本文篇幅較長，分成了三部分：概述與5G信號通用解調設置；發(fā)射機射頻參數測試；接收機測試。

基站是5G無線接入網絡中的重要節(jié)點，其射頻性能與5G網絡覆蓋范圍、服務質量等指標高度相關。

本文詳細介紹了5G基站的射頻測試標準和方法，給出了射頻傳導測試方法以及測試環(huán)境構建中的注意事項。

一、概述

基站作為網絡接入的關鍵設備，其射頻性能的優(yōu)劣直接關系到網絡容量、覆蓋范圍、吞吐量等指標，與用戶體驗息息相關。

5G基站主要用于提供5G空口協(xié)議功能，支持與用戶設備、核心網之間的通信。按照邏輯功能劃分，5G基站可分為5G基帶單元(CU/DU)與5G射頻單元(RU)，二者之間可通過CPRI(Common Public Radio Interface，通用公共無線電接口)或eCPRI(enhanced Common Public Radio Interface，增強型通用公共無線電接口)接口連接。

5G基站的射頻性能測試分為傳導測試(Conducted)和空口輻射(Radiated或者OTA，Over The Air)測試兩類。從射頻測試的物理連接的角度，5G基站可以分為1-C、1-H、1-O、2-O四種類型：

目前5G基站射頻一致性測試標準主要有3GPP制定的國際標準和中國通信標準化協(xié)會(CCSA)制訂的國內通信行業(yè)標準。3GPP組織制定的5G基站射頻一致性標準包括：射頻技術要求(38.104)、射頻傳導測試方法(38.141-1)和射頻OTA測試方法(38.141-2)，是基站射頻指標的基本要求。

國內5G基站的行業(yè)標準包括《5G數字蜂窩移動通信網6GHz以下頻段基站設備技術要求》和《5G數字蜂窩移動通信網6GHz以下頻段基站設備測試方法》兩本。

二、發(fā)射機測試

發(fā)射機的射頻傳導測試包括如下圖所示。

①基站輸出功率項目主要測試基站在常溫環(huán)境和極限環(huán)境下輸出功率的準確性和穩(wěn)定性，評估基站在不同環(huán)境長時間工作的性能。

②輸出功率動態(tài)范圍項目主要測試基站在最大功率輸出模式和最小功率輸出模式下的準確性，以保證在滿負荷和最低負荷時均能進行準確的信號傳輸。

③發(fā)射機開/關功率測試項僅針對TDD(Time Division Duplexing，時分雙工)制式的基站，主要測試在收發(fā)時隙切換的過程中，時隙開關打開和關閉的時機控制是否符合要求，以及時隙開關關閉后的底噪是否符合要求。

④信號質量測試包含頻率誤差、調制質量和時間對齊誤差三個子項目，主要測試發(fā)射信號在頻域、時域、調制域上的準確度。

⑤非期望輻射包含占用帶寬、鄰道抑制比、頻譜發(fā)射模板、發(fā)射機雜散四個項目，主要保證基站發(fā)射信號時不對工作頻帶內或帶外其他頻段產生影響。

⑥發(fā)射機互調項目主要考察發(fā)射機抑制自身信號與干擾信號產生非線性產物的能力。當有干擾信號注入天線連接器時，干擾信號會與基站自身發(fā)射的信號產生非線性產物，該非線性產物可能會干擾其他頻率的發(fā)射信號或接收信號。干擾信號來源可能是共址基站的共址發(fā)射互調，也可能是本基站其他發(fā)射單元的系統(tǒng)內發(fā)射互調。

2.1測試平臺搭建和基本操作

2.1.1測試平臺

測試平臺如下圖所示，頻譜儀和配備的5G信號解調選件是發(fā)射機測試的主要設備，待測基站通過衰減器或者濾波器、限幅器與頻譜儀射頻輸入端口相連，以保護頻譜儀不被大功率信號損壞。

測試過程中，為防止外界干擾對測試結果的影響，也可將測試系統(tǒng)搭建在屏蔽室中。根據測試需要，將被測基站的參考時鐘、觸發(fā)同步信號通過線纜連接至信號分析儀，并在信號分析儀上進行外部時鐘、外部觸發(fā)的相應設置，并采用單次解調測量的方式，使信號分析儀的解調更加準確、可讀。

