毫米波测试仪器创新
概览
在毫米波(mmWave)频率下工作的复杂性更高，并需要在射频测试应用中使用更通用、更精确的仪器。其原因包括波形日益复杂、测试点不断增加，以及波束成形和MIMO（多输入多输出）天线阵列等技术需求的相关限制性链路预算。此外，由于5G新空口(NR)等新无线标准和技术的不断发展，新射频前端和收发仪的验证或生产测试策略通常难以执行到位。
为了帮助用户应对这些挑战，NI推出了多款毫米波矢量信号收发仪(VST)，可提供高速的优质测量，并且其架构还可以满足待测设备(DUT)的需求，即使需求不断发生变化也不足为惧。其中最新产品是54 GHz扩频PXIe-5842 VST，其赋予毫米波测试全新功能，旨在通过快速测试缩短产品上市时间，以更少的连接整合测试系统要求并简化复杂的毫米波测试。
内容
- 从UHF至V频段的频率覆盖范围：54 GHz远程测量模块
- PXIe-5842：VST架构的扩展
- 54 GHz扩频PXIe-5842功能
- 互补性VST产品组合
- 利用解决方案和软件提高速度并增强可扩展性
- 适用于毫米波应用的PXI VST
从UHF至V频段的频率覆盖范围：54 GHz远程测量模块
VST的核心在于将宽带矢量信号发生器、矢量信号分析仪、高速数字接口和功能强大的FPGA整合到一台PXI仪器上。NI的PXIe-5842 VST扩展了VST架构，在应对日益复杂和不确定的无线标准、协议与技术方面实现了重点创新。
图1： 54 GHz扩频PXIe-5842 VST的详细视图
PXIe-5842 VST包含PXIe-5842模块和所需的PXIe-5655双通道本振(LO)合成器。PXIe-5842仅占用4个PXI Express插槽，可提供高达23 GHz的连续频率覆盖范围和高达2 GHz的瞬时RF带宽，RF性能极其出色。
54 GHz扩频PXIe-5842 VST中还配备第2个PXIe-5655双LO合成器，可为RMM-5585远程测量模块中的2个双向RF端口额外提供2个独立LO。还添加了PXIe-5443 RF端口开关，用于连接DUT毫米波端口和DUT IF端口。毫米波配置共占用6个PXI Express插槽，并包括RMM-5585远程测量模块。
PXIe-5842：VST架构的扩展
图2： 54 GHz扩频PXIe-5842程序框图
添加了RMM-5585远程测量模块后，PXIe-5842可在瞬时RF带宽为2 GHz的情况下将频率覆盖范围扩展至54 GHz。RMM-5585可提供与毫米波频率之间的频率转换，并接线至基于PXI的IF子系统。该架构可以尽可能缩短毫米波接口与待测设备之间的距离，由于中频损耗远低于毫米波损耗，这一点至关重要。将功率传输要求应用至较低频率意味着要在重要的毫米波测试端口输出更多功率。
该架构除了能进行独立的频率调谐外，还支持使用单个RMM-5585同时进行发射和接收操作，从而在单台仪器上实现多种不同的测试配置。程序框图如图2所示。
| 产品规范 | 54 GHz扩频PXIe-5842 |
|---|---|
| RMM-5585 RF输入/输出频率范围 | 22.5 GHz－54 GHz |
| PXIe-5543 RF输入/输出频率范围 | 200 MHz－23 GHz |
| 带宽 | 2 GHz |
| RF输入/输出幅度精度(23.5－50 GHz) | ±1.3 dB / ±1.5 dB（典型值） |
| RF输入/输出频率响应 (23.5－50 GHz) | ±1.4 dB / ±1.2 dB（典型值） |
| EVM (5G NR FR-2) 1CC，100 MHz环回，测量频率为28 GHz | - 44 dB |
| 最大平衡输出功率(28 GHz) | + 10 dBm，典型值 |
PXIe-5842功能广泛，可简化毫米波测试配置，增强测试覆盖范围内的功能性，并在单个紧密同步的PXIe仪器上实现高性能RF测量。
