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卫星通信:新的毫米波前沿阵地
录入时间:2021/8/19 8:47:59

Satcom: The New mmWave Frontier

Nancy Friedrich,Keysight Technologies,Santa Rosa, Calif.

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随着无线通信系统发展到5G和卫星通信,毫米波为其提供了更多的可能性。对于卫星通信来说,迁移到毫米波有望带来各种优势,超宽带宽带来更高的数据吞吐量和更精细的距离分辨率。当然,技术的发展总是显示出新的挑战。在空间和卫星应用中,这些挑战由于在加速设计和制造的同时还要降低成本而变得更加复杂。随着卫星系统增加功能并达到新的性能水平,更多的不确定性出现了。设计师必须指出潜在的问题,在发射前验证问题,以确保任务的成功。

无线技术增加了信号带宽并使用高阶调制来实现更高的数据速率。更宽的带宽是毫米波通信的一个有吸引力的优势,为提高性能提供了机会;然而,更宽的带宽和高阶调制带来了与毫米波链路质量有关的挑战。

一个主要问题是信号在大气或电缆等介质中传播时的路径损耗。另外,宽带器件通常很难在系统中进行测试。信噪比(SNR)有可能很低,意味着可能有更多的失真,导致系统部件必须有更高的余量。这些都造成了获得高保真或高精确度信号的困难。

测试挑战

对于卫星来说,尽可能准确地验证和预测实际性能的能力对于确保任务成功至关重要。影响毫米波链路的挑战也影响了测试能力。例如,仪器和被测设备(DUT)之间的路径损耗过大,导致信噪比降低,使信号分析测量具有挑战性,如误差矢量幅度(EVM)、邻道功率和杂散发射。使测量任务更加复杂的是,毫米波元件结构紧凑、高度集成,没有地方可以探测,需要在暗室进行辐射或空中(OTA)测试(1)。在OTA测试中,信号水平急剧下降,需要对测试环境进行设计和控制。路径损耗也使测试复杂化。在毫米波频率上,射频功率有限且昂贵,因此使用OTA测试方法测量性能指标可能会限制实现准确和可重复结果的能力。

1 需要OTA测试室来测试高度集成的毫米波元件,这些元件往往缺乏物理连接。

毫米波频段提供了宽广的带宽,从而实现了高吞吐量数据、距离分辨率、准确性和低延迟。然而,它们引入了更多的噪声,增加了测试的复杂性和测量的不确定性。增加信号分析仪的分析带宽会提高本底噪声,从而降低测量信噪比。低发射信号可能会被信道内的本底噪声所掩盖,这就要求接收器有更高的灵敏度。这些权衡使准确的毫米波测量更具挑战性。

整个系统的频率响应也必须考虑。一个测试系统的主要目的就是表征DUT;测试系统必须将DUT与所有其他影响因素隔离。信号分析仪和DUT之间的组件——混频器、滤波器和放大器——对测量的整体频率响应有贡献。单独的频率响应会产生振幅和相位误差,这将降低调制质量,当测试带宽较宽和频率较高的信号时,这些频率响应的影响通常会变差(2)。

2 OFDM调制信号的较差信号(a)与平坦信号(b)的频谱对比

更好的测量

无论是评估发射机、排除接收机故障还是分析OTA信号,信号分析仪的硬件和软件的灵活性都能帮助优化测试设置。输入信号的范围从高功率到噪声级信号,从低频到太赫兹,从CW到复杂的宽频调制。为了测量这些不同的输入信号,信号分析仪应该在较高的功率电平上应用衰减,并使用前置放大器来提升较低功率的信号。信号分析仪应该提供各种信号路径——默认、微波预选器旁路、低噪声和全旁路,以降低噪声和提高灵敏度,或减少信号路径损失、提高信噪比(3)。

3 新的信号分析仪帮助用户优化硬件设置,以提高信噪比,避免数字转换器过载。

具有这些功能的信号分析仪提供了几种方法来缓解这些测试挑战并改善测量结果。

分析宽带矢量信号——信号分析仪中的射频预选器很可能具有有限的带宽,用于无图像分析。然而,该带宽限制了射频分析带宽。绕过预选器可以在数字化仪的带宽上实现宽带分析,并有一个平坦的响应。它提高了振幅精度,消除了预选器中的振幅漂移和通带波纹,使宽带信号得到测量,如5G、卫星通信、IEEE 802.11ax/be和雷达。

强烈的带外信号——当输入信号包括强烈的带外信号时,例如来自具有本地振荡器(LO)泄漏或杂波的混频器,带外信号会在分析带宽内引起成像和带内干扰,导致测量失败。在信号分析仪的输入端有一个带通滤波器可以过滤掉这些不需要的信号。

高功率电平——为了测试发射机在高功率下的调制质量,如EVM,信号分析仪可以设置为低噪声路径,绕过前置放大器和前置放大器路径中的有损开关。在更高的频率下,放大器的增益会下降,无源元件的插入损耗会增加。低噪声路径减少了这种损失,并消除了前置放大器和开关的频率响应和噪声,改善了信号的保真度和测量灵敏度,带来更好的宽带EVM测量,特别是在更高的频率。

