簡述毫米波信號的電磁兼容分析系統(tǒng)及測試方法

宋 旭，陳 喆

（1.國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037；2.中國信息通信研究院，北京 100045）

1 引言

波長從1毫米至10毫米、頻率從30吉赫（GHz）至300吉赫（GHz）的電磁波稱為毫米波。毫米波在通信、雷達、遙感和射電天文等領(lǐng)域有著大量的應用。毫米波的主要優(yōu)點包括：極寬的帶寬、波束窄、探測能力強、安全保密性好、傳輸質(zhì)量高、元器件尺寸小等。但受限于毫米波大氣中傳播衰減嚴重、器件不成熟等問題，毫米波業(yè)務在很長的時間內(nèi)都沒有顯著的增長。隨著低頻段無線電業(yè)務越來越擁擠、頻譜資源日益緊張，以及工藝和技術(shù)的進步，毫米波頻段無線電業(yè)務的開發(fā)越來越受到各國重視。

2 毫米波通信的最新發(fā)展

2017年6月工信部正式公開征集在毫米波頻段規(guī)劃第五代國際移動通信系統(tǒng)（5G）使用頻率的意見。頻率規(guī)劃對5G系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)和應用起著重要的導向作用，毫米波頻段將成為5G系統(tǒng)重要工作頻段。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）于2015年10月21 日發(fā)布了規(guī)則制定建議通知（NPRM），建議采用28GHz、39GHz和72GHz頻段，如圖1所示。

圖1 適合移動應用的FCC建議頻段

這3個頻段脫穎而出是有原因的。首先，與60GHz會因大氣吸收產(chǎn)生約20dB/km損耗不同，如圖2所示，這些頻段的氧吸收率要低得多，更適用于長距離通信。這些頻率在多通道環(huán)境中也表現(xiàn)良好，可用于非視距通信。毫米波將高度定向天線與波束成形和波束追蹤相結(jié)合，可提供極為安全可靠的鏈路。國內(nèi)外高校和企業(yè)發(fā)表了數(shù)篇論文，探討這些頻率的傳播測量以及潛在服務中的研究。通過這些頻率的現(xiàn)有數(shù)據(jù)和研究加上全球可用頻譜，就能從這3種頻率開始制作毫米波的原型。

圖2 毫米波頻率的大氣吸收率（dB/km）

3 毫米波業(yè)務兼容性分析

3.1 無線電業(yè)務兼容性分析

無線電業(yè)務兼容性分析是通過仿真、實驗和外場測試等技術(shù)手段，分析在同頻、鄰近頻段或諧波頻段，不同無線電業(yè)務兼容和干擾的狀況，為無線電業(yè)務頻率分配和保護間隔、發(fā)射功率等技術(shù)參數(shù)設(shè)定提供科學依據(jù)。系統(tǒng)級電磁兼容分析分為電路和電磁場兩個維度，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)級電磁兼容分析流程

3.2 毫米波業(yè)務兼容性分析

依據(jù)最新的《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》（2014），如圖4所示，我國目前主要將毫米波頻段分配給衛(wèi)星固定/移動業(yè)務、衛(wèi)星地球探測、射電天文、空間研究、無線電導航、無線電定位、氣象輔助、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星間業(yè)務等業(yè)務。這樣的分配與日益興起的毫米波通信、雷達、遙感等業(yè)務有巨大的差別。有必要對不同業(yè)務在毫米波頻段的兼容性進行分析和研究，為科學的頻率規(guī)劃提供依據(jù)。

圖4 毫米波頻段業(yè)務劃分

4 毫米波業(yè)務兼容性分析方法

4.1 毫米波業(yè)務兼容性分析的技術(shù)難點

與傳統(tǒng)的射頻微波業(yè)務兼容性分析方法相比，毫米波業(yè)務的兼容性分析在如下幾個方面有較大的技術(shù)難度：

⊙ 頻率范圍更寬。從30GHz到300GHz，通常需要分段實現(xiàn)對全頻段業(yè)務的覆蓋。

⊙ 信號帶寬更寬。毫米波業(yè)務的帶寬通常是GHz，對數(shù)字基帶電路、調(diào)制器、變頻設(shè)備都提出了更高要求。

⊙ 系統(tǒng)實現(xiàn)更復雜。目前實驗室內(nèi)的毫米波信號產(chǎn)生和分析通常使用射頻微波設(shè)備加上毫米波上下變頻器實現(xiàn)，系統(tǒng)的搭建和鏈路更加復雜。

