毫米波​测试​仪器​创新

概览

为​新​无线​标准​制定​和​部署​验证​或​生产​测试​策略​是​十分​困难​的。​而​随着​5G NR​等​新​无线​标准​和​技术​的​复杂​性​不断​增加,​这​方面​工作​的​难度​进一步​加大。​其中​的​挑战​包括​更宽​且​更​复杂​的​波形、​测试​点​数量​呈​指数​级​增长,​以及​使用​波束​成形​和​相​控​阵​天线​等​技术​来​改善​有限​的​链​路​预算。​为了​帮助​您​应对​这些​挑战,​NI​推出了PXIe-5831毫米波​矢量​信号​收​发​仪​(VST)​来​提供​提供​优质、​高速​的​测量,​该​仪器​采用​可​扩展​的​架构,​即使​待​测​器件​(DUT)​需求​发生​变化​时​也可以​适应​这些​需求。​这​款 PXI 矢量​信号​收​发​仪​(VST)​简化​了​复杂​的​测量​要求​和​测试​所需​的​仪器​设备,​从而​缩短​了​开发​新​测试​资产​所需​的​时间。

内容

VST​架构​的​扩展


图​1. 包含​毫米波​扩展​功能​的​PXI​矢量​信号​收​发​仪​(VST)​的​核心​框图

VST​的​核心​是​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​用户​可​编​程​FPGA​组合​到​单​个​PXI​仪器​上。​毫米波 VST(PXIe-5831)​扩展​了​VST​架构,​采用​了​多​项​创新,​旨​在​解决​无线​标准、​协议​和​技术​方面​日益​增加​的​复杂​性​和​不​确定​性。

带​集成​开关​功能​的​毫米波​射频头


图​2. 带​集成​开关​功能​的​毫米波​射频头

毫米波​与​其他​频率​的​转换​通过​射频​头​实现,​射频​头​连接​到​基于​PXI​的​IF​子​系统,​最高​可​将​PXIe-5831​毫米波​VST​的​频率​范围​扩展​到​44 GHz。​每​个​毫米波​VST IF​子​系统​最多​可​支持​两​个​射频​头,​而​射频​头​提供​三​种​配置​—— 2​端​口、​9​端​口​和​16​端​口,​以​满足​不同​DUT​的​需求。​此外,​仪器​校准​程序​也​集成​了​开关​网络,​可​用于​创建​额外​的​端​口,​而且​由于​经过​校准,​通往​测试​端​口​的​整​条​线路​的​参数​性能​都是​准确​的。​以下​是​一个​测试​配置​示例,​显示​了​毫米波​射频​头​如何​满足​多​频带​TX/​TX RF​前端​模​块​的​多端​口​需求:


图​3. 使用​毫米波​射频​头​满足​测试​配置​需求​示例

最终​频率​转换​阶段​在​远程​前端​中​执行,​这​进一步​提高​了​测试​系统​或​测试​单元​物理​配置​的​灵活​性。​射频​头​可以​放置​在​更​靠近​DUT​的​位置,​以​避免​长​距离​高​频​电缆​布线​以及​相关​的​功率​和​信号​质量​损耗。​中​频​(IF)​频​段​的​损耗​明显​比​毫米波​频​段​小​得​多,​因此,​通过​先​在​较​低​频率​下​输出功率,​然后​转换​频率,​就​可以​提高​重要​位置​处,​即​毫米波​测试​端​口​处的​功率。​举​个​例子​来​说明,​将​+23 dBm​仪器​使用​三​米​电缆​以及​毫米波​VST​等​+17 dBm​仪器​使用​一​米​IF​和​两​米​毫米波​电缆​进行​比较:

IF​和​毫米波​测试​端​口​可​满足​多​频带​需求


图​4. IF​和​毫米波​测试​端​口​可​满足​多​频带​需求。

毫米波​RFIC​扩展​了​当前​的​RF​信号​链,​增加​了​频率​转换、​波束​成形​和​相​控​阵​列​辐射​三​个​步骤。​理想​的​测试​方法​需要​能够​非常​灵活​地​匹配​这些​测试​点,​以​适应​设计​和​需求​的​变化,​同时​能够​在​速度​和​成本​方面​进行​扩展,​以​满足​批量​需求。