圖2.1發(fā)射機測試平臺

發(fā)射機測試的基本流程如下：

①按照搭建測試鏈路，將基站天線連接器通過射頻線纜經合適的衰減器連接至信號分析儀；

②配置基站按照最低工作頻率、最大工作帶寬、測試模式(test model)發(fā)射信號；

③在信號分析儀上，使用信道功率(channel power)測量模式讀取基站發(fā)射功率的數值和鄰道抑制比的數值，使用SEM模式完成頻譜發(fā)射模板的測試，使用調制分析模式完成EVM和頻率誤差測試，等等。

④更改基站的測試模式，完成該模式對應項目的測試。

⑤更改基站工作的頻率、帶寬，重復進行步驟③、④，直到完成所有頻率、帶寬、測試模式的測試項目。

2.1.2 Test Model信號

3GPP 38.141中定義了不同測試項目所需的不同測試模版信號(Test Model)，并以數字編號，下面列舉了常用的三種Test Model信號用于哪些測試項目：

2.1.6 5G信號通用解調設置

手動操作步驟：

①選擇并啟動5GNR解調測試軟件

②設置中心頻率

③選擇基本信號參數和調制方式，也可以直接調用Test Model

④設置參考電平，補償外部衰減

⑤開啟“忽略DC子載波”功能(“DC打孔”)

⑥PDSCH的時頻資源的配置可以選擇自動檢測

2.2發(fā)射功率測試

2.2.1最大發(fā)射功率

基站發(fā)射機會設計一個最大發(fā)射功率以進行區(qū)域覆蓋。5G基站最大發(fā)射功率實測最大發(fā)射功率應在TS38.141-6.2.1章節(jié)所規(guī)定的指標范圍之內，極端情況下不超過指標±3.2-3.5dB。下圖是最大發(fā)射功率的頻譜與信道功率讀數。

圖2.2.1最大發(fā)射功率測指標

2.2.2發(fā)射關斷功率和發(fā)射機過渡時間

由于5G TDD采用時分的雙工方式，導致采用的?幀結構以及頻譜利用率與FDD方式有差別。在發(fā)射機測試中，5G TDD引入了特殊的測試項目。

如下圖所示，發(fā)射機關斷功率規(guī)定了當基站發(fā)射機處于關閉狀態(tài)時由發(fā)射機器件噪聲以及熱噪聲產生的功率指標。關斷功率過高會導致整個系統(tǒng)出現(xiàn)過多的噪聲，指標要求在關斷功率譜密度小于-83dBm/MHz。

發(fā)射機過渡時間是指發(fā)射機實現(xiàn)從關到開或者從開到關的轉換所需要的時間。由于TDD系統(tǒng)以時隙作為收發(fā)轉換的基本時間單位，理想情況下發(fā)射機過渡時間為0，此時TDD信號上下行之間不存在相互干擾。但在實際設備實現(xiàn)上無法達到此理想情況，所以應盡量保證不會因發(fā)射機開關轉換時間過長而造成相鄰時隙間相互串擾，從而導致降低系統(tǒng)性能。

圖2.2.2發(fā)射關斷功率和發(fā)射機過渡時間示意圖

如果待測基站之后接的射頻衰減器的衰減量太大會增加發(fā)射機關閉時的基底噪聲，湮沒發(fā)射機自身的噪底。如果射頻衰減器的衰減量太小，基站的大功率信號又會損壞頻譜儀。

因此，該測試項目需要限幅器，作用是在發(fā)射機開啟時把射頻功率限制在一個恒定的較小功率，同時保持發(fā)射機關閉時基底噪聲不變。環(huán)形器可選配，主要作用是避免限幅器反射的反向大功率損壞基站。

圖2.2.3發(fā)射關斷功率和發(fā)射機過渡時間測試平臺

測量結果如下圖，不僅可以顯示發(fā)射機關斷時的功率與門限值，還可以顯示過渡時間。

圖2.2.4發(fā)射關斷功率和發(fā)射機過渡時間測試結果

2.3輸出功率動態(tài)范圍測試

2.3.1RE功率控制動態(tài)范圍

RE功率控制動態(tài)范圍是RE功率與平均RE功率之差。但協(xié)議沒有為這個測試用例定義特定的測試目標。而采用誤差矢量幅度(EVM)測試覆蓋此測試。所以通常此測試不做。

