实测对比：NI第三代VST实现亚太赫兹单基和双基测量新标杆-转载

随着第五代移动通信技术（5G）的持续商用和不断演进，对第六代移动通信技术（6G）的研究和定义也已经提上了议事日程。6G在万物互联、卫星通信、通感一体、与人工智能深度融合等领域有着广泛的应用前景。这些应用场景要求6G在传输速率、通信时延、频谱效率等性能指标上，相比5G要提升几倍到几十倍。

更多的互联设备，更高的传输速率对频谱带宽提出了更大的需求。而亚太赫兹（90-300 GHz）频段能提供丰富的频谱资源，因此，对于亚太赫兹频段的研究成为了6G通信技术研究中的一个热点。



 

亚太赫兹单基和双基测量简介

在NI已经发布的6G亚太赫兹参考架构解决方案中，集成NI和第三方的硬件实现了亚太赫兹单基（收发一体）测量系统。图1是亚太赫兹单基测量系统的框图。结合该参考构架所提供的软件，支持高达2GHz瞬时带宽，可以快速进行亚太赫兹频段宽带信号的射频测试测量，验证系统的关键性能指标，例如EVM，频谱平坦度，载波频偏等等；或以此为起点，便捷高效地构建定制化亚太赫兹测量原型系统。

在该单基测量系统中，上、下变频头使用同一个本振信号源产生的本振信号，VSG、VSA和本振源在同一个PXI机箱内，共用同一个参考时钟，因此，本振信号源的相噪影响在发射链路和接收链路相互抵消，对整个系统的性能影响较小，可以得到极小的载波频偏，有利于提高EVM性能。

                                                    图1 亚太赫兹单基测量系统框图

为了验证一些新兴技术，例如通感一体中感知远距离目标的位置和速度，发射机和接收机之间的距离可以从几米到上千米不等。这类应用更适合采用双基（收发分置）测量系统。图2是亚太赫兹双基测量系统框图。


                                                    图2 亚太赫兹双基测量系统框图
对于双基测量系统而言，由于发射机和接收机相距较远，上、下变频头需要使用各自独立的本振信号。此时，两个不相干的本振信号的相噪在发射链路和接收链路上的影响无法相互抵消，对系统性能的影响表现出叠加效应，对整个系统的EVM性能影响较大。同时，两个本振信号没有共用同一个参考时钟，软件估算得到的载波频偏也比单基系统的结果偏大。因此，采用低相噪的本振信号源能提高整个系统的射频性能。
 

主要硬件组成部分

PXIe-5842矢量信号收发仪：用于发射和接收变频器转换的中频信号，提供2GHz瞬时带宽，适用于大带宽的亚太赫兹频段测量实验。

PXIe-1095机箱：用于放置PXI控制器和各类板卡，提供高性能的时钟和同步能力。

PXIe-8881控制器：集成CPU、内存、硬盘及各类I/O，提供高性能计算和数字信号处理能力。

诺之杰® 110 – 170 GHz变频器C06DAS02：用于将PXIe-5842产生的中频信号转化为110 – 170 GHz射频信号，以及将接收到的射频信号转化为中频信号输入PXIe-5842。

PXIe-5654信号发生仪：作为单基测量系统的本振信号源。

Anritsu® MG36221A信号发生仪：作为双基测量系统的本振信号源。

下表给出了亚太赫兹单基测量系统的硬件清单。

下表给出了亚太赫兹双基测量系统的硬件清单。

亚太赫兹单基和双基测量结果

图3是亚太赫兹单基测量实验系统的硬件构成和导线连接。实验条件如下所示：

• 收发天线距离63厘米

• SG发射功率 –18 dBm

• 射频滤波器通带范围145 – 150 GHz

• 测试频率：射频147 GHz，中频9 GHz，本振频率13 GHz

• 测试波形1：400 MHz，1cc，64QAM，OFDM

• 测试波形2：200 MHz，9cc，64QAM，OFDM

                                                    图3 亚太赫兹单基测量实验系统
表1列出了单基测量实验的部分性能结果。可以看出，由于收发端共用参考时钟，载波频偏极小。EVM和频谱平坦度指标在小带宽和大带宽信号下都表现良好。

​​​​​​​                                                    表1 单基测量实验结果
亚太赫兹双基测量实验系统如图4所示。图5和图6分别展示了双基测量系统的发射机和接收机的硬件构成和导线连接。可以看到，由于PXIe-5842矢量信号收发仪能支持高至26.5 GHz的信号频率，适配诺之杰110 – 170 GHz变频器的中频输入，因此发射端和接收端的导线连接都非常简洁，也为将来进一步的定制化扩展奠定了良好的基础。

