5G部署已经开始，大部分工作仍然集中在基础设施，即承载所有数据的无线电和网络上。事实上，仍有大量的研发活动在进行，而这些早期的产品——包括调制解调器、天线阵列、放大器和数据转换器等——肯定会随着时间的推移而逐渐完善。测试设备在工程实验室外也显示出使用迹象。甚至自动测试设备（ATE）制造商也在为即将到来的大批量元器件生产做准备，而5G网络安装测试设备也已经出现。
5G也为更高的网络层带来了变化。由于5G有望减少延迟并提高LTE的可靠性，核心网将演变成为软件定义网络（SDN），会根据应用场景的不同而相应地处理数据。
大部分5G开发都集中在5G新空口（5G NR）上，重点是24.25GHz以上的毫米波（mmWave）频段。这些高频具有更大的带宽（高达400MHz），要比现今无线通信使用的6GHz以下频段所能提供的带宽高得多。事实上，Verizon于2018年11月13日宣布使用早期5G手机在28GHz频率上传输数据的演示仍然基于LTE网络——目前仍将使用LTE来处理控制信号，而一些数据则会使用毫米波。这类系统由于要依赖于LTE和5G的双连接，因此被称为是“非独立的”。一些6GHz以下的频段也将用于数据传输，特别是在没有mmWave信号的区域。因此，TS 138 101-3 V15.2.0（2018-07）等规范规定了双连接的使用和测试。最终，我们将看到“独立的”5G，包括无线接入网络（RAN）和采用SDN的核心网络，而不再需要LTE（图1）。
图1：5G一开始会使用非独立的无线网络，然后最终过渡到独立网络。图片来源：Anritsu
同时使用LTE和5G无线会引起手机功耗问题，因此这一首款5G手机才会附带电池。而电网供电基站和工业物联网（IIoT）设备使用5G就不会出现这个问题。此外，通过毫米波信道进行通信的5G手机可能具有波束控制（beam steering）功能，这在《Beam steering: one of 5G's many technologies》一文中有详细解释。基站和小基站可能具有多组功率放大器、数据转换器、混频器和其他射频元器件，以配合包含256个阵元的相控阵天线。而手机可能只有一组这样的元器件来驱动四阵元相控阵天线。
Andreas Roessler
Rohde & Schwarz
据罗德与施瓦茨（Rohde & Schwarz）公司Andreas Roessler表示，大多数验证、表征和合规测试——特别是在频率范围1（FR1，450MHz至6GHz）内——所使用的大部分RF测量方法都跟LTE一样。误差矢量幅度（EVM）、RF信号功率和相邻信道功率等测量指标对5G信号仍然适用。Roessler告诉EDN，具体的测量规范——特别是FR2（24.25GHz至52.6GHz）的规范——仍在制定中，但今年初应该可以公布。
功率放大器（PA）可能会加重手机设计人员所面临的功耗问题。ADI公司Thomas Cameron解释说，因为单个PA需要驱动LTE和5G NR两种信号，所以手机制造商正在推迟在相邻子载波上同时提供LTE和5G信号。
对于使用频段n41（2.502GHz至2.690GHz）的Sprint来说，这一问题尤其严重，因为其必须将LTE和5G NR信号放在该频段内的相邻信道上。“这是一个不利因素，”Roessler表示，Sprint将使用三个20MHz LTE下行链路子载波，以及两个LTE上行链路子载波和两个5MHz NR子载波，分别为60MHz、80MHz或100MHz，具体取决于市场。这就要求PA既能放大LTE信号，又能放大5G NR信号，从而会导致互调失真，而使PA效率下降。Roessler表示，要解决这一问题，Sprint必须阻止手机同时传输LTE和5G NR信号。
测试设备（台式和PXI）可以生成和分析LTE和5G NR信号。图2给出了美国国家仪器（NI）的一种PXI系统。它由矢量信号收发器和矢量信号分析仪组成。其他仪器包括用于包络跟踪的示波器、用于提供功率和测量功耗的源测量单元（SMU），以及用于被测设备（DUT）控制的数字仪器。
图2：5G NR测试系统可以生成并分析LTE和5G信号。来源：NI
Alejandro Buritica
National Instruments
“5G NR的测试已经进入验证和表征的预生产状态，”NI公司Alejandro Buritica说。Buritica已经看到工程师正在使用图1所示的系统并自己开发系统来测试用于基站的早期芯片和子系统，而手机测试才刚刚启动。
Roger Nichols
Keysight Technologies
“生态系统处于早期生产阶段，”是德科技（Keysight）的Roger Nichols说道，“我们看到工程师正在测试5G无线电和高速数字链路设备。早期的标准一致性测试已经开始。”Nichols指出，工程师不仅要测试物理层，还要进行直到应用层的误码测量和协议测试。
虽然可以使用有线连接来测试5G NR元器件，但要测试集成的相控阵天线系统就需要通过空口（OTA）测试整个系统。随着更多5G NR产品的开发，OTA测试逐渐流行，而且其重要性会不断增加。