2.3.2總功率動態(tài)范圍

一個基站的總功率動態(tài)范圍是最大值和最小值的差值OFDM符號在指定參考條件下的發(fā)射功率。動態(tài)范圍的上限為在所有RB上傳輸時，BS在最大輸出功率下的OFDM符號功率。下限為單個RB傳動的平均功率。

測試步驟如下：

①第一次測試選擇test model 3.1/3.1a(支持256QAM)

②第二次測試選擇test model 2/2a(支持256QAM)

③總功率動態(tài)范圍=OSTP(第一次測)－OSTP(第二次測)

2.4無用發(fā)射測試

2.4.1鄰信道泄漏比

由于5G信號產生的峰值因子(crest factor)很大(>8.5dB)，為了避免信號峰值進入功率放大器的非線性區(qū)而產生鄰信道泄漏，只能提高放大器的回退空間和進行數字預失真(digital pre-distortion，DPD)。

下圖是使用頻譜儀測試的5G信號的ACLR，此時未開啟DPD，可以看到鄰道為-41dBc，隔道為-54dBc，無法滿足測試協(xié)議要求。

開啟DPD，可以看到鄰道為-47dBc，隔道為-49dBc，滿足測試協(xié)議要求。

圖2.4.1 5G 100MHz信號的ACLR測試結果

2.4.2頻譜發(fā)射模版

5G 100MHz信號頻譜發(fā)射模板定義了一個以被測信號中心頻率為中心，頻率跨度為300MHz的模板，離載波近的地方用的是100kHz測量帶寬。3GPP TS38.141規(guī)定使用Test model 1.1進行頻譜模板的測量。允許的測試極限值與基站功率相關。

以下是使用頻譜儀測試的5G TDD 100MHz信號的發(fā)射頻譜模板：

圖2.4.2 5G 100MHz信號的頻譜發(fā)射模版測試結果

2.4.3雜散發(fā)射

所謂雜散信號就是在某些頻率觀察范圍內，除主信號外的其它任何頻率的雜波能量。其中雜散信號包括了諧波、子諧波和非諧波成份。雜散對任何電路的影響都非常大，例如雜散信號影響輸出有用信號的純度，雜散信號造成其它無線通信系統(tǒng)的干擾等。

雜散發(fā)射包括發(fā)射機雜散和接收機雜散?；井a品測試雜散根據不同通信制式而不同，因為每個協(xié)議產品的通信帶寬不一致，關注帶內的雜散也不一致。

各種協(xié)議也明確了各自的雜散要求，如5G 3GPP TS38.141對雜散的規(guī)定，即在9kHz-1GHz的頻帶內發(fā)射機為-36dBm；在1-12.75GHz的頻帶內發(fā)射機為-30dBm。

測試雜散使用頻譜儀，特別注意以下幾點：

①受頻譜儀動態(tài)范圍的影響，帶外的小雜散信號可能檢測不到，得借助于陷波器(帶阻濾波器)將發(fā)射信號濾除后再測試。

②雜散測試需要遵守測試規(guī)范所定義的測量帶寬(RBW)。

2.4.4占用帶寬

占用帶寬(OBW)測量發(fā)射功率中一定比例(通常是99％)的所占用的帶寬。計算占用帶寬的辦法是通常先用與信道功率計算相同的積分計算法計算在一定帶寬內(該帶寬大于占用帶寬)的總功率，然后從該帶寬的兩邊往中心進行功率的積分計算，直到兩邊積分的功率達到總功率的1％，則剩余的中間部分必為99％，相應的帶寬就是占用帶寬。

對于5G 100MHz帶寬信號，占用帶寬應該小于100MHz，如下圖所示的使用Test Model1.1信號測量結果。

圖2.4.4 5G 100MHz的占用帶寬測試結果

2.5調制精度

2.5.1頻率誤差和EVM

頻率誤差是指實際發(fā)射頻率與分配的發(fā)射頻率之差。

調制精度通常采用EVM(Error Vector Magnitude)矢量誤差幅度，它定義為測量值和理想值的均方根誤差，誤差是歸一化誤差。

EVM是各種移動通信制式基站的重要指標之一，3GPP中都明確規(guī)定了EVM值的要求。EVM實際反應的是通信系統(tǒng)調制精度的能力，可以反應系統(tǒng)的如下指標：

