5G NR終端SEM測試優化設計

摘要：隨著5G NR網絡大規模的投入商用，如何快速高效的對5G終端進行測量越來越讓業界關注。由于大規模MIMO和毫米波技術的引入使得對5G NR終端信號分析成為了終端射頻一致性測試的一個關鍵點。本文在分析了5G NR終端頻譜發射模板測量原理的基礎上，提出了一種快速測量方法和硬件實現技術，并進行了實際測量實驗.測量結果驗證了所提方法的有效性。

關鍵詞：5G NR;頻譜發射模板（SEM）

0 引言

第五代移動通信技術（英語：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，簡稱5G或5G技術）是最新一代蜂窩移動通信技術，也是繼4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統之后的延伸。5G網絡正在發生深刻變化，旨在滿足高數據速率、最低保證數據速率、大容量、低時延等方面的需求[1]。5G的性能目標是高數據速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模設備連接。所以，在通信產在通信產業鏈中，終端和通信芯片的生產和測試推動通信技術的成熟和通信產業的發展，特別是5G NR終端測試已成為通信測試行業的一個熱點，尤其在終端設備的研發和產線測試上。不同芯片和不同廠商生產的終端在性能方面也會表現不一致，從而影響了運營商對網絡的優化定位以及終端和芯片自身的運行性能。5G NR終端測試包括三個方面：射頻一致性測試、RRM資源一致性測試以及協議一致性測試[2]。目前業內5G NR終端測試射頻一致性測試技術并未完全成熟，本文結合3GPP測試協議，針對射頻一致性測試中的頻譜發射模板測試提出了一種快速測量方法和硬件實現技術。

1 5G NR頻譜發射模板測試設計

1.1測試平臺設計

5G NR規范包括了兩種已獲得批準的正交頻分多路復用（OFDM）、各種調制和代碼集、靈活的參數配置（numerology）和多個信道寬帶等新技術[3]，考慮到信號在毫米波和低于10GHz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，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100MHz，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800MHz的聚合帶寬。未來規范可能會將這一聚合帶寬提高至超過1GHz[3]。

由于5G NR技術新增了5G Massive MIMO（NR MIMO）技術，其基站側的天線數遠遠大于用戶段的天線數量，使得終端射頻一致性測試與TD-LTE技術有所不同[4]。在5G Massive MIMO下表現明顯的就是信號帶寬變大和信號帶寬類型組合增多，對射頻器件和中頻分析帶寬均提出了新的要求，同時增加了數據處理復雜度。綜合考慮到多方面因素，本文提出了一種硬件總體設計方案，結構框圖如圖1所示：

其中射頻頻率范圍為70 MHz-7100 MHz，首先將1.47456GHz中頻輸入信號經過帶通濾波器后和7GHz固定本振混頻到8.47456GHz中頻，8.47456GHz中頻信號和8.54456GHz～15.57456GHz掃頻本振混頻后實現70MHz～7100MHz射頻信號輸出。因為高達-135dB/Hz@10MHz的整機相位噪聲指標要求，5G NR終端綜合測試平臺射頻前端和發射通道本振電路采用多環方案。小數分頻鎖相環產生高分辨率頻率信號，給主環提供參考信號，取樣環輸出高純信號與主環反饋信號混頻后送入鑒相器，最終產生寬頻帶高性能本振信號。整機軟件主要包括FPGA+ARM組成的核心基帶軟件、整機控制與數據顯示接口軟件。其中中頻處理模塊的采樣率為30.72 Mbps，分析帶寬為30.72 MHz;高速基帶處理模塊采用了多核DSP+FPGA實現基帶信號物理層處理過程。每個射頻通道配置各自的中心頻率且每個通道之間的頻率間隔為采樣時鐘頻率，目的是在有限射頻通道帶寬和有限中頻分析帶寬的情況下，提高信號分析帶寬，以滿足載波聚合下上行帶寬測試要求。多路射頻信號經過射頻通道模塊到達中頻模塊，中頻模塊采用寬帶調制器對每一路信號處理為低頻信號再經過A/D模數轉換器變成數字信號;中頻模塊中的FPGA通過幀同步與終端上行信號進行同步，并對無線幀中子幀2的數據進行采集，采集長度為1ms，A/D模數轉換器對每個碼元時間內采樣點為，其中。在FPGA內部對所有碼元的采樣點進行長度為的復數快速傅里葉變換，輸出FFT后的數據長度為，每個點功率值為：

其中，為每個碼元采樣點的功率值，為FFT變換后的功率值，為整個射頻通道的通道增益功率值。

1.2 測試方法

帶外雜散是落在通信載波之外的干擾雜散，通常源于信號調制過程和發射機的非線性，但不包括雜散發射[5]。頻譜發射模板主要用于逐點驗證終端的帶外雜散性能。終端發射機射頻頻譜如圖2所示，其中為帶外雜散。

