是德科技从产品问世各阶段深度解读5G测试挑战

4G/5G无线通信是大家最近讨论得最多的话题之一。4G网络刚部署不久，5G网络将有望在2020年左右到来。5G网络每秒可传送125GB数据，比4G技术快6.5万倍。5G相对4G能够极大提升我们的用户体验，然而这对工程师来说，却带来了数据传输速率、容量、密度、传输延迟、可靠性和能效等各种挑战。 日前，是德科技（Keysight，原安捷伦科技）推出了两款应对5G测试的最新利器：Infiniium V系列示波器和经济型矢量网络分析仪E5080A。这两款产品分别能够满足5G设备对验证和生产的测试需求。 是德科技中国区市场总经理兼通信产品中心市场总经理罗丽诗（Elizabeth Ruetsch）女士表示，任何无线终端产品的诞生都分为四个阶段：预研、开发、认证和生产。在介绍两款新产品之前，她首先对4G/5G产品在预研和开发两个阶段将会遇到的测试挑战做了介绍。

图1：是德科技中国区市场总经理兼通信产品中心市场总经理罗丽诗（Elizabeth Ruetsch）解读预研和开发阶段存在的测试挑战。
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图2：任何电子产品诞生都将经历预研、开发、认证和生产四个阶段。
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• 第1页：任何产品的诞生都分为四个阶段	• 第2页：5G系统最热门的是系统仿真
• 第3页：波束赋形及PA和双工器测试具代表性	• 第4页：新系列示波器技术优势无法超越
• 第5页：VNA满足动态范围和用户界面新要求

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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 5G系统最热门话题当属系统仿真 5G技术将有望在2020年实现商业化。在第一个阶段——预研中，客户所遇到的挑战包括：新的物理层技术，会对波形信号的格式提出新的需求；通信发展到毫米波所遇到的测试挑战；大规模MIMO，无论是64通道、128通道还是更多通道的MIMO，都对测试带来了更大的挑战；信道估计，特别是到了5G，这变成了一个新的话题。 图3是移动通信技术的生命周期图，即技术从概念形成开始一直到商用化之间所经历的过程。回顾2G~5G发展，大概每十年会有一个技术革命产生。LTE去年年底，中国移动已经建了70万个基站。从这里可以看出，移动通信从LTE到LTE-A到5G，或许也是十年的周期。业界开始着手研究5G移动通信的概念。

图3：移动通信技术的生命周期。
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谈到5G，最热门的当属如何去仿真5G移动通信系统。因此，是德科技在2014年10月推出了业界第一款5G移动通信系统仿真库，它是基于SystemVue的系统仿真库。它提供新的空中接口标准支持，比如FBNC、GFDM和NOMA等新的非正交波形文件由该仿真库来获得，以及全双工通信（5G要求如此）。此外，它还支持大规模MIMO，可以进行MIMO波束赋形，以及毫米波波段上信道的估计和研究。 那么，人们对5G移动通信有怎样的期待？Elizabeth认为有如下几个趋势：移动数据需求量越来越大；有越来越多的无线设备连接到网络上（即物联网）；有各种无线应用（比如手环）连接到智能手机的App上使用；用户对网络的期待值越来越高。用户希望速度更快，在拥挤的地方能够接入，体验更好，通信实时可靠，以及万物都能交流。对工程师来说，这带来挑战的是：数据传输速率呈100倍增长，容量增长1000倍，密度增长100倍，延迟仅1ms，可靠度达99.999%，以及能效要提升100倍。而对运营商来说，就是需要找到一种合理的模式去盈利，这样通信制式才能有效地发展起来。

图4：5G通信期待越高，挑战也越高。
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那么，在拥挤场所如何提供更好的服务呢？在这样的场所，用户通过小基站接入。同时，移动回传会更多地转向毫米波，从而将通信速率提升100倍以上——以往毫米波通信更多的是用在国防、航空的点对点通信中。目前，汽车里的移动设备是通过宏基站进入到网络中的。未来的一个趋势是，汽车车顶安装一个基站，车内移动设备可以通过它来接入网络。这需要有更强的核心网传输来支撑高速率的传输。 虽然5G是2020年的事情，但是是德科技目前已经在和5G玩家共同研究它了。这张图是去年移动互联网创新大会上做的联合演示。中国移动，8x8 MIMO未来基站的原型，拼成了一个“中”字。未来这样的基站会部署在楼宇之间，形成5G通信网络。是德科技在协助中国移动这个项目的开发。右图是是德科技协助中国移动设计研究院C-RAN项目的联合开发。

