邁向新一代星地融合的高速測試解決方案

一、面向未來下一代通信技術(shù)的射頻測試挑戰(zhàn)

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展如下圖所示，1G時(shí)代用模擬信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)了語音傳輸業(yè)務(wù)；2G時(shí)代，數(shù)字傳輸取代了模擬傳輸，人們能夠使用手機(jī)短信和手機(jī)上網(wǎng)；3G時(shí)代，移動(dòng)通信進(jìn)入了高速IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，移動(dòng)高速上網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)，大家開啟了音頻，視頻，多媒體的時(shí)代；4G時(shí)代開始了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的全面發(fā)展時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸更高質(zhì)量的視頻圖像；而隨著AR、VR、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的誕生與普及，5G應(yīng)運(yùn)而生，5G不再是一個(gè)單一的無線接人技術(shù)，而是多種新型無線接入技術(shù)和現(xiàn)有4G技術(shù)的集成，其應(yīng)用場景十分廣泛。

總的來說，1G到4G主要解決了“人-人”間的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)了“溝通泛在”；5G網(wǎng)絡(luò)則打造了“人-機(jī)-物”工業(yè)互聯(lián)體系，正在推動(dòng)“信息泛在”成為現(xiàn)實(shí)；而作為5G的延續(xù)，6G網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步使萬物的連接延伸至智慧層面，達(dá)到“人-自然-智慧”的連接與融合，實(shí)現(xiàn)“智能泛在”。

6G的目標(biāo)是帶領(lǐng)人類進(jìn)入泛在智能化信息社會(huì)，并融合通信、計(jì)算、感知、智能等建立起空天地海泛在移動(dòng)通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全球泛在覆蓋的高速寬帶通信。相比5G網(wǎng)絡(luò)，6G最大的特點(diǎn)在于其全球泛在覆蓋所帶來的多樣化：數(shù)據(jù)來源的多樣化、應(yīng)用的多樣化、通信手段的多樣化、計(jì)算的多樣化等，這使得6G網(wǎng)絡(luò)將具備以下特點(diǎn)：

● 更大信息容量

● 更高傳輸速率

● 更低傳輸時(shí)延

● 更大連接數(shù)量

● 更高頻譜效率

● 更高能量效率

而針對目前6G的系列特點(diǎn)，如需要實(shí)現(xiàn)更大的信息容量和高傳輸速率，在測試過程中會(huì)要求高速的數(shù)據(jù)傳輸，高速的數(shù)據(jù)采集；針對于更大的連接數(shù)量，在測試時(shí)需要考慮各個(gè)接入點(diǎn)之間的信號(hào)同步，仿真信道時(shí)需要進(jìn)行大規(guī)模輸入輸出（MIMO）的仿真；針對高頻譜效率以及能量效率，6G提出了新興的技術(shù)——RIS智能超表面技術(shù)，在信道環(huán)境做文章，提高能力以及頻譜效率，但是如何測試RIS對信號(hào)的增強(qiáng)，反射角度等問題，也是一個(gè)嚴(yán)峻的測試挑戰(zhàn)。當(dāng)然6G帶來的測試挑戰(zhàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，在6G的發(fā)展帶來的一系列測試挑戰(zhàn)中，本文將重點(diǎn)針對衛(wèi)星通信領(lǐng)域，雷達(dá)測試以及大規(guī)模MIMO測試來進(jìn)行方案介紹。

二、衛(wèi)星通信測試方案

（1）射頻高速采集測試方案

目前來說，6G衛(wèi)星通信有望用于大容量數(shù)據(jù)傳輸，如衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、遙感數(shù)據(jù)、衛(wèi)星圖像傳輸?shù)?。這些應(yīng)用需要高速數(shù)據(jù)傳輸來支持大數(shù)據(jù)的傳輸和分析。同時(shí)6G衛(wèi)星通信將需要支持大量用戶和設(shè)備的連接，包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、傳感器、智能城市設(shè)備等。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要高速數(shù)據(jù)傳輸以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)交換，未來在測試中也不可避免的會(huì)需要高速的測試解決方案。