頻譜發射模板由信道帶寬（channel bandwidth）、帶外輻射（）和雜散輻射區域（spurious emission）組成。在不同的帶外輻射（）、信道帶寬（channel bandwidth）下和測量帶寬下，對5G頻譜發射模板的功率指標有著不同的要求，具體參考3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2條。由于國內市場上支持毫米波的5G NR終端尚處于驗證階段且難以購買，因此在毫米波條件下的測試不在本文論述中。

初始測試配置包括基于3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2中規定的NR工作帶的環境條件、測試頻率、測試信道帶和子載波間距。

測試方法如下：

（1）同步信號通過PDCCH DCI格式0_1為C_RNTI發送每個UL HARQ進程的上行調度信息，以根據3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2中規定的參數調度ULRMC。由于UL沒有有效載荷，也沒有環回數據來發送，因此UE會在ULRMC（上行參考測量通道）上發送上行MAC填充位。

（2）連續向UE發送功率控制“向上”命令，直到UE在PUMAX級傳輸。允許UE至少有200ms達到PUMAX級別。

（3）根據測試配置測量無線接入模式信道帶寬中UE的平均功率，應滿足3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2中規定的指標要求。測量周期應至少在連續活動上行槽上持續1ms。對于TDD，僅測試包含UL符號的插槽。

（4）配置測試儀中頻采樣時鐘頻率為30.72Mbps，用于A/D數據采樣。

（5）配置測試儀本振頻率，相對于左偏移30.72MHz即，存儲采樣后的數據，再設置本振頻率，相對于右偏移30.72MHz即，同樣對采樣數據進行存儲。

（6）采樣的數據通過中頻處理模塊進行FFT、RMS檢波之后送到數據與圖像顯示處理模塊合并、數據擬合、計算和繪制跡線，并根據協議給出測試要求進行測試結果的判斷。

（7）對于下一幀數據重復步驟（4）（6）進行測量。

與傳統設計方法和測試方法相比，本文提出的測試方法和實現技術的優點有：

（1）5G NR終端綜合測試平臺射頻前端和發射通道本振電路采用多環方案，來實現高達-135dB/Hz@10MHz的整機相位噪聲指標要求。

（2）由FPGA+ARM組成的核心基帶軟件，共同完成物理層解調和解碼過程，通過硬件加速模式提高了物理層解析速度，從而提高了儀器的測試處理效率。

（3）在測試中要觀測帶外輻射，本文采取依靠控制本振頻率左右偏移量使得在頻域上可以完全覆蓋最大值，這樣做的目的在于利用有限的射頻帶寬和中頻帶寬提高信號總分析帶寬，減少了硬件設計復雜性以及成本。

2 測試結果

本文選擇中心頻率1GHz作為測試例，終端測試時的參數配置完全按照3GPP TS 38.522協議中表6.5.2.2.3-1測試初始條件規定進行配置，系統帶寬選擇100MHz，發射功率設置為-10dBm，對FDD_CP_OFDM_30kHz_16QAM_273RBs信號進行頻譜發射模板測試。整個測試過程完全按照本文設計的測試方法進行，具體的測試結果如下：

圖3中的紅色跡線表示按照3GPP TS 38.522協議規定測試要求規定的頻譜模板上限值，具體區間有九部分組成，分別為偏離中心頻率±105MHz-100MHz、±100MHz-5MHz、±5MHz-1MHz、±1MHz-0MHz以及帶內的-50MHz-+50MHz。從圖中可以看出頻譜跡線均在頻譜模板線以內，并有較大余量，占用帶寬100MHz，所有測試結果完全滿足協議規定的測試要求。

結 論

本文提出的硬件平臺設計方法可以實現高性能本振信號的產生、多路射頻信號的收發、基帶信號的高速處理，從而滿足對5G NR終端信號測量分析帶寬要求，同時配合高效的測試方法和校準軟件以及數據處理方法極大地提高了5G NR終端綜合測試儀的測試效率。本文所提方法可擴展性強、靈活性高，可以運用到其他制式測試中，僅憑單臺儀器就可以完成多模（2/3/4/5G）、多制式、多頻段終端測試需求。

參考文獻

[1]未來移動通信論壇，面向5G時代的移動通信再思考[M]，北京：人民郵電出版社，2018，P19-22.

[2]金易，5G的商業革命[M]，廣州：廣州經濟出版社，2018，P4-20.

[3]張輝，曹麗娜，現代通信原理與技術[M]，西安：西安電子科技大學出版社，2017，P282-P287.

[4]王映民，孫韶輝，高秋彬，5G傳輸關鍵技術[M]，北京：中國工業出版社，2017，P260-P265.

[5]王振世，一本書讀懂5G技術[M]，北京：機械工業出版社，2018，P299-P303

[6]3GPP TS 36.521-1 V11.1.0 User Equipment （UE） conformance specification Radio transmission and reception （Release 11） [S]， 2013.

[7]3GPP TS 38.522 V11.1.0 User Equipment （UE） conformance specification; Applicability of RF andrrm TEST[S] ， 2017

作者簡介：

崔琦 （1981.6-），男，漢族，安徽省蚌埠市，通信作者，碩士，工程師，主要研究方向：5G NR移動通信系統開發