图5：是德科技与中国移动合作开发5G基站的联合演示。
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在5G通信中，是德科技所专注的领域包括五大块：射频频谱、天线技术、网络架构、射频接入技术以及射频硬件。每个国家所分得的频谱不同，其中就涵盖了毫米波通信。天线技术包括可控阵列和大规模MIMO。谈到网络架构研究，比如骨干网，大家会想到移动回传、光网传输。无线接入技术包括各种通信制式。射频硬件的研究则特别是在电源管理降低能耗方面。前面四块侧重在基站/网络侧研究，最后一块则是很多芯片厂商在做相关研究。 在5G设计中，产品用到的射频频率越来越高。相较射频来说，很多工程师都对毫米波不太熟悉，信道建模非常重要。带宽越来越宽，从500MHz到3GHz信号，5G都有提出。另外这其中还包含多天线传输、网络架构等挑战。KeySight在这些领域都有很深研究，比如在频谱方面，高达1.1THz信号的解决方案可以应对毫米波等越来越高通信速率的技术；过去5年KeySight为802.11ad领域提供测试解决方案；大规模MIMO，是德科技为LTE提供2、4、8……64通道甚至更多通道的MIMO测试解决方案；在网络侧，该公司提供最好的基站测试解决方案；此外，它还有涵盖电源管理、接口标准等方面的测试解决方案。 5G是一个全球性的问题。是德科技在全球有多个研发中心，包括中国、日本、欧洲和美国等。同时，该公司与全球多个5G研究组织深入合作，比如中国移动，以及台湾国立大学、美国伯克利大学、加州圣地亚哥大学和滑铁卢大学等。该公司也是多个行业组织（如未来通信论坛、NYU Wireless）中的会员。 在今年的巴塞罗那NWC展上，Keysight第二次加入到中国移动5G移动通信展示区。Keysight的VSA软件将5G基站测试的结果进行显示。在伯克利5G峰会上Keysight也有相应演示。 “在网络侧的设计阶段，是德科技可以提供微波器件的测试、高速网络测试、高速终端设计以及电源功耗的测试等全面测试解决方案。”Elizabeth表示。

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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 波束赋形及PA和双工器测试具代表性 “第二个阶段——产品开发阶段，以LTE和LTE-A举例，有两个例子特别要提到：波束赋形及射频功放和双工器的测试。这是4G和5G桥接过程当中的技术走向。” 是德科技针对客户不同需求提供了台式仪表、模块化仪表和手持式仪表等多样化的解决方案，同时具有软件平台支持产品整个生命周期所需要的测试要求。 为了达到更高的数据速率，可能需要发射分级和接收分级，甚至是波束赋形，这对测试都会带来很多挑战。多通道测试用户希望能够扩展并且是集中化的，因此模块化产品在多通道测试中将极大发挥其作用。比如通过模块化产品可以满足8x8波束赋形的测试要求（图6）。是德科技可以提供将软件组装在机箱中的方案，这对客户来说也可以很方便地测试。

图6：LTE-A多通道参考解决方案加速LTE-A产品设计。
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模块化设备在做载波聚合时，如果两个频段离得比较远，可能需要两个模块化的产品来实现。在测试MIMO时，要求模块之间的同步精度达到一定要求，目前Keysight的模块之间的同步精度小于1ns，相位精度小于1°，完全能够满足LTE-A和802.11ac波束赋形的测试需求。基于Signal Studio和89600 VSA的软件平台，可以提供和台式设备相同的测试性能和功能。

图7：模块化设备的特点和优势。
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下面来看功放和双工器聚合模组的测试。手机电源功耗的问题越来越重要，LTE信号的峰均比很高，对功耗的要求非常大；如果保持在线状态，PA功耗就非常大。设计工程师要考虑如何最大化电池效率。此外，手机要支持全球漫游，在一个终端内PA要能支持多个频段，这对PA来说功耗要求也非常大。对于测试工程师来说，无论是在开发阶段还是在生产阶段，都会遇到各种测试挑战。PA要求测试速度很快，并且测试系统希望是自动化的测试系统，特别是在产线测试中。同时PA测试对成本要求也越来越高，并希望利用现有程序测试，同时小巧简便等。 因此，Keysight希望用模块化的自动化测试方案来更快地满足测试工程师的需要，比如去更准确地表征研发过程中的测试指标，更快地进行数据分析，以及PXA模块化设备能更快地进行数据管理。这些都是模块化设备得天独厚的优势。 从2G、3G到4G再到未来，手机的功放在不断演进，为了满足功耗的需求，新的技术应运而生，比如包络跟踪技术以及将双工器集成在一起。包络跟踪技术需要进行宽带电源调制，在这个过程中会引入失真，需要将其找出并剔除。是德科技可以提供相应解决方案。是德科技在功放测试上，可以同时提供基于台式测试设备的和基于模块化测试设备的测试系统。