在6G時(shí)代，除了一些無線電信號(hào)，比如說eMBB+，URLLC+，mMTC+之外，還有很多ku,ka波段的衛(wèi)星信號(hào)，或者是雷達(dá)信號(hào)需要進(jìn)行高速的數(shù)字化采樣。但是他們通常都在射頻頻段，而數(shù)字化一般是對基帶信號(hào)進(jìn)行采樣：

● 對于輸入的信號(hào)，需要先下變頻到基帶（或者是與數(shù)字化儀相匹配的頻段）

● 通過數(shù)字化儀數(shù)字化后，可以獲得射頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。本方案提供的高速數(shù)字化儀采樣率高達(dá)5 GS/s，可支持1.5 GHz帶寬。

● 當(dāng)信號(hào)數(shù)字化后，數(shù)據(jù)通過PCIe總線傳輸，可支持3.4 GByte/s的傳輸速率，同時(shí)提供SCAPP軟件選項(xiàng)，使用Nvidia的專業(yè)卡，搭配Linux系統(tǒng)，在不經(jīng)過CPU的情況下，從采集卡中取出數(shù)據(jù)至顯存或直接利用CUDA核心進(jìn)行運(yùn)算處理，達(dá)到海量傳輸?shù)男Ч?/p>

● 數(shù)據(jù)上傳到PC端，使用TS SBench6軟件進(jìn)行分析，可對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)輸，信號(hào)包絡(luò)的觀察，直方圖等等分析。

（2）信號(hào)調(diào)制仿真測試方案

對于6G時(shí)代的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，目前還在研究階段，具體的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)尚未完全確定。然而，可以預(yù)期的是，6G將需要更高效、更復(fù)雜的調(diào)制方案來滿足其對于更高數(shù)據(jù)速率、更低延遲和更高可靠性的需求。這可能包括更高階的調(diào)制方案，以及新的、更有效的編碼技術(shù)。

針對調(diào)制的測試，TS任意波形和函數(shù)發(fā)生器提供前所未有的靈活性，為工程師提供不同類型的信號(hào)和數(shù)字調(diào)制以測試傳輸或接收的不同階段信號(hào)鏈，如調(diào)制器、解調(diào)器、混頻器、濾波器、放大器、低噪聲放大器（LNA）等：

● 生成比特流和觸發(fā)輸出信號(hào)（用于下一階段同步）以測試編碼器系統(tǒng)的行為。

● 生成在一個(gè)或兩個(gè)通道上提供的正交基帶信號(hào)，以測試具有不同參數(shù)（例如傳輸濾波器類型、噪聲水平）的信號(hào)的傳輸/接收。

● 生成IF/RF信號(hào)以測試混頻器、IF濾波器、發(fā)射器放大器和接收器級(jí)。

（3）RIS研究測試方案

在6G時(shí)代，RIS技術(shù)被認(rèn)為是一種具有潛力得關(guān)鍵技術(shù)，它可以改變無線信道的環(huán)境，降低信道估計(jì)所需的導(dǎo)頻開銷，解決空間非平穩(wěn)信道問題，提高波束訓(xùn)練效果以及提高通信系統(tǒng)的性能，提升頻譜效率和能量效率。目前RIS技術(shù)仍然面臨許多挑戰(zhàn)，但是已經(jīng)有許多工程師在進(jìn)行RIS的研發(fā)，那在這個(gè)過程中，必不可少需要對RIS的性能進(jìn)行測試

TS RIS測試方案，由TS便攜式高頻信號(hào)源，方向性極好的喇叭天線，以及接收靈敏度高優(yōu)秀的TS手持式頻譜儀組成。支持兩種環(huán)境下的測試：

a、外場測試：

將TS高頻信號(hào)源連接到天線，接收天線連接TS手持式頻譜儀。高頻信號(hào)通過發(fā)射天線轉(zhuǎn)換成電磁波，并在接收天線轉(zhuǎn)換為信號(hào)后，通過頻譜儀測量到信號(hào)的功率。利用對比測試即可判斷RIS對信道的效果。

