新型 6G 研发测试台

面向 6G 研究的 Sub-THz 测试平台

第一批5G网络已经投入商用，并且还在不断扩展。我们正处于新一代高速度、高可靠性和灵活的移动连通性发展的潮头。随着第二代商用5G用户设备上市，这种连通性将推动新的应用繁荣发展。它还为发展智慧工厂和智慧城市以及应对农业、公共卫生和全球资源管理等多方面挑战创造了新机遇。

创新的步伐不断加快。虽然5G正方兴未艾，但围绕6G的研究已经开始。是德科技已经与业界其他伙伴一起，共同加入了6G旗舰计划。作为创始成员，是德科技将积极参与突破性的6G研究，为实现速度更快、带宽更高的通信技术做出重要贡献。6G愿景涉及到全息通信和时间工程系统等概念。这些概念在5G的优点之上更进一步，扩展到了更多依赖永久连通性的领域。

6G研究尚处于襁褓阶段。国际电信联盟宣称的“网络2030”的愿景还未最终定型。我们距离启动标准开发尚有时日。因此，大部分的6G研究都是预测性的。业界刚刚围绕6G提出了一些预期目标，例如单载波数据速率应达到100Gb/s[1]，甚至可能高达1Tb/s[2]。这个速率比5G快100倍以上，而且具有超低时延和精度非常高的信息时序[3]。6G与5G一样，并非只使用较高的频率和带宽。但是，Sub-THz频谱只是研究工作的一个重点，实现这一性能还涉及Sub-THz（100–300GHz）或太赫兹（300GHz–3THz）频谱中的极限调制带宽。要想实现这一目标，我们需要在材料、计算体系结构和芯片设计等方面都取得重大进展。

取得这些技术进展需要一个灵活、可扩展的测试台，让研究人员可以在6G演进的同时深入了解设计的性能。本白皮书介绍了一种用于D频段（110–170GHz）和G频段（140–220GHz）的新Sub-THz测试台。通过使用软件和可编程基带硬件，可以灵活地生成和分析候选波形。测试台硬件也具有多个信道，因此研究人员可以扩展信道数量来研究多路输入/多路输出（MIMO）技术。误差矢量幅度（EVM）是衡量6G硬件使用高阶调制实现高数据吞吐量性能的关键指标。

如果测试系统的剩余EVM过高，就有可能掩盖被测器件（DUT）的真实性能。测试系统的剩余EVM性能要足够低，研究人员才能够深入了解DUT的性能。Sub-THz频率范围存在着许多未知问题，其中之一是探索在指定新频段、极限调制带宽和新波形的情况下能够合理实现多高的系统性能。本白皮书通过展示在不同波形和带宽（占用带宽高达10GHz）下在140GHz处获得的EVM测量结果，对这个问题进行了深入探讨。

高频段毫米波频谱

美国通过联邦通信委员会（FCC）的SpectrumHorizonsFirstReportandOrder机制在5G以及未来的通信技术领域起到了带头作用。这一机制使得它能提供更多频谱。在这项工作中，FCC在95GHz到3THz之间批准了21.1GHz的新免许可频谱，提供给那些不干扰现有政府和科学运营并且在最大阈值内运行的器件使用。图1中的浅紫色块就是这些免许可频谱块（116–123GHz、174.8–182GHz、185–190GHz和244–246GHz）。

通过发放有效期长达10年的实验许可证，FCCSpectrumHorizons计划使得研究人员、创新人士和企业家能够在95GHz到3THz之间免许可频谱块之外的频率灵活地开展实验。他们还可以在试用期间轻松地营销和演示设备。这将鼓励95GHz以上通信技术和业务的开发，例如数据密集型大带宽应用；无线认知；以及成像、定位和传感操作。[4]国内和国际频谱政策将继续演进，满足5G及将来的要求。这种演进会影响到与6G产品开发相关的频段，但是，针对潜在6G候选频段的先进研究已经开始。

在这些较高的毫米波（mmWave）频段中，信号传输可能会产生较大的传播损耗，尤其是在有吸收峰的若干频率上。吸收峰之间的频谱区域在94GHz、140GHz和220GHz左右提供了可能的信号传输窗口[5]。本白皮书重点关注D频段（110–170GHz），其中约有 60GHz 的频谱可供超高带宽应用使用[6]。针对各种建筑材料的信道探测和传播测量在D频段（110-170GHz）中的140GHz处已经开始，测量结果会与在28GHz和73GHz处得到的测量结果进行比较[6]。

探索新频谱特性还需要在其他潜在频段进行信道探测。系统级仿真有助于评测不同场景下的系统性能，从而帮助系统工程师深入了解设计要求。设计和测试挑战新频谱区域让我们有可能将这些频段用于突破性的高数据吞吐量应用。但是，要想优化在更大带宽或极限带宽上运行的Sub-THz系统的性能，我们要考虑以下四个关键方面：