较低的功率电平——当在低功率电平测试时,如OTA设置,内部或外部的前置放大器是必要的,以提高信噪比,从而进行准确的调制分析。

宽带调制分析——信号分析仪的全旁路路径结合了低噪声路径和微波预选器旁路路径。这种设置消除了低频开关电路中的多个开关,并绕过了微波预选器。全旁路路径提供了更低的路径损耗,提高了信号的保真度和测量灵敏度。然而,它可能有缺点,如带内镜像和在较低信号水平测试时的低信噪比。添加一个带通滤波器来消除测量带内的镜像,可以将EVM测量提高1到2dB。另外,在测试低功率信号时,添加一个外部前置放大器可以提高信噪比。

插入损耗——在毫米波测试系统中,信号分析仪和DUT之间的电缆和附件会增加插入损耗。电缆损耗可以达到5dB,这将降低测量系统的SNR。添加一个外部混频器是一个性价比非常高的的方法,可以扩展信号分析仪的频率范围,并将混频器移到离DUT更近的地方,从而缩短信号路由,减少损耗,提高信噪比。

生产——当项目从研发转向批量生产时,毫米波测试系统的集成和测试成本会产生较高的障碍。捆绑解决方案是大批量生产测试的常见方法。例如,射频矢量信号分析仪(VSA)和射频矢量信号发生器(VSG)对于在较低的5G频段,即FR1进行测试是必不可少的。对于毫米波测试,即FR2,VSA和VSG可以在中频(IF)使用,并与外部毫米波收发器耦合。

使用一个外部收发器,信号分析仪向外部混频器提供微波LO信号,并从混频器接收中频信号。分析仪通过滤波、数字化和分析来处理和显示中频信号,就像处理一个内部混合信号一样。新的USB“智能混频器”简化了连接和测量,因为分析仪可以检测混频器,自动下载转换系数并监测驱动水平。外部混频为毫米波信号分析提供了一个高效的解决方案,并使测试端口更接近DUT。然而,在这种配置下,混频器的前端没有预选器,所以强的带外信号可能会在测量波段内产生不需要的图像,降低精度。另外,如果测试频率在混频器的频段之外,测试信号必须重新连接到信号分析仪的射频输入端口或覆盖该频段的另一个混频器,并相应调整输入源。这些因素增加了测试的复杂性,并可能影响测量的不确定性。

所有的无线标准都规定,发射器的测量应该在最大输出功率下进行;但是,信号分析仪的第一个混频器的功率可能要衰减,以确保输入信号不会对信号分析仪产生扭曲。对于OTA测试和具有较大插入损耗的系统,输入信号可能低于混频器的最佳值。在这些情况下,信号分析仪可以使用一个内置的前置放大器,它可以提供更好的噪声系数,但互调失真和本底噪声之间的动态范围较差。另一个选择是在前端使用一个外部低噪声放大器,无论是否有内部前置放大器,以达到混频器的最佳输入电平。设置输入混频器电平是失真性能和噪声灵敏度之间的权衡,即用较高的输入混频器电平实现更好的信噪比,或用较低的输入混频器电平实现更好的失真性能。最佳电平取决于测量硬件、输入信号的特性和规格测试要求。

优化中频数字转换器的SNR是另一个考虑因素。信号分析仪的系统中频噪声必须足够低,以获得最佳的EVM测量,而数字转换器的输入信号必须足够高,但又不能使数字转换器过载。最佳设置要求优化射频衰减器、前置放大器和中频增益的组合,以获得测量的峰值信号。新的信号分析仪有一个关键功能,可以优化硬件设置,使信噪比最大化,同时避免数字化仪过载(4)。优化过程中测量峰值信号电平,然后在分析仪中选择最佳设置。由于优化期可能看不到输入信号的完整功率特性,因此可以手动调整中频增益和射频衰减器,以达到最佳效果。

4 一个内置的低噪声放大器降低了噪声,两个增益级有助于平衡噪声与失真。

向前迈进

卫星链路的性质给射频设计者带来了挑战。除了保证通信性能外,系统必须在卫星的整个生命周期内可靠地运行。无论卫星是在地球静止轨道还是低轨道星座的一部分,一旦部署,就不能被召回进行维修,这就需要很高程度的保证。为了应对更高的频率和更宽的带宽运行带来的挑战,需要进行更复杂的测试和鉴定,以确保毫米波元件和设备的测量是准确的,让元件和系统满足苛刻的空间要求。

随着带宽和频率的增加,需要新的方法来减少测量所允许的微小误差。当测试设置包括信号分析仪和DUT之间的连接电缆、连接器、开关和夹具时,测量校准应从信号分析仪的输入端口(即参考平面)扩展到DUT测试端口(即测量平面)。信号分析仪可以执行内部校准程序,提供复杂的振幅和相位校正来补偿,以校正频率响应变化。随着越来越多的系统转向毫米波频率并最终从5G过渡到6G,任务的成功将取决于对设备和系统性能的准确测量。


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