5G NR终端SEM测试优化设计

摘要：随着5G NR网络大规模的投入商用，如何快速高效的对5G终端进行测量越来越让业界关注。由于大规模MIMO和毫米波技术的引入使得对5G NR终端信号分析成为了终端射频一致性测试的一个关键点。本文在分析了5G NR终端频谱发射模板测量原理的基础上，提出了一种快速测量方法和硬件实现技术，并进行了实际测量实验.测量结果验证了所提方法的有效性。

关键词：5G NR;频谱发射模板（SEM）

0 引言

第五代移动通信技術（英语：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，简称5G或5G技术）是最新一代蜂窝移动通信技术，也是继4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统之后的延伸。5G网络正在发生深刻变化，旨在满足高数据速率、最低保证数据速率、大容量、低时延等方面的需求[1]。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。所以，在通信产在通信产业链中，终端和通信芯片的生产和测试推动通信技术的成熟和通信产业的发展，特别是5G NR终端测试已成为通信测试行业的一个热点，尤其在终端设备的研发和产线测试上。不同芯片和不同厂商生产的终端在性能方面也会表现不一致，从而影响了运营商对网络的优化定位以及终端和芯片自身的运行性能。5G NR终端测试包括三个方面：射频一致性测试、RRM资源一致性测试以及协议一致性测试[2]。目前业内5G NR终端测试射频一致性测试技术并未完全成熟，本文结合3GPP测试协议，针对射频一致性测试中的频谱发射模板测试提出了一种快速测量方法和硬件实现技术。

1 5G NR频谱发射模板测试设计

1.1测试平台设计

5G NR规范包括了两种已获得批准的正交频分多路复用（OFDM）、各种调制和代码集、灵活的参数配置（numerology）和多个信道宽带等新技术[3]，考虑到信号在毫米波和低于10GHz频率下有着不同传播和反射行为，5G标准规定了在两种不同基本频段的操作，在许多情况下，整个RF规范的要求会因两种不同频率范围而有所不同。低频范围内（FR1）的信号可以使用频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种模式，带宽高达100MHz，载波聚合频率高达400MHz。而FR2信号的频率最高可达52.6.GHz.，仅可在TDD模式下运行，并且单信道带宽高达400MHz。FR2信号还可以将多个载波组合在一起，以实现高达800MHz的聚合带宽。未来规范可能会将这一聚合带宽提高至超过1GHz[3]。

由于5G NR技术新增了5G Massive MIMO（NR MIMO）技术，其基站侧的天线数远远大于用户段的天线数量，使得终端射频一致性测试与TD-LTE技术有所不同[4]。在5G Massive MIMO下表现明显的就是信号带宽变大和信号带宽类型组合增多，对射频器件和中频分析带宽均提出了新的要求，同时增加了数据处理复杂度。综合考虑到多方面因素，本文提出了一种硬件总体设计方案，结构框图如图1所示：

其中射频频率范围为70 MHz-7100 MHz，首先将1.47456GHz中频输入信号经过带通滤波器后和7GHz固定本振混频到8.47456GHz中频，8.47456GHz中频信号和8.54456GHz～15.57456GHz扫频本振混频后实现70MHz～7100MHz射频信号输出。因为高达-135dB/Hz@10MHz的整机相位噪声指标要求，5G NR终端综合测试平台射频前端和发射通道本振电路采用多环方案。小数分频锁相环产生高分辨率频率信号，给主环提供参考信号，取样环输出高纯信号与主环反馈信号混频后送入鉴相器，最终产生宽频带高性能本振信号。整机软件主要包括FPGA+ARM组成的核心基带软件、整机控制与数据显示接口软件。其中中频处理模块的采样率为30.72 Mbps，分析带宽为30.72 MHz;高速基带处理模块采用了多核DSP+FPGA实现基带信号物理层处理过程。每个射频通道配置各自的中心频率且每个通道之间的频率间隔为采样时钟频率，目的是在有限射频通道带宽和有限中频分析带宽的情况下，提高信号分析带宽，以满足载波聚合下上行带宽测试要求。多路射频信号经过射频通道模块到达中频模块，中频模块采用宽带调制器对每一路信号处理为低频信号再经过A/D模数转换器变成数字信号;中频模块中的FPGA通过帧同步与终端上行信号进行同步，并对无线帧中子帧2的数据进行采集，采集长度为1ms，A/D模数转换器对每个码元时间内采样点为，其中。在FPGA内部对所有码元的采样点进行长度为的复数快速傅里叶变换，输出FFT后的数据长度为，每个点功率值为：

其中，为每个码元采样点的功率值，为FFT变换后的功率值，为整个射频通道的通道增益功率值。

1.2 测试方法

带外杂散是落在通信载波之外的干扰杂散，通常源于信号调制过程和发射机的非线性，但不包括杂散发射[5]。频谱发射模板主要用于逐点验证终端的带外杂散性能。终端发射机射频频谱如图2所示，其中为带外杂散。

