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30GHz带宽信号在285GHz频段上的准光学OTA传输

Greg Jue, Keysight Technologies

6G高数据吞吐率的新频谱

220至330GHz的亚太赫兹频段有可能使用极宽的连续频谱。尽管这种频谱可以帮助提高数据吞吐量，但在使用这些极端带宽时，将面临重大的射频和基带挑战。从射频角度来看，在如此高的频率和如此极端的带宽下，可实现的系统性能是不确定的。随着带宽的增加，频率越高，信噪比（SNR）越低。与窄带系统相比，信道损伤以及线性硬件振幅和相位损伤变得很严重。在具有显著信道损伤的低信噪比环境中，稳健的信道估计和均衡变得越来越有挑战性。波形质量下降限制或排除了高阶调制方案的使用。要克服自由空间的路径损耗，以保持足够的信噪比，获得足够的链路预算，需要高增益、高指向性的天线，如相控阵天线或其他技术。

从基带的角度来看，为了在低信噪比的情况下获得稳定的性能，信道估计和均衡变得越来越复杂。由于需要更高的采样率来支持极端的射频调制带宽，接收器基带算法的实现变得具有挑战性。基带资源并行化增加以支持高采样率，迅速消耗了基带资源。同时，为了在极端带宽的低信噪比情况下进行信道估计和均衡，需要更强大和复杂的算法。

220至330GHz频段的性能是相对未知的。在这个频段，用于早期测量的商用现成（COTS）硬件有限。相对来说，很少有出版物显示系统级的射频性能，如该频段在宽或极端调制带宽下的误差矢量幅度（EVM）。本文介绍了两个案例，以深入了解220至330GHz频段的系统性能：

·         EVM连线测量可以深入了解在低信噪比的大带宽下可以实现何种水平的EVM性能。EVM测量是在占用带宽高达30GHz的情况下进行的，这相当于一个单一数据流的数据吞吐率接近100Gbps。¹ 6G应用将涉及OTA（空中）传输，但首先进行EVM连线测量可以了解到最佳情况下的性能。

·         EVM OTA测量可以深入了解在一定传输距离上可以实现何种水平的OTA EVM性能。本文研究了一个案例：使用准光学技术在285GHz的OTA点对点传输，在8米距离上传输30GHz带宽的信号，并讨论了关键的发现。

EVM连线测量

在这一节中，图1所示的Keysight sub-THz测试台被用来进行波导连接的EVM测量。

图1 220至330GHz的亚太赫兹测试台。

测试台概况

M8199A 128 GSa/s四通道任意波形发生器（AWG）可生成宽带宽调制的中频（IF）信号。M8199A的模拟3dB带宽为65GHz。VDI公司的紧凑型WR3.4上变频器（N9029ACST-U03）将M8199A的IF转换为所需的亚太赫兹频率。这个上变频器对本地振荡器（LO）的频率使用6或12倍频（图1中为12倍频）。一个带有UNY选项的E8257D PSG模拟信号发生器为VDI上变频器和下变频器提供了一个低相噪LO。一台带有WR3.4波导锥的VDI-Erickson PM5B功率计用于功率测量。

在接收端，一个VDI紧凑型WR3.4下变频器（N9029ACST-D03）将亚太赫兹频率转换为中频，对LO频率使用6或12倍频（图1中为12倍频）。一个高性能的110GHz、四通道的UXR示波器将中频信号数字化。该UXR的四个通道的采样率均为256GSPS。

该测试装置使用VDI WR3.4 302至318 GHz波导带通滤波器或VDI WR3.4 270 GHz高通滤波器，用于更宽调制带宽的测试。

配置高数据吞吐率30GHz带宽

符号率被设定为25Gsps，这相当于在没有前向纠错（FEC）编码率冗余的情况下，在相应的带宽里理论上的原始数据率接近100Gbps，即每秒25G的符号乘以16-QAM调制的每个符号4比特，结果是单个数据流为100Gbps。根升余弦滤波器的alpha为0.22，所以占用带宽是30.5GHz。计算出的实际数据吞吐量是97Gbps，没有FEC编码率冗余，只使用数据有效载荷符号，不包括同步、SFD、CES、帧头和空闲段的符号。

为了改善VDI 270 GHz高通滤波器对不期望的下边带镜像的抑制，M8199A的中频从16 GHz增加到25 GHz。这个较高的中频通过将不期望的下边带镜像间距从期望的上边带镜像移开2×中频或50 GHz而不是使用16 GHz中频的32 GHz来改善不期望的下边带镜像的抑制。不希望出现的镜像出现在较低的频率上，高通滤波器的裙边提供了更多的抑制。使用25GHz中频的260GHz最终LO（中频25GHz + LO 260GHz = 285GHz），而不是269GHz最终LO（中频16GHz + 269GHz = 285GHz），LO抑制也得到改善。LO馈通发生在频率较低的地方，高通滤波器提供了更多的抑制。

图2显示了VSA Flex Frame的解调结果，使用25GHz中频和VDI紧凑型WR3.4上下变频器，LO倍频数为12。在下变频器输出上使用的一个外部中频放大器增加了进入UXR的中频信号电平。

图2 30GHz带宽信号在285GHz频段的VSA Flex Frame解调结果。

如图2，使用VSA Flex Frame进行解调的结果显示，A为测量的16-QAM星座，B为测量的285GHz频点上的频谱。频谱中的蓝色阴影区域测量的是30.5GHz的占用带宽。C显示了5.89%的残余复合EVM测量值。底部的D显示了同步、SFD、CES、帧头和数据有效载荷帧分配的Flex Frame总结。

