解析4G至5G无线通信测试及射频仪器的那些事

　　一、无线通信测试概要

　　无线通信测试技术与测试仪器是通信产业的重要支撑力量，它渗透于通信芯片、模块、终端、基站、无线网络等几乎所有的产业链环节，贯穿于设计研发、认证验收、生产、网络建设与优化等几乎完整产业生命周期。

　　设计与研发是使用测试仪器种类最多最广的阶段，主要有示波器、信号源、频谱仪（信号分析仪）、矢量网络分析仪等通用测量仪器，以及信道模拟器、终端模拟器、基站模拟器等专用高端测试仪器；在认证与验收阶段，主要测试设备包括RF一致性测试系统、协议一致性测试系统、RRM一致性测试系统；通信企业生产阶段的常用仪器是大家熟悉的终端综测仪、以及前面提到的信号源、频谱仪等通用测试仪器；在网络建设与优化阶段，发射机、扫频仪、手持频谱仪等各类工程仪表是常用的测量工具。

　　二、4G无线通信测试现状

　　接下来从系统设备测试、芯片与终端测试、射频测试和网规网优测试四个角度谈谈4G无线通信测试现状。

　　1、4G系统设备测试——矢量信号源与信号分析仪

　　矢量信号源与矢量信号分析仪是基站等通信设备研发、生产和一致性测试的高端通用电子测量仪器，它们的技术特点主要体现在以下几个方面。

　　第一，频率方面，通过PLL、DDS、小数分频、分频倍频来支持从数kHz-数GHz的宽频带连续覆盖，频率分辨率能达到0.01Hz，此外频谱纯度高，谐波抑制、杂散与噪声处理能达到较高的指标要求；

　　第二，幅度方面，矢量信号源与分析仪通常具备了150dB以上的大动态范围，0.01dB的高分辨率，以及《±1dB的精度指标，线性度好、大幅度衰减少、串扰及噪声抑制性能优异，并采用自动电平控制和温度补偿；

　　第三，矢量性能方面，随着3G到5G时代带宽需求的大幅提升，实现大带宽面临幅相一致性的补偿、ADC的高采样率与高位宽的矛盾、FPGA在高时钟频率下设计难度成倍的提升、几十Gbps高速数据传输如何保障等一系列技术难点；

　　第四，工程化开发方面，为了保障测试的高可靠性，操作系统、数字电路、射频电路所组成的混合系统较为复杂；

　　第五，应用开发方面，矢量信号源与分析仪通常基于统一的平台来支持多种通信制式下的多重应用，如无线通信（2G/3G/4G/4.5G/5G，IEEE 802.11xx），卫星导航、无线电等。新的应用也驱动着仪表的技术演进。

　　第六、通道数方面，随着MIMO技术的应用，多通道MIMO信号源与分析仪也是技术演进的方向之一，当然也对仪表系统的可靠性、电磁兼容设计等带来挑战。

　　2、4G系统设备测试——无线信道模拟器

　　除了大家熟悉的信号源、信号分析仪这样的通用仪表，通信测试中还有一种重要的高端测试仪器：无线信道模拟器。

　　信道是无线通信物理层技术研究的基础之一，MIMO信道近些年来一直是学术界的研究热点。MIMO信道模拟器是在实验室条件下精确可重复地模拟复杂的无线信道环境的仪器。它与信号源、信号分析仪有一些类似的技术特点，比如宽频带、大带宽等。

　　除此之外，由于信道模拟器的双向链路特性，给宽频带射频前端的通道隔离指标和多通道射频一致性提出了很高要求；由于MIMO信道的复杂性，数学模型的实现对于基带运算资源、数据交互速率等等要求很高，因此，基带与算法架构的设计极为重要。

　　另外，随着3D MIMO/Massive MIMO以及高频信道特性研究的不断深入，信道模拟的方法与架构也在逐步演进。

　　3、4G芯片与终端测试——综测仪

　　4G时期，随着芯片制造工艺的发展进步，芯片的主流工艺已经从28nm进入到新的技术阶段，芯片的处理器核数也发展到64位应用处理器芯片或者8核处理方案。

　　4G时代的手机，多模多频的能力持续加强，2G/3G以及LTE（TDD/FDD）的全模支持能力需求也持续在增长；同时，手机的Bluetooth/GPS/WIFI以及NFC的通信需求也在不断增加；射频方面，手机的频点和带宽能力覆盖了2/3/4G技术各个版本的需求，如R10版本要求终端支持5CC最大100M的下行带宽，后续版本中需要终端支持对MIMO和跨频段载波聚合以及TDD-FDD不同制式的载波聚合。

　　为了适应这些芯片与终端的发展，传统的综测技术也需要进行相应的革新：为了满足多样化的测试需求，单台终端测试仪表需要具备各种通信制式（2G/3G/4G和BWG）的空口协议栈模拟能力，以适应终端研发过程对于网络侧模拟的要求，同时终端测试仪表应具备通过集成和开放接口搭建射频/协议/RRM一致性测试系统的能力；

此外，由于测试频段、带宽、通道数大幅扩展，综测仪表射频能力需要支持从400M到6GHz的测试频率， 满足各个工