了解矢量信号发生器轻松应对毫米波宽带、多通道Massive MIMO和5G

1. SMW200A主要特点

图1、R&S SMW200A矢量信号发生器外观

R&S高端矢量信号发生器SMW200A于2013年正式面世，其功能经过三年来不断丰富和完善，已经成为集毫米波宽带信号发生器、多通道射频信号发生器和MIMO信道衰落模拟器于一体的矢量信号产生平台。SMW200A单台仪器就能覆盖100kHz到40GHz的频率范围，内部基带的调制带宽高达2000MHz。

SMW200A通过外置上变频器（例如SGS100A或SGT100A）可以外部扩展最高六条射频通道，加上本身具有的两条射频通道，总共八条。配置2个基带模块和4个信道模拟模块后，可以实现4x4、8x2、2x8、8x4、4x8等MIMO信道衰落模拟，或者LTE-Advanced载波聚合模式下的4x4 MIMO场景模拟。在SMW200A面世之前，上述场景的模拟都需要多台仪器来实现。

SMW200A内置各种重要的数字通信标准选件，包括LTE、LTE-Advanced、5G、3GPP FDD/HSPA/HSPA+、GSM/EDGE/EDGE Evolution、TD-SCDMA、CDMA2000/1xEV-DO和WLAN IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ad等。这些数字通信标准选件均为仪器内置，所有操作和配置都在仪器界面上简单、快速的完成，无需外部电脑，从而简化调试，节省时间。由于R&S SMW200A可以配置成多通道，可以快速、方便的产生多制式调制信号，对于目前热门的多模基站测试十分方便。

SMW200A射频性能良好，例如在1GHz频点，偏离载波20KHz位置，单边带相位噪声典型值为-139dBc。160MHz的WLAN IEEE 802.11ac信号，调制质量实测EVM值可到-49dB，其带内频响仅为0.05dB。因此可作为模块级开发和测试中所需的高质量信号激励源，如发射机调制器、混频器、小信号放大器、功放，接收机低噪放，IQ解调器、滤波器、ADC需要高性能的射频/中频信号源进行分析验证。SMW200A信号输出功率大，可应用于大功率功放测试、收发信机阻塞测试等需要中、高功率信号驱动的场景。SMW200A可应用于接收机系统级验证中，如灵敏度测试、模拟遇到阻塞干扰、邻道干扰、接收互调影响等。

此外，方便、直观是R&S SMW200A操作界面的基本理念，使用触摸屏以及框图式菜单结构，用户可以方便直观的配置信号，并通过视图观测生成信号的整个流程。

SMW200A技术特点总结：

• 工作频率范围：100kHz ～40GHz

• 高功率输出（无需选件）：保证值+18dBm，典型输出+26dBm

• 极优异的信号质量：-139dBc/Hz @ 1GHz，20kHz offset

• 内置基带源可最大支持2GHz射频带宽

• 具有极优异的幅度平坦响应：≤0.4dB （2GHz带宽内）

• 支持实时产生矢量调制信号，同时支持波形文件播放的方式

• 内部ARB存储空间最大可扩展至2G Samples

• 支持无线信道衰落模拟功能，可模拟真实环境对信号的影响

• 友好的操作界面，模块化菜单接口，且支持触摸操作

2. SMW200A主要应用

下一代移动通信标准5G预计在2020年实现商用。目前为止，5G技术还处在预研阶段，其技术规范还没有统一定义，所以各大公司都在对5G技术进行积极的研究和讨论，还需要完成许多研究和标准化工作。5G不仅仅是LTE-A的简单演进，还会创造一个全新的技术框架体系，以满足高速数据应用场景和容纳爆发式增长的无线终端。5G满足系统容量和高数据率的方法之一就是把频谱扩展到毫米波频段、采用Massive MIMO技术以及新型空中接口和多址技术。罗德与施瓦茨公司已经为开发者评估5G移动通信网络提供了有力的技术支撑，主要包括以下三个方面：

（1） 毫米波频段宽带信号产生

微波频段是5G对无线移动通信颠覆式的创新。传统的移动通信工作频段主要集中在3GHz以下，使得频谱资源已经十分拥挤。而在毫米波频段可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状。为了满足5G网络10Gbps级的数据速率，同时也需要更大的带宽。矢量信号发生器SMW200A单台仪表可以实现最高40GHz载波2GHz带宽信号的产生。由于内置梳状信号发生器作为校准源，SMW200A内置基带电路产生的2GHz带宽的信号无须额外的校准，即可达到优于0.4dB的带内平坦度。