为了​提供​所需​的​灵活​性​以​适应​信号​链​中​每​个​步骤​的​不同​要求,​毫米波​VST​为​IF​和​毫米波​频率​提供​了​双向​测试​端​口。​双向​测试​端​口​使得​用户​无​需​在​仪器​之外​进行​额外​的​信号​调理​和​切换,​从而​进一步​提高​了​测量​质量,​同时​降低​了​系统​的​整体​复杂​性。


图​5. 毫米波​VST​为​IF​和​毫米波​频率​提供​了​双向​测试​端​口。

毫米波​VST​包括​两​个​IF​测试​端​口,​可以​单独​使用​或​与​毫米波​射频​头​配合​使用。​这些​端​口​提供​最高​21 GHz​的​频率​范围,​并​为​多频​设备​提供​直接​接口,​如上/​下​变频​器,​或​内​置​频率​转换​功能​的​波束​形成​器​IC。​这些​端​口​意味​着​毫米波​VST​可以​直接​与​多频​段​设备​连接,​无​需​额外​的​仪器​或​外部​信号​调理。

为​设计​提供​高性能​特性​分析

 

1 GHz​瞬时​带宽

 

无论​是​5G​和​802.11ax​等​下一代​无线​技术,​还是​雷达​测试​和​频​谱​监测​等​先进​的​航空​航天​和​国防​应用,​无​不需要​越来越​高​的​峰值​数据​速率,​因而​亟需​更宽​的​信号​带​宽。​利用​快速​采样、​高​线性​度数​模​转换​器​(DAC)​和​模数​转换​器​(ADC)​以及​宽​带​内部​校准​机制,​毫米波​VST​可​提供​1 GHz​瞬时​RF​带​宽​和​出色​的​测量​精度。


图​6. 毫米波​VST​提供​1 GHz​瞬时​RF​带​宽,​具有​出色​的​测量​精度。

由于​VST​具有​高​瞬时​带​宽​和​校准​前端,​因而​可以​高效​地​部署​到​要求​较​高​的​应用​中,​例如​雷达​目标​仿真、​多​载波​聚合、​数字​预​失真​(DPD)​算法​实现、​5G​原型​设计​和​实​时​频​谱​分析。​此外,​毫米波​VST​采用​专利​算法​进行​幅度​和​相位​校正,​从而​在​宽​瞬时​带​宽​范围​内​实现​较​高​的​绝对​幅度​精度​以及​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,​为​宽​带​信号​提供​同类​领先​的​误差​矢量​幅度​(EVM)​性能。​下一代​无线​设备​的​一个​关键​要素​就是,​由于​带​宽​增加,​EVM​性能​要求​更加​严格。​由于​采用​了​更​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​更好​的​线性​度​和​相位​噪声,​以​提供​所需​的​调制​性能。​因此,​无线​设备​测试​仪器​必须​提供​更​精准​的​RF​性能。

对于​EVM​性能​要求​较​高​的​应用,​PXI​仪器​的​模​块​化​设计​就​可​将​VST​的​原有​性能​提高​到​另​一个​层次。​比如​PXI​的​外部​本地​振荡​器​(LO)​可以​让​基于​毫米波​VST​的​系统​实现​优于-40 dB​的​EVM​性能。

相位​相干​同步

 

模​块​化​毫米波​VST​架构​和​PXI​平台​相​结合,​为​需要​相位​相干​性的​多​通道​测量​提供​了​同步​和​扩展​功能。​因而,​对于​双​极化​天线​无线​测试​等​应用,​两​个​毫米波​VST​之间​可​提供​现成​的​纳​秒​级​同步:


图​7. 双​极化​天线​OTA​测试

纳​秒​级​同步​功能​还​可​扩展​到​多​输入​多​输出​(MIMO)​测试​系统。​802.11ax、​LTE Advanced Pro​和​5G​等​现代​通信​标准​采用​MIMO​方案​来​应对​单​个​设备​上​的​多个​天线,​以​通过​更多​的​空间​数据​流​提供​更高​数据​速率,​或​通过​波束​成形​提供​更​强大​的​通信​能力。​但​随​之​而来​的是,​MIMO​技术​显著​提高​了​设计​和​测试​的​复杂​性。​它​不仅​增加​了​设备​上​的​端​口​数量,​还​引入​了​多​通道​同步​要求。​由于​PXI​毫米波​VST​的​外形​紧凑,​一个​18​槽​的​PXI​机​箱​中​最高​可​同步​三​个​PXIe-5831 VST。​此外,​PXI​系统​还​可以​使用 MXI 集成​来​集成​额外​的​机​箱,​从而​进一步​扩展​系统。