⊙ 系統(tǒng)校準更復雜。對于GHz信號的產(chǎn)生和傳輸，需要對元器件和鏈路的帶內(nèi)平坦度、群時延等參數(shù)進行校準，這個工作在射頻微波業(yè)務兼容性分析中通常不需要做。

⊙ 鏈路預算要求更高。目前毫米波信號的輸出功率通常比較低，如果采用同軸傳輸系統(tǒng)，路徑損耗通常無法接受，需要采用波導器件組成不同業(yè)務的兼容性分析系統(tǒng)。

4.2 電路系統(tǒng)軟件仿真

使用電路系統(tǒng)級仿真軟件對42GHz頻段業(yè)務信號的仿真流程如圖5所示。

圖5 42GHz 5G信號仿真流程

在仿真中，采用華為建議的F-OFDM（Filtered OFDM）5G候選波形信號，在無線傳輸鏈路中疊加了城市傳播模型，接收端星座圖、誤碼率等物理參數(shù)測試結(jié)果如圖6所示：

圖6 F-OFDM 5G候選波形信號分析結(jié)果

在傳輸鏈路上除了信道模型，也可以疊加不同頻段的干擾信號，通過數(shù)值仿真對系統(tǒng)兼容性進行分析。

4.3 半實物仿真平臺仿真

使用半實物仿真平臺測試毫米波系統(tǒng)的電磁兼容性能的關(guān)鍵，在于應用通用儀表生成需要測試的毫米波業(yè)務信號及其他干擾信號。為了搭建此平臺，實現(xiàn)任意寬帶數(shù)字信號和模擬信號的生成，系統(tǒng)使用寬帶任意波形發(fā)生器、矢量信號源和毫米波上變頻器的方案，結(jié)合通用信號生成和誤碼率分析軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的信號分析。

4.3.1 毫米波業(yè)務信號產(chǎn)生方法

基于目前通用儀器，在1MHz到44GHz的頻率范圍內(nèi)，任意波形發(fā)生器結(jié)合矢量信號源可以產(chǎn)生帶寬2GHz內(nèi)的任意矢量和標量調(diào)制信號。5G候選波形、寬帶調(diào)制信號和其他業(yè)務信號由電路系統(tǒng)設(shè)計軟件SystemVue產(chǎn)生，下載到寬帶任意波形發(fā)生器輸出數(shù)字基帶信號，矢量信號源采用外部IQ調(diào)制方式將2GHz的寬帶數(shù)字基帶信號搬移到射頻微波頻段，然后由矢量上變頻器搬移到毫米波頻段。

現(xiàn)代雷達常用的線性調(diào)頻、巴克碼、多相碼、非線性調(diào)頻等干擾信號以及寬帶跳頻干擾信號，使用捷變頻信號源生成。寬帶高斯白噪聲信號和多載波干擾信號使用寬帶任意波形發(fā)生器產(chǎn)生。干擾信號通過矢量上變頻器搬移到毫米波主信號的同頻或鄰頻，通過波導合路器與主信號合路后采集分析。

（1）寬帶射頻微波信號產(chǎn)生方案：系統(tǒng)硬件由寬帶任意波形發(fā)生器和微波矢量信號源構(gòu)成。與矢量信號源內(nèi)置的數(shù)字基帶電路相比，采用外置任意波形發(fā)生器產(chǎn)生基帶信號的方法信號帶寬更寬、信號質(zhì)量更好、存儲深度更深、信號產(chǎn)生更靈活。

對于已知調(diào)制方式、數(shù)據(jù)速率、編碼方式的數(shù)字信號，SystemVue軟件生成仿真的測試信號，下載到任意波形發(fā)生器播放。任意波形發(fā)生器輸出的寬帶IQ信號，通過外部IQ輸入接口進入矢量信號源，通過矢量信號源寬帶調(diào)制器將IQ信號調(diào)制到設(shè)定的載波上發(fā)射。系統(tǒng)組成如圖7所示：