目前，已经标准化的毫米波宽带通信标准是802.11ad，主要用于实现家庭内部无线高清音视频信号的传输，为家庭多媒体应用带来更完备的高清视频解决方案。802.11ad抛弃了拥挤的2.4GHz和5GHz频段，使用高频载波的60GHz频谱。由于60GHz频谱在大多数国家有大段的频率可供使用，因此802.11ad可以在波束赋型技术的支持下实现多信道的同时传输，最大数据率可达速度是7Gbps。SMW200A通过外置的毫米波上变频器可将内部2GHz带宽的802.11ad基带信号上变频到60GHz频段，0.4dB的带内平坦度使得EVM在60GHz频率仍然保持在-32.2dB。

图2、SMW200A内置基带信号源频率响应平坦度（上）和802.11ad 2GHz带宽信号解调质量（下）

由于毫米波频段的信道模型不同于传统的6GHz以下移动通信频段，所以针对该频段的信道特性探测需求也越来越突出。R&S公司可以提供完整的信道探测方案，使用SMW200A和高频宽带频谱仪FSW，频率最高可达110GHz，带宽最高可达2GHz。配合R&S最新发布的信道测量软件TS-5GCS可以进行信道冲击响应、功率时延特性（PDP）、多普勒时延特性等参数测试。测试组网如下图所示。

图3、SMW200A和FSW信道测量测试组网

（2）Massive MIMO和多通道波束赋型信号产生

根据统计学原理，当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交，用户间的干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益也能够有效的提升每个用户的信噪比，从而在相同的时频资源上支持更多的用户。作为近年来备受关注的技术之一，多天线技术经历了从无源到有源，从二维到三维（3D），从高阶MIMO到大规模天线阵列（例如64、128天线阵列）的发展。Massive MIMO通常和波束赋型技术结合在一起使用，可以在三维空间形成具有高空间分辨能力的高增益窄细波束，能够提供更灵活的空间复用能力，改善接收信号强度并更好的抑制用户间干扰，从而实现更高的系统容量和频谱效率。

这在测试过程中就需要产生对应每根天线的多通道信号。矢量信号发生器SMW200A为MIMO系统测试提供了理想的选择，它可以产生满足标准要求的无线移动通信MIMO和波束赋型信号，目前单台SMW200A通过扩展外置上变频器最多可支持八根发射天线用于接收机测试。SMW200A配合外置上变频器频率可达到6GHz/20GHz/40GHz，带宽160MHz或2000MHz。使用多台SMW200A组合，可模拟天线数量没有上限。同时，SMW200A还可以模拟完整的MIMO传输信道，最大支持32条衰落通道。

图4、SMW200A外接6台上变频器扩展射频输出通道

（3）新型空中接口技术

为了进一步的提高频谱利用率以及应用的灵活性，业界普遍认为在5G系统中会采用不同于4G的空中接口技术。目前被广泛研究的主要包括：滤波组多载波技术（FBMC）、通用滤波器多载波技术（UFMC）、广义频分复用技术（GFDM）、基于滤波的正交频分复用技术（f-OFDM）等。各个厂家都在积极的推动各自主导的新技术，希望能够在5G标准中脱颖而出成为5G标准技术，不过这些技术是否能够在5G系统中发挥更有效的作用，还有待进一步研究和验证。

R&S公司基于矢量信号发生器SMW200A，结合矢量信号分析仪FSW实现了典型的新型空中接口技术的信号产生和分析，可以帮助各厂家进一步验证其技术的可行性和射频指标。下图为SMW200A产生f-OFDM信号的配置和参数选择。

图5、SMW200A内置5G新波形产生功能f-OFDM

3. 小结

根据IMT-2020推进组的最新进展，5G已经通过关键技术验证，正在进行技术方案验证阶段。需要针对不同厂商的技术方案，基于统一频率，统一规范，开展单基站性能测试和无线接入网和核心网增强技术的功能、性能和流程测试。各个设备厂家对于5G技术的测试需求已经越来越明显。本文针对5G移动通信关键技术，简要介绍了罗德与施瓦茨公司的矢量信号发生器SMW200A在毫米波宽带信号产生、多通道射频信号产生和MIMO信道衰落模拟等方面的应用方案和简要参数指标。