• 优化信噪比（SNR）
• 最大程度降低相位噪声
• 避免线性和非线性损伤
• 做出波形选择优化SNR是实现最佳EVM性能的一个重要方面：
• 从“S”（信号）来看：增加信号功率可以提高SNR。然而，考虑到复杂波形的统计峰均信号特性，我们必须降低信号功率才能避免压缩信号链上的分量。
• 从“N”（噪声）来看：SNR的噪声贡献可能会给宽带应用造成问题，因为大信号带宽上的噪声功率会积分到一起。例如，一个6G10GHz带宽信号的积分噪声比一个10MHzLTE信号的噪声要高出1,000倍（或30dB）。
• 从“R”（比值）来看：SNR在高端和低端都有一定程度的“挤压”。这是转用极限带宽测试系统要考虑的关键因素，SNR通常可以转化为可实现的剩余EVM。

从中频（IF）上变频到Sub-THz频率需要用到本地振荡器（LO）信号源和变频器。从Sub-THz频率下变频至中频也是如此。当前的各种倍频器通常仅用于本振路径而不用于信号路径，为的是避免影响信号调制特性。倍频器会使相位噪声增加20*Log(N)，其中N是倍频系数。此外，倍频器还可能会引入加性相位噪声，这将进一步降低倍频后的本振相位噪声，降低的幅度取决于所用倍频器的质量。要想在Sub-THz频率让测试系统保持低剩余EVM性能，我们需要高质量和低相位噪声的本振信号源。

为了对此加以说明，我们使用是德科技的PathWave系统设计软件（SystemVue）仿真本振相位噪声对假设的Sub-THz上变频器设计的影响（此次仿真仅用于说明目的，重点突出了。关键考虑因素，并不意味着对实际设计进行建模。）仿真案例分析使用了简单的上变频器设计，其中调制中频源的中心频率设置为6GHz。调制阶数可以设置为QPSK、16QAM或64QAM，符号率设置为8.8GHz，根升余弦滤波器α设置为0.22。

使用具有低侧本振的混频器将调制的中频上变频到144GHz。本振源频率设置为23GHz，后面是一个6x倍频器，因此混频器本振频率为138GHz；138GHz加上6GHz中频得出144GHz的上变频频率。非线性硬件混频器还会在本振频率减去中频（132GHz）处产生镜像以及其他需要滤波的杂散产物。接下来我们会对此进行探讨。本振相位噪声是在不同频偏下指定，单位为dBc/Hz，因此我们会使用大于100kHz的频偏对相位噪声进行建模。对于第一个仿真场景，我们为易于修改的配置文件设置了相位噪声参数，以便评估相位噪声要求。矢量信号分析（VSA）接收机位于上变频器输出端。这个VSA接收机将使用PathWave89600VSA软件对仿真结果进行后期处理和分析。这款PathWave89600VSA软件还可以配合是德科技信号分析仪、示波器和数字化仪一起执行硬件测量，但是在这个场景中，它是用于分析仿真结果。

用于6G 研究的全新Sub-THz测试台

多通道KeysightM8195A65GSa/s任意波形发生器（AWG）可生成宽带和极限带宽调制中频信号。M8195A拥有25GHz的模拟带宽。4–6GHz的中频可用于提供足够高的频率，从而在上变频到Sub-THz频段后能够滤除不想要的镜像产物；但也能提供足够低的频率，从而通过M8195A的过采样处理来优化EVM性能。

VirginiaDiodesInc.（VDI）公司出品的紧凑型D频段或G频段上变频器将来自M8195A的4–6GHz中频信号（取决于调制带宽）变频到所需的Sub-THz频段。这些紧凑型VDI上变频器对本振频率使用6倍的倍频系数。配有可选UNY的67GHzKeysightE8267DPSG矢量信号发生器为VDI上变频器提供低相位噪声本振。

信号在接收端由紧凑型VDI下变频器变频至4–6GHz中频，然后使用UXR多通道高性能示波器或KeysightM8131A多通道AXIe数据流数字化仪进行数字化处理。图6中是一台33GHz128GSa/s10位UXR。通过使用不同的VDI变频器，测试台可扩展到覆盖不同频段V、E、W、D和G）。另外它也能使用不同软件平台来生成和分析候选波形，从而满足不同的波形需求。测试台支持为测试应用专门开发的软件，也支持PathWaveSystemVue设计软件、VSA软件或IQtools（基于MATLAB）。测试台采用了多信道硬件，因此可以根据MIMO研究需求扩展信道数量。

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