54 GHz扩频PXIe-5842功能
宽频覆盖范围
无线电频谱的分配一直在不断变化，并保留了不同频段用于无线通信、蜂窝通信、卫星通信、导航和射电天文学。确保可满足未来毫米波应用开发的频率覆盖范围需求至关重要。
PXIe-5842 VST的频率覆盖范围高达54 GHz，可实现对WLAN、UWB、5G FR-1以及最关键的5G FR-2频段(24.25 GHz－52.6 GHz)的全频谱覆盖，这意味着仅需一台仪器即可完成所有这些采用不同标准的测试。高频率覆盖范围还意味着PXIe-5842可用于从UHF到V频段的多种国防与航空航天应用。如雷达目标仿真、电子战和卫星通信中的频谱监测，或雷达和卫星通信系统中常用ESA（电子扫描阵列）组件的参数测试。
以前，如果要覆盖从低频到毫米波的整个频谱范围，则需要使用2个VST。54 GHz扩频PXIe-5842的最大频率从44 GHz增至54 GHz，仅需一台仪器即可满足覆盖范围需求，同时还覆盖了sub-6 GHz WLAN、蜂窝、物联网等频段。仪器复杂性明显降低，意味着用户能构建出简化毫米波RFIC开发的单一测试平台，从而支持多个不同的应用和频段共存。
IF和毫米波测试端口可满足多频带需求
毫米波RFIC扩展了现今的RF信号链设计，增加了频率转换、波束成形和相控阵列辐射的步骤。理想的测试方法需要能够映射到这些测试点，并具有足够的灵活性，以适应设计和需求的演变，同时能够在速度和成本方面进行调整，以满足批量需求。
图4： 配备一个远程测量模块的RF-RF双向测试设置
为了提供灵活性以适应信号链中每个步骤的不同要求，PXIe-5842 VST配备了双向测试端口，适用于中频和毫米波频率。双向测试端口无需在仪器外进行额外的信号调理和切换，可进一步提高测量质量，同时降低整体系统的复杂性。
图5： 配备一个远程测量模块的RF-IF双向测试设置
PXIe-5842包含2个IF测试端口，可独立使用或与毫米波远程测量模块搭配使用。这些端口提供从200 MHz到23 GHz的频率覆盖范围，为上变频器/下变频器或内置频率转换的波束形成器IC等多频设备提供直接接口。这些端口使54 GHz扩频PXIe-5842可以直接与多频设备连接，而不需要额外的仪器或外部信号调理。
高达2 GHz瞬时带宽
从5G NR和802.11be(Wi-Fi 7)等新一代无线技术到雷达测试和频谱监测等先进的航空航天及国防应用，为了不断实现更高的峰值数据速率，更宽信号带宽的需求日益增长。利用快速采样、高线性数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)，以及宽带内部校准机制，PXIe-5842可提供2 GHz的瞬时RF带宽，具有出色的测量精度。
凭借NI VST的高瞬时带宽和经校准的前端，用户可以高效地将其部署到要求严格的应用场景中，如雷达目标仿真、多载波聚合、数字预失真(DPD)算法实现、5G研究和原型验证以及实时频谱分析等。此外，VST还采用了幅值和相位校正专利算法，在其宽广的瞬时带宽范围内实现了很高的绝对幅值精度和较低的线性相位偏差。
误差矢量幅度测量性能
VST采用先进的专利IQ校准技术，可为宽带信号提供出众的误差向量幅度(EVM)性能。新一代无线设备的一个重要内在特性是在带宽不断增加的基础上对EVM的性能要求更加严格。基于较高阶的调制方案和宽带多载波信号配置，当今无线设备的RF前端需要有更好的线性度和相位噪声才能提供所需的调制性能。因此，用于无线设备测试的测试仪表必须提供更精准的RF性能。PXIe-5842可为5G NR等高阶调制方案提供一流的EVM性能。
| 中心频率 | 1 CC × 100 MHz | 2 CC × 100 MHz | 1 CC × 400 MHz | 2 CC × 400 MHz | 4 CC × 400 MHz |
|---|---|---|---|---|---|
| 28 GHz | -44.5 | -41.2 | -38.7 | -37.1 | -34.9 |