受限于室内场地空间条件，本次测试实验的收发两端距离设为5米和15米两种。从实验结果来看，15米的距离远未达到该双基测量系统的极限，还能进一步拉大收发两端的距离。通过更换更高功率的功放、低噪放大器和高增益天线（如透镜、卡塞格伦等）及天线波束对准工具，还可以实现户外远距离的连接。

​​​​​​​                                                    图4 亚太赫兹双基测量实验系统

​​​​​​​                                                    图5 双基测量系统的发射机部分

​​​​​​​                                                    图6 双基测量系统的接收机部分

双基测量实验基本条件如下：

• 收发天线距离为5米和15米

• SG发射功率 –25 dBm

• 射频滤波器通带范围145 – 150 GHz

• 测试频率：射频147 GHz，中频9 GHz，本振频率13 GHz

• 测试波形1：400 MHz，1cc，64QAM，OFDM

• 测试波形2：800 MHz，1cc，64QAM，OFDM

• 测试波形3：1.6 GHz，1cc，64QAM，OFDM

• 测试波形4：2.0 GHz，1cc，64QAM，OFDM

• 测试波形5：200 MHz，9cc，64QAM，OFDM

​​​​​​​表2列出了双基测量实验的部分结果。在此次实验中，发射机和接收机的PXIe-5842和本振信号源使用自身的参考时钟。可以看到，随着信号带宽的增加，EVM指标随之变差，意味着本振信号源的相噪影响相对较小。同时，测试距离的增加会导致信噪比变差，EVM和频谱平坦度指标也随之降低。由于不共用参考时钟，因此估算得到的载波频偏比单基测量结果要高。

​​​​​​​                                                    表2 双基测量实验结果（不共用参考时钟）

为了验证本振信号源相噪对测量结果的影响，采用某款具有相对较高相噪的信号发生仪替代Anritsu MG36221A作为变频器本振信号源，进行如下实验。

• 收发天线距离为5米

• SG发射功率 –25 dBm

• 射频滤波器通带范围145 – 150 GHz

• 测试频率：射频147 GHz，中频9 GHz，本振频率13 GHz

• 测试波形1：400 MHz，1cc，64QAM，OFDM

• 测试波形2：200 MHz，9cc，64QAM，OFDM

• 本振信号源组合1：收发都使用MG36221A

• 本振信号源组合2：发射机使用MG36221A，接收机使用较高相噪的信号发生仪

• 本振信号源组合3：发射机使用较高相噪的信号发生仪，接收机使用MG36221A

• 本振信号源组合4：收发都使用较高相噪的信号发生仪

表3列出了采用不同的本振信号源组合所测量得到的性能指标结果。当收发都使用低相噪本振信号源时，系统性能最佳。而当发射机或接收机使用较高相噪本振信号源时，EVM指标明显变差，而且尽管两个测试波形的信号带宽有明显区别，两者的EVM结果仍较为接近，表明此时系统性能受本振信号源相噪影响较大。

​​​​​​​                                                    表3 采用不同本振信号源的测量结果对比

在该双基测量系统中，发射机和接收机端的PXIe-5842也可以和各自的本振信号源共用参考时钟，从而提高载波频偏的估算精确度。为了验证共用参考时钟对测量结果的影响，设计如下实验。

• 收发天线距离为15米

• SG发射功率 –25 dBm

• 射频滤波器通带范围145 – 150 GHz

• 测试频率：射频148 GHz，中频9.2 GHz，本振频率13.1 GHz

• 测试波形1：400 MHz，1cc，64QAM，OFDM

• 测试波形2：200 MHz，9cc，64QAM，OFDM

• 共参组合1：收发两端的PXIe-5842和各自的本振信号源共参

• 共参组合2：发射机的PXIe-5842和本振信号源共参，接收机端不共参

• 共参组合3：发射机端不共参，接收机的PXIe-5842和本振信号源共参

• 共参组合4：收发两端的PXIe-5842和本振信号源都不共参

表4列出了不同共参情况下所测量得到的性能指标结果。收发两端各自都共参时，与收发都不共参相比，载波频偏值更加准确，但对于EVM和频谱平坦度提高不大。同时，由于发射机和接收机无法像单基测量那样共用同一个参考时钟，所以载波频偏相比单基测量时的结果而言仍然略高一些。

​​​​​​​                                                    表4 不同共参组合下的测量结果对比

结语

作为6G移动通信技术中的一个关键研究领域，对亚太赫兹频段的通信、感知技术的研究正受到越来越多研究机构的重视。利用PXIe-5842矢量信号收发仪高达2GHz的瞬时带宽，高至26.5 GHz的信号频率，结合第三方公司的变频器和本振信号源，可以灵活搭建出亚太赫兹单基或双基射频测量原型系统，为广大科研院校在亚太赫兹频段的各类研究、验证和实验提供助力。

​​​​​​​以上内容来自NI