SystemVue模擬系統扮要角　隨標準演進選定正確5G波形

雖然5G的早期研究工作已持續進行了數年之久，但是要把5G從理論變為現實，以便及時因應2020年的資料爆發，仍將是一大挑戰。

落實5G標準化為首要任務

第一步是落實5G標準化。儘管業界人士對5G願景有一致的共識，但是標準化工作尚未展開。因此，研究人員面臨的主要挑戰是在標準尚未確立的條件下開發5G技術。3GPP在2015年9月召開首屆5G研討會，會中確定5G願景到2016年中期才會真正實現。5G商業部署預計在2020年左右開始。與此同時，5G研究的下一步是進入開發和部署階段。

未來的5G無線通訊系統可處理各種各樣的流量類型，例如行動寬頻和機器式通訊。為解決此一挑戰，量測廠商正研發新的多址存取方案、新的波形和調變格式，以處理各種不同的案例。選擇正確的波形是5G非常重要的一項決策。評估新的波形類型時，有許多需要考量的因素，包括頻譜效率、延遲、計算複雜性、能量效率、相鄰通道共存效能和部署成本。

由於5G目前仍處於研究階段，它提出的波形要求隨時可能變化，導致在選擇正確的波形時，須要考慮得非常周密。對5G候選波形進行設計與評估，是啟動5G 研究的重要環節，這將推動5G生態系統向前發展，以協助客戶加快5G行動無線網路的最終部署。

降低接收器複雜程度　FBMC備受矚目

實體層波形尚未明確定義出來，因為業界對潛在波形都還沒有達成共識，所以目前有多個候選波形正在使用：多載波濾波(FBMC)、廣義分頻多工(GFDM)、通用濾波多載波(UFMC)、過濾器-正交分頻多工(F-OFDM)等。其中，F-OFDM和FBMC已獲得許多研究人員的認可。

為了更進一步理解這兩種技術的區別，請參見圖1的結構圖。對於F-OFDM訊號，子載波資料符號(SK)是由符號時間間隔為T的原型濾波器(P)過濾，再增加到每個子載波。所用的原型濾波器有著矩形衝激響應h(t)，可產生不合需要的振幅響應，這是由頻域中的大旁波束導致的。

為了儘量減輕這種影響，矩形脈衝可以被新的脈衝替代，使用常用的窗函數，在符號的起始處有軟轉變(Soft Transition)。這將使得旁波束變小，但卻導致主波束增加。目前正在進行的研究工作，就是想要找到一種使用更好的窗函數的設計(例如基於契比雪夫定理的設計)，以消除這個問題。

FBMC與F-OFDM類似，都是一種眾所周知的多載波技術，資料符號同時在多個子載波頻率上傳輸。這兩種技術的主要區別是符號時間和原型濾波器的選擇。例如在FBMC系統中，如圖1所示，資料符號在使用延遲的間隔是T/2；而當(k+n)是偶數時，相移則是0o。當(k+n)是奇數時，相移是90o。5G研究人員對FBMC特別關注的原因在於，FBMC能夠大幅降低接收器的複雜程度，並能處理短脈衝傳輸和多路輸入多路輸出(MIMO)通道。

圖1 F-OFDM及FBMC波形的基本結構圖，另外還顯示每項技術對應的發射訊號方程式。

FTN成新一代5G候選波形

如前所述，F-OFDM和FBMC並不是唯一的5G候選波形。5G還採用其他類型的波形技術和新的技術，這些技術目前也都還在研究階段，如圖2所示。過去用於傳統的OFDM系統之上升餘弦響應是最好的例子。它可滿足奈奎斯特準則，這意味著它沒有符號間干擾，而且脈衝h(t)在應用中始終與移位nT正交。現在，一種新的資料傳輸方法再次引起業界注意，即超奈奎斯特(FTN)訊令。

利用FTN法，h(t)不再與符號時間正交，脈衝出現的速度加快，係數指定為α。圖2右上角的時頻網格顯示了在每個TF單位面積中，有一個符號滿足奈奎斯特準則。使用FTN法時，每個TF面積內的符號密度會增加，在相同的位元能量和頻譜上使用常見的調變方法，此時可以傳輸多達兩倍的位元數。這是一項創新，可減少所需的頻寬，不過載波間的正交性會有一定程度的損失。