| 39 GHz | -45.3 | -41.0 | -38.4 | -36.4 | -35.8 |
| 47 GHz | -44.6 | -41.1 | -39.2 | -37.6 | -36.3 |
| 50 GHz | -44.4 | -41.0 | -38.7 | -36.8 | -34.6 |
表2：54 GHz扩频PXIe-5842功能测量EVM
相位相干同步
54 GHz扩频PXIe-5842的模块化架构与PXI平台相结合，可为需要相位相干的多通道测量提供同步和扩展功能。用户可在两个VST之间立即实现次纳秒级同步，适用于双极化天线空口测试等应用场景：
用户可以将相同同步水平扩展到MIMO测试系统。5G NR等现代通信标准都是针对单个设备上的众多天线使用MIMO方案，通过更多的空间流提供更高的数据速率，或通过波束成形提供更强大的通信。不足为奇的是，MIMO技术大大增加了设计和测试的复杂程度。它不仅增加了设备的端口数量，同时也提出了多通道同步要求。因其外形紧凑，用户可在单个PXI机箱中同步2个54 GHz扩频PXIe-5842。还可利用MXI进一步扩展系统，将多个机箱整合为一个PXI系统。
图8： 工程师可在单个PXI机箱中同步2个54 GHz扩频PXIe-5842。
对于每个VST，用户都可以像单个仪器那样以完全的相位相干方式进行同步。在硬件方面，VST可同步远程测量模块和基于IF的子系统的每个LO，也可将LO共享至其他VST，从而同步所有RF系统组件。在软件方面，用户可使用NI的专利T-Clock (TClk)技术，通过NI-TClk API轻松实现多台仪器的同步。
基于PXI平台集成多种仪器
图9： 通过NI-TClk API集成多种仪器
不少RF测试应用在RF或基带波形生成和分析之外，还需要额外的I/O。这可能需要使用电源或源测量单元(SMU)、基于模式的用于DUT控制的数字设备，或各种其他模拟、数字和直流仪器。作为PXI平台的一部分，54 GHz扩频PXIe-5842与NI的所有PXIe仪器共享相同的基础资源，从而简化了测试的开发、触发和同步过程，更大限度提高了测量速度。用户可以使用用于同步多个VST的同个NI-TClk技术来同步其他仪器，打造统一的自动化测试和自动化测量解决方案。
互补性VST产品组合
NI VST系列中另一款具有频率扩展功能的产品是PXIe-5831。具有类似于远程测量模块配置的基于PXI的VST，但存在一些重要区别。PXIe-5831基于第二代VST，通过2个连接至单个PXIe-5831的毫米波射频头，可提供独特的切换功能。 PXIe-5831有多达32个切换射频端口，非常适合多通道相控阵列测试、波束成形架构测试和雷达原型验证。在此类应用中，可有效替代PXIe-5842。
带集成开关功能的毫米波射频头
图10：带集成开关功能的毫米波射频头：PXIe-5831
PXIe-5831的工作原理与PXIe-5842相同，毫米波的频率转换在远程射频头中进行，该射频头与基于PXI的IF子系统接线，从而将带远程射频头的PXIe-5831的频率覆盖范围扩展至44 GHz。每个毫米波射频头均设有2端口、9端口和16端口3种不同的配置，以适应DUT的需求。额外的端口可通过集成在仪器校准程序中的开关网络创建，因此性能规格可全程保持精确度，直至测试端口。
图11： PXIe-5831 VST详细视图
NI提供了多种频率扩展VST供用户选择，便于针对给定的应用选择最佳选项。这有助于提高通用性和可扩展性，从而满足最大化测试效率的常见需求。
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| 产品规范 | PXIe-5831 | PXIe-5842 |
|---|---|---|
| 毫米波I/O频率范围 | 22.5 GHz－44 GHz | 22.5 GHz－54 GHz |