OTA测试需要采用暗室来减小环境信号的幅度并尽可能降低反射。图3所示的系统可以让工程师对集成式波束控制天线（结合了放大器、数据转换器、混频器和波束控制IC）进行初始测试。
图3：集成相控阵天线（右侧白框）的OTA测试需要使用接收天线（左）以及信号源和信号分析仪。来源：是德科技
罗德与施瓦茨的ATS1000测试系统（图4）包括可最大限度减少环境信号干扰并减少反射的暗室，因此可以直接测量天线信号。
图4：罗德与施瓦茨的ATS1000天线测试系统包含一个暗室，用于将被测天线与环境信号隔离。来源：罗德与施瓦茨
图5显示了以3.5GHz为中心的信道带内和带外输出功率所需的一些测量。星座图显示了四个分量载波的平均RMS EVM。
图5：用自动测试系统和传统盒式仪器测量带内（蓝色）和带外信号功率。来源：NI
在将RFIC和其他元器件组合成子系统和系统之前，必须先对其进行测试。看到这种测试的需要，ATE系统制造商Cohu和Teradyne正在采取措施来适应这些新的器件。
Cohu宣布将在其Diamondx和PAx IC测试仪中使用是德科技的PXI测试设备。图6所示的测试系统将仪器架与测试头组合在一起。PXI机箱用于信号生成和捕获，机箱下方的电源为DUT供电。
图6：Cohu将是德科技的PXI 5G信号源和分析仪连同电源与测试头集成到一个完整的5G RFIC测试系统中。来源：是德科技
Steve Wigley
Cohu
“5G市场上有很多行动，”Cohu公司的Steve Wigley说，“目前，我们看到美国的英特尔、高通、ADI和Qorvo等公司以及中国的华为和中国台湾的联发科都在活动。”大部分活动都在FR1频段，但FR2频率正在兴起，特别是在美国。“源自研发的测量科学正在应用于生产测试。”Wigley补充道。
Wigley指出，早期生产会主要是基站，器件数量在数千万到数亿之间。一旦5G手机在2021年和2022年进入主流，数量将跃升至数十亿。随着时间的推移，ATE公司可能会选择开发自己的测试板，而不是使用PXI设备。
ATE制造商泰瑞达（Teradyne）采取了不同的方式。除了测试RFIC之外，Teradyne还解决了有线网络基础设施问题。5G肯定会影响从铜背板到长途光网的一切，但其他技术也会发挥作用。考虑到这一点，Teradyne宣布其UltraFlex ATE系统（图7）现在可以处理高达60Gbps的数字数据速率，可以同时测试设备的RF和数字部分。
图7：Teradyne的UltraFlex ATE系统现在可以60GHz的数据速率测试设备。来源：Teradyne
Yi Zhang
Teradyne
“由于无线子系统现在涵盖从数字到射频，我们需要同时测试射频和数字基带信号。”Teradyne公司Yi Zhang表示，“对于发射器和接收器，市场已从纯模拟（I/Q）接口转变为数字接口。功能已从基带收发器IC转移到RFIC。”Zhang认为需要自动化测试的有两大类设备：RF收发器天线头和使用PAM4调制的前传/回传数字数据管道。图8显示了RF收发器的框图，该收发器覆盖了从基带信号到天线的一切。高速串行信号将使用PAM4调制。
图8：Teradyne测试仪使用内部设计的测试板来测试芯片，覆盖信号链的RF和基带部分。
“实现60GHz性能是一个巨大的挑战。”Zhang说道，“我们的客户正在进行表征和生产测试，他们需要很多通道。我们的设备可以支持32个发射器和32个接收器。我们还必须尽量减少测试板和DUT之间以及DUT之间发生的信号损失和串扰。“
虽然大多数5G NR测试活动都涉及元器件和子系统，但初始部署已经开始了。与前几代无线网络一样，运营商的安装人员需要进行现场测量。专门针对5G而设计的便携式无线测试仪也开始出现，其中之一就是来自Viavi Solutions公司的CellAdvisor 5G（图9）。Celladvisor 5G是一款实时频谱分析仪，带有5G分析APP和硬件。它可在FR1和FR2频段工作（FR2是可选的）。
图9：世界各地的无线通信运营商正在使用便携式测试仪（如Viavi CellAdvisor）来测量FR1和FR2频率下5G信号的RF特性。
Kashif Hussain
Viavi Solutions
“运营商在实验室和现场都在使用CellAdvisor，”Viavi公司的Kashif Hussain说道，“他们用它来进行波束验证，并在网络或用户设备没有锁定信号时使用。”
随着5G无线开始接入网络，网络本身也在演化中。Spirent和Ixia（现为Keysight的一部分）等网络测试设备公司正在准备测试专为移动应用而优化的RAN和SDN、工业测量和控制，以及自动驾驶汽车等应用。实际上，工业IIoT应用可能会引领5G的普及。为什么？因为许多消费者不会热切地购买早期的5G手机。在基础设施没有到位之前，他们为什么要购买5G手机？
本文为《电子技术设计》2019年3月刊杂志文章。
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