圖2 新5G波形技術深入分析示意圖

FBMC波形引進一種新的脈衝形狀自我調整方法和一種動態子載波間隔技術，可用來調整能量擴充度，並且盡可能地減少能量損耗。基本上，每個子載波上的脈衝整形應當忽視波形的頻外(OOB)發射。這些優勢使得FBMC成為一項非常強大的技術，適用於多使用者非同步分散頻譜情境，例如Web存取或機器對機器(M2M)通訊。

SystemVue助力　5G候選波形測試更精準

識別候選5G波形的工作雖然重要，全面分析這些候選波形也同樣重要。因為5G正在不斷演進，這項任務所用的解決方案必需夠靈活，可快速跟上標準的改變。這類解決方案必須能夠支援在正交和非正交多載波通訊系統中使用的各種5G候選波形，包括先進MIMO和波束成形訊號處理。此外，為了協助工程師盡快展開5G研究，這類解決方案理想上應提供發射器和參考接收器建模實例，並且輕易地重新設計這些實例，以實現高於其他候選解決方案的出眾效能。

這類解決方案提供快速且有效產生並評估5G行動通訊波形所需的靈活性及進階功能，以是德科技為例，該公司旗下電子系統級(ESL)設計軟體、5G基頻探測程式庫和N7608B Signal Studio客製調變軟體是最典型的範例。

SystemVue是系統級通訊設計環境，可以產生5G候選波形(圖3)。它把實體層 (PHY)基頻演算法建模、精確射頻建模、基於標準的參考智慧財產權(IP)，以及測試設備的直接交互作用整合在一起。如用於研發週期的早期階段，SystemVue可將射頻和基頻設計轉化成實際部署，並提供持續的交叉域驗證。

圖3 SystemVue可取代通用的數位、類比和數學運算環境，以協助系統架構工程師和演算法開發工程師，設計出創新的無線PHY與航太/國防通訊系統。

5G基頻探測程式庫可添加至SystemVue套裝產品中，以提供現成可用的5G候選波形技術先進數位訊號處理模組、端到端實體層發射和接收模擬模型，以及MIMO通道訊令方案(圖4)。其還可產生參考波形以驗證射頻電路設計。

圖4 SystemVue的5G基頻探測程式庫為5G技術研究提供可信賴、立即可用的訊號處理原始碼。

SystemVue及其5G程式庫，為設計團隊提供經濟有效的5G技術研究方法。利用這些解決方案，設計團隊可在開始進行最新PHY開發時，更輕鬆地部署探索、驗證和整合，使研發成本大幅減少，並降低進度與技術風險；還可用於5G訊號產生和更多系統級任務。Signal Studio客製調變軟體可快速輕鬆地產生客製FBMC、OFDM和IQ訊號，以滿足5G應用中的元件、發射器和接收器測試需求(圖5)。易於使用的參數化圖形化操作介面，可加速每個階段的客製訊號產生。

圖5 Keysight N7608B用於客製調變的Signal Studio軟體讓工程師能更輕鬆地為5G應用產生和修改客製的波形，進而加快分析速度。

在產生5G測試訊號後，使用SystemVue或Signal Studio並結合兩款硬體，即精密型AWG和向量訊號產生器(配有寬頻I/Q輸入)，可產生調變頻寬高達2GHz、頻率高達44GHz(使用升頻器則頻率更高)的寬頻測試訊號，對5G候選波形進行極限和超出極限測試。

多載波波形品質

系統在使用多載波波形(例如FBMC和F-OFDM)時可能會遇到一些問題，導致波形品質受到影響，例如峰均功率比(PAPR)和射頻鏈路的非線性引起的射頻缺損。PAPR的定義是最大瞬時功率與平均功率之比。在多載波系統中，固有的高PAPR會嚴重降低通訊系統的頻譜效能。

圖6顯示使用SystemVue產生的互補累積分布函數(CCDF)曲線，包括OFDM(A曲線)和FBMC(B曲線)波形在波形PAPR下降或未下降時的曲線。限幅更明顯的話，甚至能夠將PAPR降得更低；但也會增加OOB頻譜再生和原始訊號中的失真。因此，確保錯誤向量振幅(EVM)未超出規定限制至關重要。

