支持。因此，當運營商優先考慮盡可能提高網絡容量時（例如在密集城市環境中），可能會使用該波形。DFT-s-OFDM 是用于LTE 上行鏈路的同一波形，其頻譜封裝效率更低，但范圍更廣（下表）。

表：關鍵的5G 規范

5G NR Release 15 使用CP-OFDM的波形并能適配靈活可變的參數集。可變參數集可以將不同等級和時延的業務復用在一起，并允許毫米波頻段采用更大的子載波間隔。由于信號不再保持正交性，由此引入了大峰均比的問題和子載波干擾的問題。在上行信道，UE的發射功率受限并且對功率效率要求較高，于是采用DFT-S-OFDM波形來既降低信號的峰均比。

圖：波形和可變的參數集影響著信號峰均比

規范還確認，盡管數據速率得到提高，但5G 移動寬帶的時間排程就如同LTE，且對核心RF 實施不會產生任何額外影響。然而，5G 技術大大降低了延遲，因此天線交換和天線調諧的可用時間更少。這可能導致需要使用在某些應用中速度比4G 快10 倍的開關技術。

4G 到5G 過渡過程中的另一個重大變化就是手機必須支持寬度前所未有的帶寬。提高帶寬是5G 的基本宗旨：是實現以全新5G 頻段為目標的更高數據速率的關鍵。單載波帶寬可高達100 MHz，即LTE 最高帶寬20 MHz 的5 倍（下圖），且在FR1頻率范圍內，可存在2 個上行鏈路和4個下行鏈路載波，以分別實現200 MHz 和400 MHz 的總帶寬。管理該帶寬所面臨的挑戰預計將影響整個RF 子系統，這樣即使是最具創新精神的RF 公司也要提高標準。

圖：最大信道帶寬比較：4G LTE與5G NR

此外，考慮到信號在毫米波和低于10 GHz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(下表)。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100 MHz，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800 MHz的聚合帶寬。不久之后，規范可能會將這一聚合帶寬提高至超過1GHz。

表：新空口頻率范圍

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著新的挑戰，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：5G毫米波上行鏈路和下行鏈路OFDM操作

為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。用戶還可以創建無線局域網(WLAN)、藍牙以及2G至4G和5G波形，以測試這些標準是否能夠共存。

圖：NI-RFmx波形發生器可輕松生成新空口波形

除了RFmx 波形發生器外，NI還提供NI-RFmx分析驅動和API。這些API經過高度優化，可對LTE-A和新空口等無線標準進行物理層(PHY)RF測量。NI-RFmx軟面板 (SFP)提供了熟悉且直觀的交互式體驗，可讓用戶輕松展示RF測量結果。

配置寬帶測試臺，以覆蓋廣泛的頻率范圍

增強型移動寬帶（eMBB，Enhance Mobile Broadband）是ITU-R確定的5G三大主要應用場景之一。

5G增強型移動寬帶：具備更大的吞吐量、低延時以及更一致的體驗。5G增強型移動寬帶主要體現在以下領域：3D超高清視頻遠程呈現、可感知的互聯網、超高清視頻流傳輸、高要求的賽場環境、寬帶光纖用戶以及虛擬現實領域。以前，這些業務大多只能通過固定寬帶網絡才能實現，未來5G將讓它們移動起來。

為實現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1萬倍以上的流量，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。5G 頻率趨勢一般低于 40 GHz。

圖：5G新空口的頻率范圍

5G 網絡建設需要綜合考慮頻率、設備、終端、業務等發展成熟度，按照 5G業務發展規律，需合理規劃5G設備演進路標。

以中國聯通5G網絡建設遠景目標為例，聯通5G網絡建設遠景目標是建設“4G+5G”兩張網，兩張目標網的定位如下：

● 5G 目標網，以 3.5GHz 頻段作為城區連續覆蓋的主力頻段，2.1GHz 頻段可用于提高 5G 覆蓋容量補充，后續新申請的毫米波頻毫米波頻段 26GHz+40GHz作為城區數據熱點的重要補充；

● 4G目標網，以 900MHz 和 1800MHz 頻段作為主要頻段，900MHz 主要用于廣覆蓋（兼顧 NB-IoT、eMTC 等物聯網業務），1800MHz 為 LTE 網絡容量層（遠期根據 4G 業務量情況逐步重耕用于 5G）；

● 2G 和 3G 網絡將逐步實現退網，將頻率重耕用于4G和5G。

圖：網絡演進目標

對于面向大眾市場的移動行業來說，目前尚未有合適的毫米波測試系統。由于各種新設備的不斷出現及未來出現的未知需求，開發更有效的驗證平臺對測試工程師而言是一項巨大地挑戰。

傳統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 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。

PXIe-5831毫米波矢量信號收發儀將頻率范圍擴展至毫米波

毫米波VST為5G毫米波設備測試工程師提供了最高可達5G 毫米波頻率范圍(FR2)的VST性能，。毫米波VST采用經過驗證的VST架構，能夠以非常高的性價比提供更高的測量速度和毫米波性能。