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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} Infiniium V系列示波器技术优势无法超越 “全球第一个在高速移动环境下的5G演示系统是三星设计的。其中所用到的测试仪器便是Infiniium V系列示波器的前代产品。”Infiniium V系列示波器新品换成由是德科技数字与光测试业务部大中华区市场经理杜吉伟先生解读。为什么三星会选择是德科技的示波器做5G系统的验证测试？有两个原因。1、5G是一种无线射频系统，而示波器是一个时域的仪器；目前业界只有Keysight示波器给出了动态范围、EVM、相噪频率等类似频谱仪的指标。2、包括三星、Intel和Apple在内的很前沿的公司在使用Keysight示波器时都觉得非常好用，但他们有个顾虑——Keysight如何保证其产品的竞争优势？Keysight用这款产品回答是 “从‘新’出发、从‘深’开始”，即不断利用先进技术推出新的产品，能够对5G信号和其他高速信号作深入分析。

图8：是德科技数字与光测试业务部大中华区市场经理杜吉伟指出，Infiniium V系列示波器的关键技术，其他厂商无法超越。
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Infiniium V系列示波器的推出在几个领域中实现了突破。一是在所有的仪器仪表厂家中，只有Keysight一家公司有自己的半导体工艺——磷化铟，就像在手机领域只有三星有自己的半导体工艺一样。磷化铟工艺的好处是，它的信号完整性非常好，仪器的本底噪声、动态范围、测量抖动底都是业界最好的。

图9：磷化铟工艺制造的关键模块。
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该示波器将磷化铟工艺应用到8GHz~33GHz带宽中，变成了一个射频微波仪器。同时其很多功能也是全新的。从硬件上讲，它解决了很多问题，包括触摸屏采用容控屏，使用容易很多；提升了数据外传速率，如USB接口以5Gbps速率传送数据，实测速度可达200MB/s；其主板上的CPU、内存条全部更换，信号完整性有极大改进。 它有两大技术是其他厂商无法超越的：1、磷化铟半导体工艺是它独有的；2、芯片技术，像示波器中最主要的技术是ADC，而像TI、ADI这些专门做ADC的厂商都无法做出Keysight的10比特、40Gbps采样的单片ADC——它们在高带宽ADC上只有8比特产品。同时，不只是示波器本身，其在探头和软件上也做了更新。探头必须配合更新才能满足性能要求。 此外，Keysight示波器的存储深度在业界是最深的。Keysight有2GB甚至在特别模式下有4GB存储深度的示波器，而竞争产品只有1GB。为什么竞争对手做不到？因为示波器采样速率太快（比如160GSps），如果又要存很多数据那就很难处理。 另外，在调试手机死机等深度调试方面，该产品在硬件上做了调试功能，比如针对产品总线类型调试深度可设置触发条件（深度可设到160比特，速率可设到12.5Gbps），只要速率在范围之内，一有问题就能够捕获。三星、Intel等公司对此有要求，但是Keysight性能做到了全球第一。 为什么要做到这么深？现在的服务器中最常用的接口有两种：PCIe3.0（8Gbps）和USB3.1（10Gbps）。其中一个符号就有130比特，而现有方案最多只有8比特，根本无法调试。Infiniium V系列示波器推出后，就只有该产品能做深度调试。 另外，探头方面，其配备的探头一次连接可以测得4个波形（2个单端、1个差分、1个共模），高速电路设计需要这4种波形，一次就能得到，使用起来非常方便。而且是德科技是业界唯一一家提供磁铁吸附式连接探头（带宽可到30GHz）的公司，这样便不用插拔，不容易损坏。 HDMI、MHL、MIPI以及DisplayPort等接口都是用夹具（电缆而非探头）来测的。以前的方案是在探头前面加一个SMA电缆来连，这种方案很贵（因为包括探头），是德科技现在推出了一种适配器，直接与电缆相连，价格就便宜很多，而且其信号完整性也高很多。现在国内一些HDMI认证实验中心就考虑采用这种方案。 此外，除了普通的示波器功能，该示波器还支持MSO（16个逻辑通道）。其逻辑通道采样率达到20GSps。这只有Keysight能做到，全球第二的速率是12.5GSps。这在测DDR时特别有用。在需要用到多个通道的时候，还可以通过软件把多台示波器摞起来当一台示波器使用，比如将两台合起来用时，示波器的界面上显示的就是8通道。

图10：Infiniium V系列示波器是世界最快的MSO。
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图11：PCIe3.0调试的例子。由于存储深度足够深，可以在任何位置进行触发。
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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 新一代VNA满足动态范围和用户界面新要求 同时，是德科技还同时带来了另一款面向生产测试的经济型矢量网络分析仪（VNA）新品E5080A。是德科技元器件测试事业部（日本神户）产品市场工程师Yasuhiro Mori先生首先谈到，元器件作为整机的组成部分，其成本和生产效率对于整机的生产和研发是非常关键的。