图​8. 一个​18​槽​PXI​机​箱​内​可​同步​多个​PXIe-5831。

多台​VST​之间​的​同步​可以​完全​相位​相干,​就像​一台​仪器​一样。​在​硬件​方面,​VST​可以​导入​或​导出​LO,​从而​使​所有​模​块​共享​一个​公共​LO。​而​在​软件​方面,​NI​已​申请​专利​的​T-​Clock (T-​Clk)​技术​可以​通过​NI T-​Clk API​轻松​同步​多个​仪器。

为​生产​测试​阶段​提供​高速度​和​可​扩展性


设备​吞吐量​和​测试​时间​会对​业务​成功​产生​直接​的​影响,​特别​是​对于​生产​测试​环境。​毫米波​VST​的​硬件​和​软件​架构​不仅​提供​了​同样​的​测量​性能,​而且​进一步​提高​了​测量​速度。

基于​PXI​平台​集成​多种​仪器

 


图​9. 借助​PXI​平台​进行​多​仪器​集成

除​RF​或​基​带​波形​生成​和​分析​以外,​大​多数​RF​测试​应用​还​需要​额外​的​I/​O,​包括​电源​或​源​测量​单元​(SMU)、​基于​pattern​的​数字​控制​设备​或​数字​万​用​表​(DMM)。​作为​PXI​平台​的​一部分,​毫米波​VST​与​NI​的​所有​PXI​仪器​共享​相同​的​基础​资源,​从而​简化​了​测试​程序​的​创建、​触发​和​同步​以及​最大限度​提高​测量​速度。​用于​同步​多台​VST​的​T-​Clock​技术​同样​也​适用​于​同步​其他​仪器,​便于​组​建​一套​统一​的​自动​化​测试​和​自动​化​测量​解决​方案。

经过​速度​优​化​的​原生​驱动​程序,​适用​于​常见​测试​开发​语言
 

毫米波​VST​通过​RFmx​应用​软件​进行​配置​和​控制。 RFmx​提供​直观​的​编​程​API,​既​便于​使用,​也能​为​通用​RF​测量​和​针对​特定​标准​的​测量​提供​高级​测量​配置。​RFmx​软件​具有​高度​优​化​的​API,​可​执行​从​RF​频​谱​测量​(包括​信道​功率、​相邻​信道​功率​和​功率​谱)​到​数字​和​模拟​调制​信号​测量​等​任务。​该​软件​还​可​自动​执行​基于​标准​(5G NR、​LTE Advanced Pro、​Wi-​Fi 6、​蓝牙​等)​的​测量​程序。


图​10. 在​LabVIEW​和.NET​中​使用​NI RFmx​进行​5G NR​测量

上​图​显示​了​一个​使用​RFmx LabVIEW​和.NET​进行​5G NR​兼容​通道​功率​测量​的​示例,​其中​仅​包含​了​几个​函数​调​用。​毫米波​VST​提供​了​100​多个​使用​C​语言、.NET​语言​和​LabVIEW​语言​编写​的​仪器​自动​化​程序​范​例,​可​帮助​用户​快速​开始​进行​开发。​NI-​RFmx API​包含​的​高级​参数​可​智能​优​化​仪器​设置,​只需​最​少量​的​软件​调​用​即可​实现​最​优质​的​测量。​此外,​NI-​RFmx​具有​的​多个​功能​可​大大​简化​多​测量​并行​和​多​DUT​测量​的​软件​复杂​性。​最新​的​处理​器​技术​和​易​于​编​程​的​多​线​程​测量​提供​了​业界​领先​的​测量​速度,​大幅​缩短​了​测试​时间。


图​11. 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​用户​可​编​程​FPGA​组合​到​单​个​PXI​仪器​内。
毫米波​VST (PXIe-5831) 扩展​了​VST​架构,​采用​多​项​创新,​旨​在​解决​无线​标准、​协议​和​技术​方面​日益​增加​的​复杂​性​和​不​确定​性。