b、暗室測試：

當(dāng)進(jìn)行RIS的可調(diào)控反射角度測試時(shí)，可以在微波暗室使用德思特毫米波RIS測試方案，用信號(hào)源發(fā)生毫米波信號(hào)，操控RIS對電磁波的反射角，兩個(gè)天線置于弓形架中，把天線對準(zhǔn)接收角度，再把天線移到不同的角度觀察信號(hào)功率強(qiáng)度的變化，以此進(jìn)行測試。

c、測試案例——外場測試：

客戶選用了TS外場測試方案來對他們的RIS模塊性能進(jìn)行測試。外場測試采用對比測試的方式進(jìn)行，其中唯一的變量是有無毫米波液晶RIS，其它條件均一致。部署液晶RIS后，終端有20 dB（100倍）的信號(hào)增強(qiáng)。

三、雷達(dá)測試系統(tǒng)方案

雷達(dá)技術(shù)在6G中將可能成為重要的組成部分，用于智能感知和定位。雷達(dá)能夠通過探測目標(biāo)、測量距離、速度和方向來提供環(huán)境感知數(shù)據(jù)。在6G的智能網(wǎng)絡(luò)中，這些數(shù)據(jù)可用于實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的位置識(shí)別、環(huán)境感知和障礙物檢測，幫助設(shè)備更智能地理解周圍環(huán)境。雷達(dá)技術(shù)在6G中也有望與波束成形技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的信號(hào)傳輸和接收。通過雷達(dá)的信號(hào)處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更智能化的波束成形和定向傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

針對雷達(dá)方面的測試，我們提出了雷達(dá)信號(hào)發(fā)生以及雷達(dá)信號(hào)的數(shù)字采集測試兩個(gè)方案：

（1）雷達(dá)信號(hào)的發(fā)生：

在雷達(dá)系統(tǒng)開發(fā)過程中，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生不同持續(xù)時(shí)間的脈沖信號(hào)，可以用來供應(yīng)射頻調(diào)制鏈，以測試?yán)走_(dá)接收器行為。

a、基本脈沖信號(hào)發(fā)生

TS PG-1000系列脈沖發(fā)生器可以通過設(shè)備圖形UI界面和觸摸屏幕顯示，輕松地創(chuàng)建具有不同脈沖寬度、頻率和幅度的脈沖。采用這種解決方案，可以節(jié)省開發(fā)脈沖系統(tǒng)的時(shí)間，研究人員可以將更多的時(shí)間精力集中在雷達(dá)設(shè)計(jì)和測試目標(biāo)上。

b、脈沖/延遲發(fā)生器的多目標(biāo)仿真

在主雷達(dá)系統(tǒng)中，往往通過細(xì)化系統(tǒng)測量信號(hào)的飛行時(shí)間，以計(jì)算雷達(dá)與目標(biāo)的距離。距離計(jì)算公式為：距離（km）=（延遲時(shí)間（秒）/2）*3×10^5 km/s。其中，3×10^5 km/s是對光速的近似取值。由公式不難看出，發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的延遲大小取決于距離長短。

在多個(gè)目標(biāo)的情況下，通常會(huì)接收到多個(gè)信號(hào)，并且要求檢測系統(tǒng)能夠區(qū)分它們。TS PG1000系列脈沖發(fā)生器是測試?yán)走_(dá)探測鏈的完美選擇，這并不需要完整的雷達(dá)系統(tǒng)和一些真實(shí)的目標(biāo)就可以完成多目標(biāo)仿真測試。

TS脈沖發(fā)生器的多脈沖模式提供具有不同持續(xù)時(shí)間和延遲的雙脈沖、三脈沖和四脈沖，模擬多目標(biāo)的發(fā)送以及回波，可重復(fù)高達(dá)125 MHz，用于測試?yán)走_(dá)探測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)頻率操作。10 ps的分辨率和低于25 ps的抖動(dòng)RMS提供了對射頻鏈預(yù)期延遲進(jìn)行計(jì)數(shù)，以低于cm級(jí)別的分辨率用來模擬目標(biāo)檢測所需的精度。

