致力于5G新興無線技術(shù)方面的設(shè)計(jì)與測試問題解決方案

很多人應(yīng)該還記得第一次使用手機(jī)接收簡訊或是下載網(wǎng)頁的情形?，F(xiàn)在，手機(jī)只要幾秒就能下載高分辨率的影片，傳輸率比以前的第一臺筆記本電腦更高。不過，無線網(wǎng)絡(luò)往后的目標(biāo)不只是讓下載速度更快而已。

十年內(nèi)，連網(wǎng)裝置的數(shù)量會是連網(wǎng)用戶的十倍以上。因此，未來的無線標(biāo)準(zhǔn)將持續(xù)演進(jìn)，藉以滿足全新案例的需求，網(wǎng)絡(luò)不僅可以連接不同的人，還能連接對象。

除了運(yùn)用全新的無線技術(shù)，這些功能還必須仰賴新款儀器并降低售價(jià)。未來的裝置要能夠以新的方法執(zhí)行無線測試，因此以國家儀器(NI)為例，該公司不斷改善PXI平臺、迎接未來無線測試的挑戰(zhàn)。
 

國際電信聯(lián)盟(ITU)針對2020年國際行動(dòng)通訊(IMT-2020)提出愿景，并依據(jù)多種使用案例，點(diǎn)出未來無線標(biāo)準(zhǔn)的需求。這項(xiàng)愿景提供5G技術(shù)需求的交流架構(gòu)，并說明三種不同的使用案例(圖1)。

圖1　三種5G使用案例

這些使用案例具體指出未來行動(dòng)通訊標(biāo)準(zhǔn)的需求，也同時(shí)反映了802.11ad、802.11ax、Bluetooth 5.0與NFC等技術(shù)千變?nèi)f化的需求。

第一種無線使用案例「增強(qiáng)型行動(dòng)寬帶(eMBB)」說明了未來無線技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)功能與尖峰數(shù)據(jù)速率上的預(yù)期發(fā)展。eMBB(enhance Mobile BroadBand)技術(shù)使用較大帶寬，并結(jié)合較高階調(diào)變機(jī)制與MIMO/波束賦形技術(shù)，因此能達(dá)成的尖峰數(shù)據(jù)速率更高。尤其在5G方面，eMBB使用案例能夠達(dá)成10Gbit/s下行傳輸率，速度比單一載波LTE還快上100倍。

第二種無線使用案例「大規(guī)模機(jī)器類型通訊(mMTC)」能以較低廉的成本，為更多地方、裝置提供無線網(wǎng)絡(luò)。透過連接更多地點(diǎn)的更多裝置，mMTC技術(shù)將能夠連接智慧城市中的紅綠燈、汽車，甚至高速公路。

不久之后，以經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式在更多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中連接更多裝置的需求，將帶動(dòng)M2M通訊與窄頻物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)等全新行動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。

最后，第三種使用案例則是「超可靠機(jī)器類通訊(uMTC)」。這時(shí)候，潛時(shí)與封包誤差率就成了無線網(wǎng)絡(luò)的兩項(xiàng)關(guān)鍵需求。比如醫(yī)生可透過無線網(wǎng)絡(luò)連接的機(jī)器人執(zhí)行遠(yuǎn)程手術(shù)，或是駕駛可得知前方事故而避免了大規(guī)模的連環(huán)車禍。在這兩種應(yīng)用中，穩(wěn)定的無線通信連結(jié)不只提供便利，還能拯救生命。

未來無線技術(shù)的需求不只推動(dòng)了全新無線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，也改變了工程師設(shè)計(jì)與測試行動(dòng)裝置的方式。比方說，5G與未來標(biāo)準(zhǔn)由于帶寬較寬，因此必須配有帶寬較高的RF儀器。另外，MIMO與波束賦形等多天線技術(shù)需要模塊化的彈性儀控，才能有效測試單天線裝置、8&TImes;8MIMO裝置與其他設(shè)備。最后，價(jià)位較低的無線電也必須搭配成本較低的無線測試方法。無線電共占目前現(xiàn)今方案總值的20%，因此新一代測試設(shè)備必須提供速度更快、種類更多的平行測試方法。

2012年，NI發(fā)表全新的PXI向量訊號收發(fā)器(VST)。此款VST十分特別，在單一PXI模塊中結(jié)合了6GHz RF訊號產(chǎn)生器與分析器，還有可供使用者設(shè)定的FPGA。此儀器不但提供優(yōu)異的RF效能，適合用于研發(fā)與制造測試等多種應(yīng)用，并具備了可供使用者設(shè)定的FPGA，能夠執(zhí)行量測加速與通道仿真等不同應(yīng)用。

不過，無線技術(shù)一直演進(jìn)，RF設(shè)計(jì)與測試的方式也必須跟著推陳出新。因此，NI推出第二代VST，以更小的機(jī)身提供更大帶寬、頻率范圍與FPGA。

過去十年來，無線標(biāo)準(zhǔn)不斷演進(jìn)，因此能夠使用更寬的帶寬通道、達(dá)成更高的尖峰數(shù)據(jù)速率。舉例來說，Wi-Fi自2003年的20MHz逐步提升至40MHz，現(xiàn)今的802.11ax標(biāo)準(zhǔn)甚至可達(dá)160MHz。

行動(dòng)信道則由GSM的200kHz躍升至現(xiàn)在LTE-Advanced技術(shù)的100MHz。未來的LTE-Advanced Pro與5G等技術(shù)將進(jìn)一步帶動(dòng)此類趨勢。

特別是在測試半導(dǎo)體裝置時(shí)，儀器的帶寬需求經(jīng)常超越訊號帶寬。舉例來說，在數(shù)字預(yù)失真(DPD)的條件下，測試RF功率放大器(PA)時(shí)，便須使用測試設(shè)備擷取PA模型、針對非線性動(dòng)作執(zhí)行修正，并藉此產(chǎn)生正確的波形。

多數(shù)情況下，進(jìn)階DPD算法需要3至5倍的RF訊號帶寬(圖2)。這樣一來，在LTE-Advanced(100MHz訊號)標(biāo)準(zhǔn)下，可能需要500MHz的儀器帶寬，針對802.11ac/ax(160MHz訊號)，儀器帶寬更須高達(dá)800MHz。

圖2　使用5倍訊號帶寬的DPD算法

第二代VST效能改善最大的地方在于瞬時(shí)帶寬的提升：最高可達(dá)1GHz。工程師能夠運(yùn)用帶寬較大的第二代VST解決目前儀控?zé)o法克服的應(yīng)用挑戰(zhàn)。