| IF I/O频率范围 | 5 GHz－21 GHz | 200 MHz－23 GHz |
| 带宽 | 1 GHz | 2 GHz |
| 毫米波射频头 | 1－2 | 1 |
| 直接端口 | 2个单向 | 2个双向 |
| 切换端口 | 高达32个 | N/A |
| PXI插槽 | 6 | 6 |
表3：扩频PXIe-5831和PXIe-5842的规范比较。
利用解决方案和软件提高速度并增强可扩展性
在验证和生产测试环境中，设备吞吐量、自动化水平和测试时间会直接影响业务的成败。PXIe-5842 VST的硬件和软件架构针对测量速度进行了优化，同时不影响测量的性能。
PXIe-5842使用了许多与前几代VST相同的软件工具，确保了用户可以快速适应并完成向PXIe-5842的过渡，同时还能继续享有前几代VST所提供的行业领先的测试优化服务。
RFmx：经过速度优化的原生驱动程序，适用于常见测试开发语言
NI的扩频VST系列由RFmx应用软件配置和控制。RFmx提供了一个直观的编程API，为通用RF和特定标准的测量提供了易于使用的高级测量配置。其API经过大幅优化，可以执行多种不同的任务，从包括通道功率、相邻通道功率和功率谱在内的RF频谱测量到数字和模拟调制信号，不一而足。用户也可以将其用于实现程序自动化，为5G NR、Wi-Fi 7、蓝牙等提供基于标准的测量。
图12： 在LabVIEW和.NET中使用NI RFmx进行5G NR测量
图12所示为使用RFmx LabVIEW和.NET范例，只需调用几个函数就可以进行符合5G NR要求的通道功率测量。用户可以从100多种C、.NET和LabVIEW范例程序中选择合适的程序，轻松开启仪器自动化之旅。NI RFmx API包含高级参数，通过智能优化仪器设置，助您以更少的软件调用获得更优的测量结果。此外，NI-RFmx功能还大大降低了多测量并行机制和多DUT测量的软件复杂程度。使用最新的处理器技术和易于编程的多线程测量，可实现出色的测量速度，从而缩短测试时间。
图13： VST将高带宽矢量信号发生器、矢量信号分析仪、高速数字接口和功能强大的FPGA整合到一台PXI仪器上。远程测量模块扩展了VST架构，在应对日益复杂和不确定的无线标准、协议与技术方面实现了重点创新。
适用于毫米波应用的PXI VST
毫米波空口(OTA)验证
空口(OTA)测试应用在毫米波频段尤为重要。在MIMO天线阵列的波束成形等应用中，鉴于波形的空间特性以及所使用的天线数量，在许多情况下无法进行测试。对于这些测试用例，通常需要进行OTA测试并使用电波暗室。
NI的5G毫米波OTA验证参考架构通过将54 GHz扩频PXIe-5842与一系列高度协作的软硬件相结合来简化OTA测试。由于靠近测试室，应用远程测量模块架构意味着在毫米波频率下的路径损耗最小。PXIe-5842以与PXIe-5831类似的方式集成至系统，从而轻松地从一个VST转至另一个VST。
RFFE生产测试
用户可采用与其他PXI VST类似的方法，将有频率扩展性能的VST集成至半导体测试系统(STS)和其他RFFE生产测试的解决方案中。
雷达和电子战(EW)
有源电子扫描阵列、超宽带技术和认知系统带来了新的设计和测试挑战，使得雷达和电子战(EW)系统在技术方面出现颠覆性转变。
NI的模块化仪器和开放式软件为工程师提供了功能强大的工具，可通过RF矢量信号收发仪模块和FPGA协处理器提供适应性强的威胁仿真。扩展系统级验证，使每个通道支持多个威胁发射器，实时监控和分析系统性能，或安全地记录和回放敏感信号，这一切功能都可在一个模块化仪器平台上完成。
NI VST可用于电子战功能和参数测试以及系统级验证，执行多发射极RF威胁生成、实时信号监测和分析，以及宽带RF记录和回放。
卫星通信遥测和数据链验证系统
54 GHz扩频PXIe-5842在SATCOM遥测方面具备与标准PXIe-5842相同的优势与益处。