（2）雷達(dá)信號(hào)的采集測試

在6G時(shí)代，使用具有短占空比、多種調(diào)制類型和關(guān)鍵定時(shí)的脈沖波形的雷達(dá)信號(hào)需要提供高帶寬、比例采樣率、長存儲(chǔ)器和快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y量系統(tǒng)。TS高速模塊化數(shù)字化儀非常適合采集和處理雷達(dá)信號(hào)。它們提供高帶寬、長采集內(nèi)存和特殊采集模式，以最大限度地提高內(nèi)存使用率，提供高速測量和高精度分析。

a、基本的脈沖調(diào)制

采用TS基于PCI的四通道8位數(shù)字化儀，帶寬為1.5 GHz，最大值為5 GS/s的采樣率，此帶寬和采樣率與直接采集VHF和較低的UHF雷達(dá)以及許多高頻雷達(dá)的中頻兼容，在下圖中，數(shù)字化儀使用2.5兆樣本（MS）以每秒5千兆樣本（GS/s）的最大采樣率采集了500 μs的數(shù)據(jù)。雖然下圖中僅使用完整內(nèi)存采集了5個(gè)脈沖，但實(shí)際測試中可以采集超過8000個(gè)類似脈沖。

采集的信號(hào)在TS SBench6中顯示，同時(shí)進(jìn)行采集的波形分析，比如說使用頻率測量功能測量信號(hào)的載波頻率，在上圖左側(cè)的信息窗格中顯示結(jié)果為1.000 GHz。以及許多數(shù)值分析工具，包括快速傅立葉變換（FFT）和有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波，提取脈沖調(diào)制波形的包絡(luò)等。

b、調(diào)制脈沖采樣

調(diào)制脈沖采樣過程和上述基本脈沖的采樣是一樣的，例如下圖中顯示了線性掃頻雷達(dá)啁啾的示例。調(diào)制脈沖顯示在左側(cè)網(wǎng)格中，在脈沖期間，載波頻率從標(biāo)稱998 MHz線性變化到1002 MHz。這在右側(cè)網(wǎng)格所示的FFT提供的頻域視圖中很明顯。

同時(shí)還可以采用相位調(diào)制來實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮（下圖中最右邊圖像）。相位調(diào)制技術(shù)將脈沖分成多個(gè)段，每個(gè)段都以特定的相移進(jìn)行傳輸。這些段的長度相等。相移的選擇由代碼確定。公共碼是二進(jìn)制的，其中碼值根據(jù)碼序列在+1和-1之間切換，對應(yīng)于0°和180°的相移。最常用的碼序列是巴克碼，它與其他序列的自相關(guān)性較低，并產(chǎn)生具有低旁瓣的頻譜。

而調(diào)制后的信號(hào)可以選擇在主機(jī)中（TS高速數(shù)字化儀）進(jìn)行二次開發(fā)解調(diào)?？梢允褂玫谌杰浖?，例如MATLAB或LabVIEW，甚至可以使用C、C++或Python進(jìn)行自定義編程。我們提供了驅(qū)動(dòng)程序和示例程序，以便將這些程序與其數(shù)字化儀連接起來。上圖最右邊圖像顯示了對采集的相位調(diào)制脈沖使用專有解調(diào)程序的結(jié)果。

c、多重記錄模式

為了應(yīng)對雷達(dá)信號(hào)采集需要長采集內(nèi)存的挑戰(zhàn)，TS高速數(shù)字化儀還提供多種采集模式，旨在有效地使用采集內(nèi)存并減少采集之間的死區(qū)時(shí)間，從而節(jié)省存儲(chǔ)空間。該模式對于研究雷達(dá)操作中的脈沖到脈沖的變化非常有用。

多重記錄或分段模式如下圖所示，允許以極短的重新準(zhǔn)備時(shí)間（在5 GS/s采樣率下約為6.5 ns）記錄多個(gè)觸發(fā)事件。用戶可以在段內(nèi)對觸發(fā)前和觸發(fā)后間隔進(jìn)行編程。采集的段數(shù)僅受所用內(nèi)存的限制，在使用先進(jìn)先出（FIFO）采集模式時(shí)不受限制。與多個(gè)觸發(fā)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在采集存儲(chǔ)器中的連續(xù)段中。不記錄與事件之間的死區(qū)時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)。每個(gè)觸發(fā)事件都帶有時(shí)間戳，因此可以知道每個(gè)觸發(fā)的精確位置。