①IQ兩路增益不平衡，用增益差來表示，單位為dB。

②IQ兩路在正交調制器中相位的非正交性，單位為弧度或度。

③載波泄露也叫作原點漂移，等于信號平均功率與泄露的載波功率之比，單位為dB。

④頻率誤差，單位為HZ。

⑤峰均比CCDF，系統(tǒng)的非線性特性。

5G基站EVM測試指標：

-256QAM選TM 3.1a

-64QAM選TM3.1

-64QAM選TM3.2

-QPSK選TM3.3

以5G基站EVM測試為例，從下面的表格中可以讀出包括EVM在內的上述調制精度的指標。

圖2.5.1.1 5G信號的調制精度測量結果

5G測試中還會測量下行物理信道的參考信號的功率，在頻譜儀的5G解調軟件中可直接讀取測量結果，如下圖所示。

圖2.5.1.2 5G信號的物理信道測量結果

2.5.2時間一致性誤差

5G和5G測試中還有一種較為特殊的測試項目——發(fā)射通道時間一致性誤差(Time alignment error(TAE))測試。

以5G為例，由于5G廣泛采用發(fā)射分集或空分復用技術，因此會用到兩個或更多發(fā)射天線。多根天線上發(fā)射的信號在時間上有一定的時間延時，定義為時間一致性誤差，如下圖所示的Δ2,1，Δ3,1，Δ4,1表示天線2、3、4上的信號和天線1之間的時間差。

圖2.5.2.1時間一致性誤差定義示意圖

測試平臺搭建如下圖所示，僅需一臺頻譜儀接收兩路合路的天線發(fā)射信號即可，頻譜儀上的5G解調軟件會測量兩個天線上的TM1.1參考信號DM-RS符號的時間差來計算發(fā)射通道時間一致性誤差。測試規(guī)范TS38.141規(guī)定時間一致性誤差應小于90ns。

圖2.5.2.2時間一致性誤差測試平臺(上)和測試結果要求(下)

2.6 發(fā)射互調測試

發(fā)射互調主要測試當有干擾信號混入基站天線時，基站的發(fā)射機對互調非線性產物的抑制能力，因此，測試平臺會用到一臺信號源作為干擾源。有用信號TM1.1與干擾信號經過合路之后送到頻譜儀，使用頻譜儀進行測量。

圖2.6 發(fā)射互調測試平臺(上)與測試結果(下)

2.7測試結果匯總

注1：發(fā)射功率誤差的指標要求為不超過±2.5dB；

注2：頻率誤差的指標要求為不超過±0.05ppm，載波頻率2595MHz的應指標為不超過129.75Hz，載波頻率3450MHz的指標為不超過172.5Hz；

注3：EVM測試時的調制方式為64QAM，指標要求為≤8%；

注4：鄰道抑制比的指標要求為≥45dB；

注5：BW為信道帶寬，此處與基站配置的帶寬相同，取值為100MHz

三、接收機測試

3.1測試平臺搭建

接收機測試項主要測試基站接收機對上行信號解調的能力以及濾波器對干擾的抑制能力。接收機測試主要包括的測試項如下圖所示。

①參考靈敏度電平是對基站上行解調性能的直接體現(xiàn)，良好的接收機靈敏度可有效降低終端上行信號的發(fā)射功率，使終端耗電更少；

②動態(tài)范圍指接收信號能被檢測且不失真的功率范圍，該范圍反映接收機接收強/弱信號的能力范圍；

③鄰道選擇性體現(xiàn)接收機對鄰道干擾的抑制能力，良好的鄰道選擇性將擴展基站的鄰頻組網能力；

④信道內選擇性體現(xiàn)接收帶內不同幅度信號的能力，其性能優(yōu)劣將影響基站抑制蜂窩網絡遠近效應的能力；

⑤阻塞體現(xiàn)接收機抗帶內帶外連續(xù)波干擾的性能，主要考察接收機低噪放和濾波器的性能；

⑥接收機雜散是衡量接收機正常工作時對其他頻段的影響，是共存共址應用場景的要求；

⑦接收機互調重點關注的是多個載波信號同時輸入到接收機后，由于非線性產生的互調產物對接收機的影響。

接收傳導測試連接示意圖如下圖所示，該配置可以進行除接收機雜散外的所有接收機項目的測試，其中參考靈敏度電平、信道內選擇性只需要一個信號發(fā)生器即可完成測試，接收機互調需要用到三個信號發(fā)生器，其余測試項目用到兩個信號發(fā)生器。