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。

圖：基于毫米波VST的5G測試臺，適用于毫米波應用

分析和驗證5G組件

與其他標準和技術共存

隨著5G網絡的大規模部署，會考慮采用獨立5G系統單獨進行組網，這種情況下，雖然5G可以提供高速業務和更高的業務質量，但是在某些覆蓋不足的地方，仍可以借助LTE系統來提供覆蓋和容量，因此雙連接仍將是一個不可或缺的技術手段。

5G的初始部署可能采用非獨立組網模式(NSA)，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。

LTE系統中，處于雙連接模式下的UE，只在MeNB與MME之間存在一個S1-MME連接。提供S1-MME連接的eNodeB稱為主eNodeB(即MeNB)，另一個eNodeB用于提供額外的資源，稱為次eNodeB(即SeNB)。每個eNodeB都能夠獨立管理UE和各自的小區中的無線資源。MeNB與SeNB之間的資源協調工作經由X2接口上的信令消息來傳送。

圖：雙連接模式下的UE的控制面連接示意圖，其中，S1-MME終結在MeNB，MeNB與SeNB之間經由X2-C來互連。

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。同樣地，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。

TX/RX 互易性

工程師在開發發射/接收系統時必須考慮的另一項重要因素是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。另外，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。為在較大帶寬下實現更高的能效和線性度，5G PA引入了數字預失真(DPD) 等線性化技術。由于電路模型難以預測記憶效應，因此降低記憶效應唯一有效方法是測試PA并在時域信號通過DUT后采集該信號，并應用DPD技術。現有的DPD技術要求測試設備生成并測量3到5倍帶寬的信號。這對于需要對帶寬為100、200和400 MHz的5G信號進 行預失真的測試設備來說是一個很大的挑戰。

圖：發射器和接收器的互易性分析

測試多頻段設備

5G NR大致可分為兩種非常不同的頻率范圍。其中FR1的頻段低于6GHz，與目前我們使用的4G LTE網絡使用的2至3GHz頻段相差的距離并不遠。然后FR2，它使用的是24GHz范圍以上的頻段，基本上可以說進入到了非常高的范圍，而這種頻段通常被稱為毫米波（mmWave）。簡單的說，FR1的傳輸距離更遠，有助于幫助5G網絡覆蓋更廣泛的范圍。而另一方面FR2則更具有挑戰性：它能提供巨大的帶寬，但傳輸距離很近，并且也很難通過像墻壁這樣的障礙物。

以下是目前主流運營商采用FR1和FR2頻段的匯總：

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(power amplifier modules with integrated duplexer，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情況下的輸出功率電平、線性度和調制精度；不同的頻段組合以及不同的溫度下進行全面測試。

圖: 基于VST的多通道前端模塊測試系統

許多多頻段設備必須支持E-UTRAN New Radio Dual Connectivity(EN-DC)技術，即4G和5G標準雙連接技術。因此，需要覆蓋的測試用例也不斷增加，包括單載波和載波聚合信號的多種組合。此外，這些用例不僅需要在低于6GHz的頻段下進行測試，現在也需要在7GHz左右的頻段下進行測試，以考慮工作于非授權頻譜的5G NR(NR-U)。由于這些設備具有更高的集成度和組件密度， 因此分析LTE和NR信號傳輸時的熱管理和散熱就變得非常重要。

圖: FEM的測試用例數量隨著NR標準的演變不斷增加

包絡跟蹤

隨著蜂窩技術發展，調制的復雜度提高，對 RF 組件的要求也變得越來越嚴格。在 RF 功率和線性度需求持續上升的同時，人們強烈要求降低電流消耗，這對電池壽命和熱性能產生了直接影響。5G 也不例外，5G規范讓困難度成倍增加。現在包絡跟蹤技術被越來越廣泛地運用于優化射頻功率放大器(PA)的功率附加效率(PAE)，而射頻功率放大器射頻PA正是電池電量最主要的消耗源之一。

包絡跟蹤技術的原理在于使放大器盡可能地在壓縮區運行。該項技術基于這一事實：功率放大器的效率峰值點和輸出功率峰值點都會隨著供電電壓(Vcc)的變化而變化. 如下圖顯示了不同供電電壓值下，功率附加效率與輸出功率的函數關系。我們可以看出峰值效率的輸出功率隨著供電電壓的增大而增大。

圖：不同供電電壓下PAE與輸出功率之間的關系

包絡跟蹤測試使得原本就復雜的系統變得愈加復雜。為了讓功率放大器成功地執行一項包絡跟蹤計劃，射頻基帶波形和供給電壓之間必須緊密同步。如下圖所示，一個典型的包絡跟蹤測試系統包括一個射頻信號發生器和分析儀、用于控制功率放大器的高速數字波形發生器以及一個用于為放大器供電的電源。

圖:典型的包絡跟蹤測試裝置

高效5G前端的測試工程師需要測試其設備在5G信道帶寬下的包絡或更高頻率。將包絡跟蹤技術擴展到5G NR所需的100 MHz上行帶本不太可能，因為測試臺必須能夠觸發并生成極寬的基帶包絡信號大型波形基本完全對齊。然而，工程師也在努力嘗試實現這一性能效率和電池壽命，從而滿足用戶需求。此外，可精確部署包絡跟蹤覆蓋范圍和容量，這兩個參數均是網絡運營商的重要指標。

