在根據第三代合作夥伴計畫(3GPP)標準要求進行5G訊號分析(頻譜分析)符合性測試系列文章的上篇中，我們討論了各種基地台發射器特性，例如發射功率、輸出功率動態特性、發射開啟/關閉功率和訊號品質，皆可使用射頻頻譜分析儀進行量測。
本文首先將介紹3GPP標準針對基地台發射器訊號分析(頻譜分析)定義的另一項要求，也就是不必要發射測試，接著討論5G NR第16版標準帶來的測試挑戰，以及為了應對測試要求，挑選解決方案的搭配策略。
不必要發射分為頻外放射(Out-of-band Emissions)、突波放射兩種，可使用訊號分析儀(頻譜分析儀)進行分析。頻外放射是發射器的調變過程及其非線性度，所導致之超出通道頻寬的不必要發射，但突波放射不包含在內；突波放射是不必要發射器效應造成的雜散，例如諧波、寄生放射、互調產物和頻率轉換產物，但不包括頻外放射。
頻外放射
針對基地台發射器制定的頻外放射要求，包含相鄰通道洩漏比(ACLR)和操作頻段不必要發射(OBUE)，這些要求的目的是減輕放射對不同頻率偏移的影響。ACLR單純為相鄰通道的功率洩漏，而OBUE則涵蓋整個操作頻段以及兩側的偏移。藉由使用訊號分析儀(頻譜分析儀)，便可在評估基地台發射器訊號品質時，分析這些不必要發射。
ACLR量測
ACLR是以指定通道頻率為中心的濾波平均功率，和以相鄰通道頻率為中心的濾波平均功率的比值。ACLR的目的是將相鄰通道的功率洩漏控制在特定位準以下，以減少干擾。發射訊號可以是單載波或多載波，兩者皆須符合相同的測試要求。
圖1為使用是德科技(Keysight)UXA訊號分析儀(頻譜分析儀)和PathWave X系列量測應用軟體，對傳導ACLR結果進行訊號分析(頻譜分析)的範例。該基地台正發射FR1的100MHz測試模型1.1，此訊號為3.5GHz的單載波訊號。圖中的參數表，列出各種ACLR量測資訊，包括總載波功率、頻率偏移、每個偏移的積分頻寬、量測到的ACLR，以及絕對功率值。利用訊號分析(頻譜分析)功能即可靈活地客製通過及不通過標準，包括僅量測ACLR、僅量測絕對功率，以及同時量測ACLR和絕對功率。另外，此分析儀也提供ACLR預設功能。因此，訊號分析儀(頻譜分析儀)可根據頻段、基地台類型、等級和類別，自動配置相鄰通道偏移、頻寬和限制。
圖1 較低ACLR量測範例
OBUE量測
OBUE可在發射器運作時，量測接近有用訊號之指定通道頻寬的放射訊號。操作頻段的不必要發射，可利用每側一個偏移來量測整個基地台發射器操作頻段的通道外放射。這些是發射器的調變過程及其非線性度所導致的不必要發射，但突波放射不包含在內。
圖2為使用Keysight UXA訊號分析儀(頻譜分析儀)和PathWave X系列量測應用軟體，對傳導測試配置中具有不連續頻譜的兩個子載波訊號進行訊號分析(頻譜分析)的範例。此範例在100MHz子區塊間隙內進行量測，量測軌跡顯示於多個區段，而最上方的藍線代表子區塊間隙內的極限遮罩。量測結果包括停止頻率為10.5MHz的累積區域，以及具有固定極限值的非累積區域，與3GPP要求的波罩一致。圖中表格列出每個區段上下兩端最差的點，包括頻率位置、功率位準，以及超出極限值(Delta to Limit)。
圖2 100MHz子區塊間隙內累積波罩量測範例
突波放射
訊號分析(頻譜分析)有個關鍵問題：「5G NR訊號的放射，對不在操作頻段的其他系統有何影響？」突波放射可量測更寬頻率範圍內的放射，確保放射位準低於極限值。量測區域包括兩個部分，第一部分為9kHz到操作頻段下方的ΔfOBUE；第二部分為操作頻段上方的ΔfOBUE到12.75GHz。對於某些操作頻段，如果頻率上限的五次諧波高於12.75GHz，則放射極限應包含五次諧波點。
圖3為使用Keysight UXA訊號分析儀(頻譜分析儀)和PathWave X系列量測應用軟體，在3.3至3.8GHz頻率範圍進行n78頻段量測的範例。根據測試要求，須在下方通道放射1.1訊號，以量測頻段下方的頻率範圍，而上方通道則用於量測頻段上方的頻率範圍。圖中最下面的表格顯示在每個頻率範圍內檢測到的前十個突波，使用者可在感興趣的突波上加註標記，以檢查其頻率和放射位準。若所有量測點皆低於極限線，表示已通過突波放射測試；若未通過，表格中會以紅色的「F」顯示不合格的突波。
圖3 n78頻段傳導突波放射量測範例
5G NR第16版標準符合性測試之挑戰
我們已經探討了基地台發射器特性，以及確保基地台符合第三代合作夥伴計畫(3GPP)標準要求需要進行的測試。接下來將討論5G NR符合性測試挑戰，以及可克服這些測試挑戰的訊號分析儀(頻譜分析儀)解決方案。