3.2參考靈敏度與動態(tài)范圍

接收機的參考靈敏度是指接收機在滿足規(guī)范要求誤碼率的條件下，接收機輸入的最小信號電平。該指標反映了接收機接收微弱信號的能力。接收機參考靈敏度測試是其它接收機測試項目的基礎和參考指標。

數字通信系統(tǒng)接收信號質量評估的方法包括BER(BitErrorRate，誤比特率)，BLER(BlockErrorRate，誤塊率)，F(xiàn)ER(frameEraseRate，幀刪除率)，PER(PacketErrorRate，誤包率)，或PER時的最小輸入信號。

測試BLER、FER和PER一般通過CRC來判斷接收的幀和包是否出現(xiàn)誤碼，因此接收端不需要知道發(fā)射端真實的發(fā)射數據。而BER是將接收的數據和發(fā)射的數據逐一比較，需要準確知道發(fā)射端的數據，一般采用固定的偽隨機數據。因此需要使用信號源和基站解調軟件來測試靈敏度。

基站的動態(tài)范圍與靈敏度測試類似，是指接收機在加入一定高斯白噪聲(AWGN)作為干擾信號的條件下，滿足規(guī)范要求最小誤碼率時接收機輸入的最小信號電平。因此，矢量信號源發(fā)出的信號應具有AWGN模擬功能。

圖3.2參考靈敏度和動態(tài)范圍測試平臺

3.3鄰道選擇性與共信道選擇性

選擇性是指有用信號在干擾信號出現(xiàn)情況下，接收機滿足規(guī)定誤碼率時輸入的最小信號電平。在5G基站測試中，又分為鄰道選擇性與共信道選擇性。二者不同點在于干擾信號出現(xiàn)的位置。如下圖左所示，進行鄰道選擇性測試時，干擾信號出現(xiàn)在有用信號帶寬外的鄰道。

下圖右所示的共信道選擇性測試，干擾信號以ResourceBlock(RB)的形式出現(xiàn)在有用信號帶寬內，并與有用信號在頻率上緊密連接。

圖3.3鄰道選擇性測試信號(左)、共信道選擇性測試信號(右)

測試步驟如下：

①按圖5所示連接測試鏈路，配置有用信號發(fā)生器在指定頻點、帶寬、速率和指定功率電平上發(fā)射射頻信號；

②配置基站在指定頻點、帶寬、速率等參數下進行接收統(tǒng)計，確保鏈路暢通，誤塊率(BLER)符合要求；

③打開調制干擾信號發(fā)生器，按測試要求配置信號頻率、帶寬、功率電平等參數；

④再次對基站接收機的BLER進行統(tǒng)計，記錄測試結果并進行判斷。

為保證測試結果的準確，整個測試環(huán)境應在屏蔽室環(huán)境內進行，以杜絕外界干擾的影響。

3.4阻塞測試

接收機的阻塞測試是指在有用信號頻率的一定范圍內存在一個CW或者調制的干擾信號，從而使接收機誤碼率惡化到規(guī)定限值時的最小輸入信號功率。阻塞用于描述接收機承受接收頻點之外大信號干擾的能力。

當存在阻塞信號時，接收機對有用信號的增益減小，這是因為當存在通常相對大得多的阻塞信號時，接收機大部分功率用于放大阻塞信號，對有用信號的放大減少。如下圖所示：

圖3.4阻塞測試信號示意圖

測試平臺和3.2章節(jié)一致，通過合路器向基站輸入有用信號和阻塞信號，為了避免阻塞信號源在有用信號頻率上的雜散信號的影響，可以適當選擇陷波器，陷波器中心頻點選取為有用信號頻率。

3.5接收機互調測試

用來測試接收機在抑制幾個RF信號的交調產物的性能。當有用信道鄰近存在兩個不同頻率的信號時，他們經過低噪聲放大和混頻的非線性作用就會產生這些頻率的組合成分，即產生交調，對接收機最為有害的是三階交調。

在鄰近信道加相同功率不同頻率的單音信號和干擾信號(調制方式和有用信號相同)，使他們的三階交調與有用信號頻率相同，按照鄰道選擇性的測試方法進行測試。

圖3.5接收機互調測試信號示意圖