圖:包絡跟蹤測試系統圖

新型毫米波操設備

5G為了進一步提高頻譜效率、克服傳播損耗等問題，5G大規模天線基站普遍采用波束成形技術。基站要通過波束掃描找到手機，然后手機和基站之間通過業務波束信號建立業務交互。這是一個很吸引人的設計，當然實現起來也是非常復雜的。波束使用同頻還是異頻，波束參數，信號質量、端到端性能，OTA射頻性能等看起來簡單幾個問題，其實從系統設計與仿真階段就要考慮進來，一個成功的系統設計能夠顯著降低產品生命周期各階段的風險。

高級波束成形技術需要系統級的設計

為了避免大量傳播損耗，5G需要采用波束成形子系統和天線陣列。測試新的波束成形IC需要采用快速可靠的多端口測試方案。這些測試方案必須測試每條路徑的信號增益和相位控制，以確保適當的信號細窄/尖銳程度(level tapering)和相位調整，從而減少旁瓣和正確控制波束的方向。但是，由于這些測試方案需要朝著毫米波方向設計，因此本振引入的系統相位噪音會成倍增加，甚至可能占據主導地位，從而給組件測試帶來了極大的挑戰。測試儀器必須在FR1和FR2范圍內均提供足夠的動態范圍，以分析和驗證這兩個5G頻段內的組件性能是否一致。

RF-RF波束成形器

測試5G波束成形設備時，如下圖中的波束成形設備，工程師需要在多個寬頻段下測試最大線性輸 出以及各個路徑的壓縮行為。他們還必須檢查衰減器的步進誤差以及每個步進的相位偏差。對于接收路徑，他們還需要對噪聲系數與頻率之間的關系進行分析。

鑒于信號是雙向的，因此最簡單的測試方法是反轉與測試儀器之間的連接，但對于水平和垂直極 化的多端口設備(8個、16個甚至更多)來說，這個方法并不可行。測試儀器必須包括專為多端口測 試而設計的快速雙向切換解決方案。

圖:水平和垂直極化的波束成形器IC

IF-RF波束成形器

其他類型的波束成形設備(即IF-RF波束成形器)可將中頻(IF)信號上變頻為RF信號。反之，這些設 備也可以將接收到的RF信號下變頻為IF信號(見下圖)。正如上述針對RF-RF波束形成器的討論， 工程師還需要在不同頻率范圍內分析這些組件的性能，測量每個步進的幅度和相位變化，并檢查 頻率變化是否適當，同時最小化鏡像信號和高階諧波干擾。IF-RF波束成形器還帶來了其他測量 挑戰，因為它們需要在不同中頻下生成IF信號并進行分析，具體頻率取決于特定設備的頻率設計。例如，部分DUT在 8或12 GHz的IF下工作，而有些DUT則將其IF設置為18GHz。

圖：IF-RF波束成形器設備

工程師需要分析和校正5G波束成形器設備的誤差源，以確保正確的傳輸功率、精確的方向控制和可靠的靈敏度。這些誤差源包括：IQ減損和信號平坦度，模塊之間的LO相位噪聲和頻移，天線元件之間的相位差，信號細窄/尖銳程度(tapering)控制以及隔離和互耦。

這需要測量信號從一個路徑傳輸到另一個路徑的變化是否最小，這是因為天線元件和信號路徑之間的互耦會影響MIMO操作和信號解調性能。

數字控制挑戰

自動分析多頻帶FEM和多通道波束成形器還需要快速且簡單的數字DUT控制。很多時候，工程師需要串行外設接口(SPI)和MIPI等數字協議在超頻狀態下進行測試，以便在真實應用場景中運行其DUT。例如，如果是波束成形器，則該設備必須滿足5G技術對波束靈活性的要求(波束搜索、匹配、跟蹤和波束成形等)。這需要在極短時間內更改狀態。為了滿足這一需求，測試臺需要的數字儀器必須能夠更快速實現數字協議。

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。

圖：集成式PXI工作臺采用DPD和包絡跟蹤技術進行FEM測試

此外，針對需要控制和測試IC的半導體工程師，NI PX平臺還提供了專用的高速數字I/O儀器。這些數字儀器基于drive format和time set概念，其中NI 數字pattern編輯器提供了豐富的軟件體驗，包含了各種調試和特性分析工具，比如數字示波器。

2019年是中國5G商用元年，5G網絡建設需要考慮多種建設場景。為了滿足市場對5G技術的迫切需求，研究人員和工程師需要依賴于更快、更具成本效益的測試系統來應對這些挑戰。

雖然測試系統和測量系統在設計上必須能夠測試目前的AiP設備，它們還必須能夠適應未來的波束成形和OTA的測試要求。這意味著，測試系統必須具備靈活性，不僅可以測試當前的設備，而且也可以適應未來的半導體技術。由模塊化硬件和靈活軟件組成的NI平臺使工程師能夠利用新的儀器功能來加快并簡化5G設備的特性分析、驗證和生產測試。