EVM OTA测量

Keysight的sub-THz测试平台被用来研究285GHz的OTA测量，30GHz带宽的点对点传输数据率接近100Gbps，传输距离为8米。高增益、高方向性的天线，如相控阵天线，是克服自由空间路径损耗的必要条件。然而，这是不可能的，因为在本实验时，还没有220至330GHz的相控阵天线。取而代之的是，使用性能指定为220GHz的COTS透镜研究了准光学技术。

在这个实验中，试验台被分成了发射部分和接收部分。图3中测试装置的发射侧由M8199A AWG组成，用于产生25GHz中频信号。

图3 在285GHz频段、30GHz带宽下的OTA准光学传输，发射侧。

一个带有UNY选项的E8267D PSG信号发生器为VDI上变频器提供21.666 GHz的低相噪LO。VDI上变频器将M8199A AWG的25 GHz中频转换为285 GHz，使用的是12倍频（21.666 GHz × 12 = 260 GHz）。VDI WR3.4 270 GHz高通滤波器滤除较低的不需要的镜像（260 GHz LO - 25 GHz IF = 235 GHz），同时通过需要的镜像（25 GHz IF + 260 GHz LO = 285 GHz）。285 GHz的信号通过VDI WR3.4放大器，然后用VDI WR3.4对角喇叭天线进行OTA传输。

在本实验中，220至330GHz的透镜无法获得，因此从COTS G波段高斯光学天线组件上拆下了6英寸的透镜，并设计了3D打印的夹具，将透镜安装在轨道上。设计了一个3D打印的夹具来安装VDI转换器，并仔细将WR3.4对角喇叭天线的中心与透镜的中心对齐。带手刹的水平轨道支架允许在测试装置的发射和接收侧调整对角喇叭天线和透镜的间距。

准光学OTA传输

图4显示了使用透镜进行准光学传输的概念。发射源的辐射元件，一个对角线馈电喇叭天线，与透镜，即准光学聚焦元件的距离为Z₀。光束腰，即光束半径的最小值，离透镜的距离为Z₁。在Z₁处，光束开始发散，超过光束腰部。对于准光学系统更严格的描述可以在参考文献2中找到。

图4 准光学传输，假设源头和接收器的透镜和馈电喇叭天线相同。

30GHz带宽信号在285GHz频段传输的准光学OTA信号分析

图5中测试装置的接收侧显示了接收透镜，然后是连接到VDI下变频器的VDI对角喇叭天线。发射和接收透镜之间的最终间距为8米。为了达到最终的间距，还对0.9m至4m的中间间距进行了逐步测量。带有UNY选项的E8257D PSG模拟信号发生器为VDI下变频器提供了21.666GHz的低相噪LO。E8257D PSG 10 MHz外部参考被锁定在发射侧的E8267D PSG 10 MHz参考输出。285 GHz信号被下变频为25 GHz中频（285 GHz RF - 260 GHz LO = 25 GHz中频）。25 GHz中频由外部中频放大器放大，然后用UXR示波器进行数字化，并使用VSA Flex Frame软件进行解调。UXR的10MHz外部参考被锁定在两个PSG上。安装在接收轨道上的激光源进行接收透镜与发射透镜的初始校准。功率测量使用N1913PM5B VDI-Erickson功率计，WR3.4对角喇叭天线连接到传感器头和WR3.4波导锥。

图5 在285GHz频段、30GHz带宽下的OTA准光学传输，接收侧。

图6显示了使用VSA Flex Frame的OTA解调结果，显示了测量的16-QAM星座和285 GHz的测量频谱。对于OTA测量，Flex Frame的归一化信道延迟扩展相对于连线情况有所增加，以解决OTA信道延迟的增加。B中的蓝色阴影区域测量的是30.5GHz的占用带宽。C显示了9.2%的复合EVM测量值。下方的D显示了同步、SFD、CES、帧头和数据有效载荷帧分配的VSA Flex Frame总结。

图6 30GHz带宽信号在285GHz频段上准光学传输的VSA Flex Frame解调结果。

VSA Flex Frame软件做了增强，通过两步的信道估计来解决低信噪比环境中的这些挑战性信道情况。第一步使用先导信号和前导信号来进行同步和初始信道估计。第二步添加数据有效载荷，用先导、前导和数据有效载荷符号进行信道估计，在指定长度的符号上降低EVM。

改变EVM测量中包含的数据有效载荷符号的数量会影响复合EVM。最小均方(LMS)均衡器试图在指定的符号数上使EVM最小化，本次测量的符号数为8000。符号是有噪声的，因为30GHz带宽上的信噪比很低，所以随着符号数量的增加，LMS均衡器算法有一个更困难的估计过程。

总结

220至330GHz频段是相对未知的领域，在了解系统性能可达到什么水平方面有许多未知因素。很少有出版物显示系统级的射频性能，如30GHz带宽信号在该频段的EVM。这里的结果说明了可实现的系统级性能和关键挑战。本文介绍了两个案例，以增加对220至330GHz频段可实现的系统性能的理解：

·         对220至330GHz频段的带宽高达30GHz信号的连线EVM测量提供了对最佳情况下可实现的EVM性能的深入了解。

·         30GHz带宽信号在285GHz频段的OTA点对点准光学传输技术提供了对可实现的OTA传输距离的深入了解。如该测试装置的视频演示³中所示，实现了8米距离的传输。

参考文献

1. “6G: Going Beyond 100 Gbps to 1 Tbps,” Keysight, 2022, Web: https://www.keysight.com/us/en/assets/7121-1152/white-papers/6G-Going-Beyond-100-Gbps-to-1-Tbps.pdf.
2. P.F. Goldsmith, “Quasioptical Systems: Gaussian Beam Quasioptical Propagation and Applications” Wiley-IEEE Press, 1998, Paper.
3. Keysight Test Setup Video Demo.