圖6 PAPR和射頻鏈路的非線性度是影響多載波波形品質的兩個因素。

射頻鏈路的非線性是另一個顯著影響波形品質的因素。為了更進一步瞭解，請參閱圖7所示的非線性放大器模型。圖中顯示輸入訊號的功率從-20dBm掃描到 10dBm，增益為28.5dB。

圖7 正確評估5G系統效能時，需要考慮射頻缺損(非線性特性和IQ調變器)，因為它會使波形的品質失真。

因為這個放大器模型展示發射器和接收器鏈路間多種類型的非線性特性，因此將量測設定在1dB壓縮模式，而且FBMC EVM量測方塊連接在放大器的輸出端。所產生的「My EVM VS Swept Input Power」SystemVue圖顯示，當輸出功率達到壓縮點時，EVM會迅速增加。LO訊號源和調變器也可用來模擬相位雜訊、IQ失衡和其他射頻缺損對量測的影響。

設計5G候選波形　效能評估不可少

設計5G候選波形時，對具有實際射頻缺損的波形進行效能評估極為重要，可藉由使用SystemVue對射頻特性建模，再執行端到端鏈路級模擬來實現。

為了有效地建立波形射頻特性的模型，首先要對其基本概念有所瞭解。當具有高PAPR的多載波訊號通過非線性元件時，可能會出現顯著的失真。業界通常用1dB 壓縮點來指定發射器的非線性。接收器非線性的標準射頻指標與發射器的不同，因為它們要解決的問題不一樣。接收器的非線性指標稱為截點。輸入和輸出電壓間的非線性關係可藉由圖7所示方程式來估算。直流偏移和高階項在頂層模擬中可以忽略。

如圖7所示，IQ調變器使用射頻載頻α的餘弦與和正弦表示。IQ調變器中的線性失真是因混頻器的不對稱造成的；這是類比環境的固有特性。混頻器的不對稱可產生增益失衡a和正交誤差α。正交誤差是指兩個本地振盪器訊號之間的相位差，與固有的90o相位差無關。它會產生相位雜訊和/或頻偏。

圖2顯示一組FBMC發射器建模範例。這些範例可以用於一個頻寬為20MHz的FBMC訊號，它分配了一百二十八個子載波。這裡的QPSK資料符號是先映射到配置有多相位濾波網路合成濾波器組的FBMC發射器，然後再升頻至2GHz頻段。

一旦完成波形的射頻特性建模，下一步便會是評估其鏈路級效能。以FBMC系統的發射器配置為例，如圖1所示，第一步是選擇理想的接收器模型時間同步。接著使用發射器及接收器放大器模型，將一些非線性特性加入射頻通道模型。發射位元和接收位元隨後透過邏輯方式連接到了原理圖中的誤碼率(BER)模擬模型的輸入端。最後，在一千個傳送資料訊框上進行模擬。圖8顯示經由模擬產生的兩張圖。

圖8最左圖是加成性白色高斯雜訊(AWGN)通道的未編碼BER曲線，可看到FBMC與OFDM有類似的鏈路級效能。然而，發射器和接收器鏈路間的非線性會造成BER值增加。最右圖是衰落通道上的編碼BER曲線，其中顯示低密度同位檢查(LDPC)演算法的編碼增益效能。請注意，當存在非線性且沒降低PAPR時，LDPC的誤差校正仍舊非常嚴格，與未編碼案例非常相近。

圖8 顯示圖1所示之FBMC系統的端對端鏈路級模擬結果。

儘管5G已經準備好因應預期在2020年出現的資料爆炸現象，但這將會是個漫長且艱困的過程。隨著技術不斷地演進，在早期研究和開發階段中會有很大的變化。推動這一進程，需要工程師設計正確的5G波形，並且能夠全面地評估這些波形。

系統級SystemVue軟體及其5G基頻探測程式庫為此提供理想的解決方案。當須要利用這些波形，對5G應用的元件、發射器，以及接收器進行測試時，Signal Studio客製調變軟體是較佳的波形產生選擇。有了這些解決方案，設計團隊現在可以使用他們所需的工具，在標準持續演進的同時，快速推進他們的5G研究，並達成加快未來5G系統部署的最終目標。