图12：是德科技面向生产测试的经济型矢量网络分析仪E5080A由是德科技元器件测试事业部（日本神户）产品市场工程师Yasuhiro Mori解读。
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据Yasuhiro介绍，Keysight的矢量网络分析仪共分为四个系列：ENA系列（定位经济型和普通研发制造）、PNA系列（定位于高端研发或复杂设计）、FieldFox手持式（用于外场基站维护和建设使用）和PXI模组（多端口、模块化，可根据需求搭建成2端口~32端口的测试平台）。今天隆重推出的是ENA系列中的E5080A，它带来了革命性的创新。 网络分析仪指的是电路网络的分析，如S参数、Z参数等。它涉及到的被测件包括基站中的滤波器和天线等无源/有源器件，以及无线终端里的放大器、滤波器和双工器等，使其保证工作在理想的阻抗或放大/缩小信号的条件下。 ENA系列网络分析仪在中国乃至全世界最流行的一个网络分析仪平台，基本上每个公司、大学、研究所和工程师的实验室里都有一台这样的设备。每年在中国卖出的E5061B或E5071C的台数都在成百上千台。去年由于4G建设，Keysight卖出了将近2000台设备，以E5071C为主。 既然E5071C平台这么流行，那么E5080A又有哪些改进呢？未来的无线通信对动态范围和用户交互界面有了更高的要求，因此Keysight推出了E5080A这一新的平台。 同时推出这个产品还有一个划时代的意义。以前Keysight的台式网络分析仪分ENA（由日本神户研发团队开发）和PNA（由美国圣塔罗萨研发团队开发）两个系列。由于历史原因，这两个系列是由两个不同团队开发的，它们在软件使用和工人使用上有所区别，同时代码也是不兼容的。借E5080A发布之际，Keysight将这两个平台融合在一起。它融合了ENA和PNA的所有优点，在交互性和可操控性上推出了新的功能。 4G/5G的技术演进对元器件提出了新的要求。以基站为例，现在的基站滤波器要求其在阻态的动态范围比3G/2G时大10dB。以往的网络分析仪动态范围是120dB~130dB之间，而现在的要求则是在140dB。在智能终端领域，由于手机的生命周期越来越短，元器件的量就要越来越大。这对元器件供应商来说，供货周期要更快；这对测试速度来说，也就是越快越好。客户要求在新的网络分析仪平台上提供2倍的速度。 另外，从使用者角度讲，以前的网络分析仪都是采用传统的界面操作，而新一代的网络分析仪采用的是更先进的触摸式交互界面。这能提供两个好处。一是可以简化复杂测试环境中的设置，比如多端口器件如果按原来的校准方式，可能需要花费半天或几小时来设置校准或流程；通过现在向导式的交互界面，可以在一个校准时间内简化设置流程。二是现在年轻一代的工程师已经适应了触摸操作，比如通过滑动来选择程序，通过长按键来选择菜单等。新一代的工程师可能不在乎功能有多复杂，而在乎使用有多简单。 综合以上原因，Keysight推出了E5080A新一代经济型VNA产品。它分为2端口和4端口两种型号，支持目前常用的4.5GHz~9GHz频段。它在硬件上，在动态范围和测量速度上有较大提升。E5080A为客户带来了两个好处：从老板角度讲，它可以满足提升效率、降低成本的要求；从实际的使用员工来讲，它的使用简单，提供新的用户界面来简化用户的设置工作。 图13是上一代E5071C和新一代E5080A的对比——假若测试的是需要110dB动态范围的基站滤波器，两者在速度上的对比。IFBW（中频带宽）会影响动态范围和测试速度，IFBW设置得越小，则动态范围越高，但速度越慢。在同等情况下，由于E5080A动态范围很高，IFBW可以设置得更高，因此在测试速度上可得到10倍的提升。这得益于硬件的提升——E5080A提高了源输出功率，并在此基础上降低了接收机的本地噪声，因此带来了动态范围的较大提升。

图13：E5071C和E5080A在测试基站滤波器时的速度对比。
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它在操作界面上实现了创新。它在整个界面上非常清晰，其上方的工具栏包含了最基本的操作，如增加窗口、减少窗口、增加轨迹线、减少轨迹线以及截图功能。它在按键操作上解放了鼠标，只需在屏幕上长按触摸键，它就相当于鼠标右键的操作。另外在向导式方面，它也提供了简化。 图14是拖拽功能和设置向导功能的演示。若在其上将左右两边分别设置成E5071C和E5080A的动态范围作对比，可以看到E5080A的测试速度提升了10倍。

图14：Yasuhiro对E5080A的拖拽功能和设置向导功能做演示，并通过设置动态范围模拟E5071C和E5080A作比较。
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