根據符合性測試要求，測試人員需要對所有FR2裝置和基地台，以及部分FR1基地台進行輻射測試。過程中須執行空中傳輸(OTA)測試，帶來許多新的挑戰。無論是評估發射器、對接收器進行除錯，或是分析OTA訊號，都必須充分利用頻譜分析儀(訊號分析儀)硬體和軟體的靈活性，以找到最符合需求的解決方案。測試時主要會遇到的挑戰是過多的路徑損耗、頻寬雜訊及頻率響應。
在毫米波(mmWave)等較高頻率中，過多的路徑損耗是個主要挑戰。專為毫米波裝置而設計的元件具有微型化和高度整合等特性，幾乎沒有放置探棒的空間。5G不同於傳統的有線測試，需要進行輻射或OTA測試，因此將面臨路徑損耗等各種不同的新挑戰。隨著路徑損耗和量測不確定性增加，要確保量測準確度變得極為困難。毫米波設計測試解決方案必須具有足夠的訊噪比(SNR)，以便準確檢測和解調5G訊號。在毫米波頻率下，儀器和待測裝置(DUT)之間的路徑損耗過大，訊噪比必須夠低，才能進行準確的訊號分析，使得誤差向量振幅(EVM)、相鄰通道功率(ACP)和突波放射等發射器量測，變得挑戰性十足。盡可能降低路徑損耗，對於毫米波測試至關重要。
毫米波測試的另一項挑戰是寬頻雜訊，其增加了測試複雜性和量測不確定性。毫米波雖可帶來更高的頻率、更高的資料速率和更寬的頻寬，但也同時帶來更多的雜訊，因為發射訊號必須與通道的雜訊底線爭奪頻譜，以提高接收器靈敏度。頻寬增加，訊號在通道中的傳輸速度也會跟著加快，使接收器能更快收到訊號，然而，如果頻譜分析儀(訊號分析儀)的雜訊增加，將導致訊噪比降低，讓毫米波量測變得更為複雜。
毫米波測試還有一項主要挑戰，即頻率響應。測試系統的目標是分析待測裝置的特性。這類系統必須防止其他區段的資料影響DUT量測結果。介於頻譜分析儀(訊號分析儀)和DUT之間的混頻器、濾波器和放大器等元件，都會產生頻率響應。這些響應具有不同的頻率，包括振幅和相位誤差。
訊號分析解決方案
所有無線標準都規定，必須在最大輸出功率下執行發射器量測。測試人員可在混頻器輸入端使用外部低雜訊放大器(LNA)，最佳化輸入位準。Keysight N9042B UXA X系列訊號分析儀提供內建的LNA和前置放大器，可因應各種不同的測試情境。圖4顯示二級增益如何平衡雜訊和失真，以實現最佳的低輸入位準量測效能。此外，圖4為5G解調分析範例，在開啟LNA後，EVM從5.75%降至1.99%。
圖4 開啟和關閉LNA的EVM量測結果比較
Keysight V3050A外部擴頻器具有整合式預選器和射頻切換器，以及方便與N9042B UXA X系列訊號分析儀進行整合的無縫操作介面。這套解決方案支援2Hz至110GHz的頻寬，並且無須處理頻段中斷和鏡像問題。將U9361 RCal接收器校驗器與X系列訊號分析儀搭配使用，可將參考平面移至DUT，以進行準確而有效的校驗。利用此體積輕巧的設備，可校驗測試接收器系統中，由夾具、纜線和轉接器所造成的線性缺損。測試人員可先建立一個校驗平面，接著在此校驗平面上，將測試接收器系統連接至DUT輸出端。
僅4U高的Keysight N9032B PXA X系列訊號分析儀可提供最寬的分析頻寬，以全面滿足在較低頻率下的寬頻寬需求，並提供達2GHz的頻寬，是其他機型的四倍，可支援8.4、13.6和26.5GHz等頻率。此分析儀採用與UXA X系列相同的LNA和前置放大器，可提供最佳的掃描顯示平均雜訊位準(DANL)，以及最佳的EVM殘餘與靈敏度。圖5顯示Keysight N9032B PXA X系列訊號分析儀採用的前端設計，可將DANL減少3至7dB。藉由搭配量測軟體，例如Keysight PathWave X系列量測應用軟體、Keysight PathWave向量訊號分析軟體(89600 VSA)，加上RCal接收器校驗器和Keysight VXG訊號產生器，使用者可獲得功能齊備的解決方案，以應對不斷改變的法規。
圖5 N9032B DANL訊號分析儀與N9030B和N9040B訊號分析儀的比較
隨著產業標準不斷演進，測試解決方案必須持續升級，以便支援更高的頻率、更大的頻寬，以及新的實體層功能。企業必須使用最切合需求的設備，以因應新的測試和規格要求。另外，企業也需要確認使用中的儀器能否快速整合其他軟體版本，以符合最新測試案例要求。Keysight與業界廠商共同合作開發3GPP規格和測試案例，並與裝置和基地台原始設備製造商(OEM)合作，以協助他們將設計推出問市。
(本文作者為是德科技產品市場經理)