频谱发射模板由信道带宽（channel bandwidth）、带外辐射（）和杂散辐射区域（spurious emission）组成。在不同的带外辐射（）、信道带宽（channel bandwidth）下和测量带宽下，对5G频谱发射模板的功率指标有着不同的要求，具体参考3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2条。由于国内市场上支持毫米波的5G NR终端尚处于验证阶段且难以购买，因此在毫米波条件下的测试不在本文论述中。

初始测试配置包括基于3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2中规定的NR工作带的环境条件、测试频率、测试信道带和子载波间距。

测试方法如下：

（1）同步信号通过PDCCH DCI格式0_1为C_RNTI发送每个UL HARQ进程的上行调度信息，以根据3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2中规定的参数调度ULRMC。由于UL没有有效载荷，也没有环回数据来发送，因此UE会在ULRMC（上行参考测量通道）上发送上行MAC填充位。

（2）连续向UE发送功率控制“向上”命令，直到UE在PUMAX级传输。允许UE至少有200ms达到PUMAX级别。

（3）根据测试配置测量无线接入模式信道带宽中UE的平均功率，应满足3GPP TS38.101-1[2]第6.5.2.2中规定的指标要求。测量周期应至少在连续活动上行槽上持续1ms。对于TDD，仅测试包含UL符号的插槽。

（4）配置测试仪中频采样时钟频率为30.72Mbps，用于A/D数据采样。

（5）配置测试仪本振频率，相对于左偏移30.72MHz即，存储采样后的数据，再设置本振频率，相对于右偏移30.72MHz即，同样对采样数据进行存储。

（6）采样的数据通过中频处理模块进行FFT、RMS检波之后送到数据与图像显示处理模块合并、数据拟合、计算和绘制迹线，并根据协议给出测试要求进行测试结果的判断。

（7）对于下一帧数据重复步骤（4）（6）进行测量。

与传统设计方法和测试方法相比，本文提出的测试方法和实现技术的优点有：

（1）5G NR终端综合测试平台射频前端和发射通道本振电路采用多环方案，来实现高达-135dB/Hz@10MHz的整机相位噪声指标要求。

（2）由FPGA+ARM组成的核心基带软件，共同完成物理层解调和解码过程，通过硬件加速模式提高了物理层解析速度，从而提高了仪器的测试处理效率。

（3）在测试中要观测带外辐射，本文采取依靠控制本振频率左右偏移量使得在频域上可以完全覆盖最大值，这样做的目的在于利用有限的射频带宽和中频带宽提高信号总分析带宽，减少了硬件设计复杂性以及成本。

2 测试结果

本文选择中心频率1GHz作为测试例，终端测试时的参数配置完全按照3GPP TS 38.522协议中表6.5.2.2.3-1测试初始条件规定进行配置，系统带宽选择100MHz，发射功率设置为-10dBm，对FDD_CP_OFDM_30kHz_16QAM_273RBs信号进行频谱发射模板测试。整个测试过程完全按照本文设计的测试方法进行，具体的测试结果如下：

图3中的红色迹线表示按照3GPP TS 38.522协议规定测试要求规定的频谱模板上限值，具体区间有九部分组成，分别为偏离中心频率±105MHz-100MHz、±100MHz-5MHz、±5MHz-1MHz、±1MHz-0MHz以及带内的-50MHz-+50MHz。从图中可以看出频谱迹线均在频谱模板线以内，并有较大余量，占用带宽100MHz，所有测试结果完全满足协议规定的测试要求。

结 论

本文提出的硬件平台设计方法可以实现高性能本振信号的产生、多路射频信号的收发、基带信号的高速处理，从而满足对5G NR终端信号测量分析带宽要求，同时配合高效的测试方法和校准软件以及数据处理方法极大地提高了5G NR终端综合测试仪的测试效率。本文所提方法可扩展性强、灵活性高，可以运用到其他制式测试中，仅凭单台仪器就可以完成多模（2/3/4/5G）、多制式、多频段终端测试需求。

参考文献

[1]未来移动通信论坛，面向5G时代的移动通信再思考[M]，北京：人民邮电出版社，2018，P19-22.

[2]金易，5G的商业革命[M]，广州：广州经济出版社，2018，P4-20.

[3]张辉，曹丽娜，现代通信原理与技术[M]，西安：西安电子科技大学出版社，2017，P282-P287.

[4]王映民，孙韶辉，高秋彬，5G传输关键技术[M]，北京：中国工业出版社，2017，P260-P265.

[5]王振世，一本書读懂5G技术[M]，北京：机械工业出版社，2018，P299-P303

[6]3GPP TS 36.521-1 V11.1.0 User Equipment （UE） conformance specification Radio transmission and reception （Release 11） [S]， 2013.

[7]3GPP TS 38.522 V11.1.0 User Equipment （UE） conformance specification; Applicability of RF andrrm TEST[S] ， 2017

作者简介：

崔琦 （1981.6-），男，汉族，安徽省蚌埠市，通信作者，硕士，工程师，主要研究方向：5G NR移动通信系统开发