四、大規(guī)模MIMO測試方案

（1）多路信號(hào)同步采集：

在6G時(shí)代，MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)將發(fā)揮至關(guān)重要的作用，實(shí)現(xiàn)分布式超大規(guī)模MIMO要將數(shù)據(jù)和信道狀態(tài)信息在參與傳輸?shù)恼军c(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互，要求站點(diǎn)之間具有高速連接，且各個(gè)通道間需要具有很高的同步精度。針對信號(hào)同步的數(shù)字化采集需求，我們提出了多路信號(hào)同步數(shù)字采集的方案：

首先對多路信號(hào)輸入采集板卡或者說對MIMO系統(tǒng)信號(hào)的數(shù)字采集來說，往往需要非常多的通道，此時(shí)一張板卡的通道數(shù)可能不足以覆蓋所有的輸入信號(hào)。因此同步采集方案中提出了使用德思特特有的Star-Hub模塊，連接8塊數(shù)字化儀。例如，將8個(gè)M4i系列數(shù)字化儀與Star Hub連接在一起，可以創(chuàng)建一個(gè)最多有32個(gè)完全同步通道的系統(tǒng)。Star Hub在所有板之間分配觸發(fā)和時(shí)鐘信息。因此，所有連接的板都使用相同的時(shí)鐘和相同的觸發(fā)器運(yùn)行，任何通道之間都沒有相位延遲。所有觸發(fā)源可以通過邏輯或組合，允許所有卡的所有通道同時(shí)成為觸發(fā)源。多通道的能力允許數(shù)字化儀同時(shí)應(yīng)用于多個(gè)通信通道，或創(chuàng)建用于天線和傳播研究的測量通道陣列。

（2）大規(guī)模無線衰落仿真

無線衰落仿真可以幫助通信工程師在設(shè)計(jì)和優(yōu)化通信系統(tǒng)時(shí)考慮到多徑衰落及相關(guān)的解決方案。同時(shí)在實(shí)施新的通信方案之前，可能需要驗(yàn)證其可行性。通過無線衰落仿真，可以預(yù)測新方案在實(shí)際無線信道中的性能，從而評估其可行性。

針對無線衰落仿真方案，我們提出以下解決方案，在信號(hào)輸入端，通常有各種各樣的信號(hào)，以及不同的信號(hào)可能需要不同的組合來進(jìn)行無線衰落模擬，所以在信號(hào)輸入與衰減矩陣中，可以根據(jù)客戶應(yīng)用，加上或者去掉此開關(guān)矩陣。信號(hào)通過衰減矩陣時(shí)，可以通過編程，任意衰減每一通道的信號(hào)強(qiáng)度，以此模擬信號(hào)幅度的衰落。

測試案例

客戶需要測試他們多端口WIFI信號(hào)接收模塊的性能，使用衰減器模擬環(huán)境中信號(hào)的衰減，當(dāng)路由器信號(hào)被衰減器衰減后，信號(hào)通過天線或者線纜到接收測試模塊，客戶通過編程衰減曲線，模擬真實(shí)衰減，同時(shí)測試當(dāng)前信道情況的WIFI信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

五、總結(jié)

在面向6G/星地融合的高速測試解決方案的探索中，我們深入研究了射頻測試的挑戰(zhàn)、衛(wèi)星通信測試方案、雷達(dá)系統(tǒng)測試方案以及大規(guī)模MIMO測試方案。這些方案不僅提供了對6G技術(shù)的深入理解，也提供了一種全新的測試方法，使大家能夠更好地應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)。

總的來說，6G將帶領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代，這個(gè)時(shí)代將充滿無限的可能性和機(jī)遇。然而，要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要有強(qiáng)大的測試工具和方法。TS高速測試解決方案為工程師提供了這樣的工具和方法，使工程師能夠更好地理解和應(yīng)對6G的挑戰(zhàn)！

審核編輯 黃宇