圖7 寬帶射頻微波信號產(chǎn)生框圖

（2）超寬帶毫米波信號產(chǎn)生方案：當前業(yè)界微波矢量信號源的最高輸出頻率為44GHz。對于44GHz-110GHz頻段的毫米波矢量調(diào)制信號，通用儀器平臺的方案是采用微波矢量源與外部矢量上變頻模塊結(jié)合的方式實現(xiàn)，如圖8、9所示。微波上變頻模塊目前支持混頻器的工作方式，適用于矢量信號上變頻。除了超寬帶射頻微波儀器外，系統(tǒng)中還包含以下設(shè)備：微波信號源，為混頻器提供本振；毫米波上變頻器，40-50GHz、50-75GHz、60-90GHz、75-110GHz毫米波混頻器模塊。

圖8 寬帶毫米波信號產(chǎn)生框圖

圖9 71到76GHz矢量信號產(chǎn)生框圖

（3）雷達和寬帶干擾信號產(chǎn)生方案：現(xiàn)代雷達體制多樣、應用豐富。隨著對雷達分辨率、波束方向性、抗干擾等要求不斷提高，越來越多的超寬帶雷達工作在甚高頻、毫米波等較高頻段。對于雷達信號的模擬，采用專用的雷達信號模擬器成本較高，而且通常是定制設(shè)備，靈活性較差。捷變信號發(fā)生器是專門用于雷達信號模擬。在線性調(diào)頻、跳頻雷達信號產(chǎn)生方面性能卓越?？梢詽M足雷達、寬帶調(diào)頻信號模擬，頻率40GHz。可精確模擬復雜信號場景，提供快速切換、相位相干、復雜脈沖信號生成。常見的多頻段寬帶噪聲、諧波信號、多音信號干擾的模擬，可以采用多路超寬帶任意波形發(fā)生器產(chǎn)生。超寬帶任意波形發(fā)生器可以直接產(chǎn)生帶寬為20GHz的信號，同時一個模塊可以同時輸出4個通道，每個通道的帶寬均可達到20GHz。將捷變頻信號源或?qū)拵我獠ㄐ伟l(fā)生器輸出的信號連接到矢量上變頻器，就可以產(chǎn)生毫米波頻段的干擾信號。毫米波頻段主信號和干擾信號的傳輸采用波導器件，干擾信號的注入采用波導合路器，減少鏈路傳輸損耗，擴展信號分析的功率范圍。

4.3.2 毫米波業(yè)務信號分析方法

目前信號分析儀頻率范圍可以從3Hz到110GHz，分析帶寬1GHz。帶寬1GHz以內(nèi)的信號可以直接進入信號分析儀采集和解調(diào)分析，降低系統(tǒng)復雜度的同時也減少了系統(tǒng)誤差。帶寬1GHz～2GHz的寬帶信號，可以采用高性能數(shù)據(jù)采集器對下變頻的基帶信號進行采集和分析。數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)勢是分辨率高、動態(tài)范圍大，板上FPGA開放，可以對信號進行實時處理以及流盤記錄。帶寬大于2GHz 的超寬帶信號，目前只能使用示波器進行采集和分析。示波器可以對60GHz以內(nèi)任意帶寬的調(diào)制信號進行解調(diào)分析，但是由于寬帶輸入，噪聲電平比較高，動態(tài)范圍比較小。采集的毫米波調(diào)制信號通過SystemVue軟件可以與發(fā)射端輸入的碼流進行對比，計算系統(tǒng)誤碼率、誤幀率等無線電業(yè)務關(guān)鍵指標。帶寬＞1GHz的毫米波信號，需要通過外置混頻器，將信號變到中頻，然后進入數(shù)據(jù)采集器或者高分辨率示波器進行分析。為了保證信號不失真，毫米波下變頻器帶寬要求＞2GHz。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如

圖10 寬帶毫米波信號分析框圖

5 結(jié)束語

采用通用儀表搭建的電磁兼容測試平臺，能夠產(chǎn)生和分析毫米波信號，并可根據(jù)實際的頻率規(guī)劃、業(yè)務分析等需求，驗證不同業(yè)務的系統(tǒng)間電磁兼容分析。該實驗平臺將為頻率規(guī)劃、保護頻段設(shè)定、頻譜共享等業(yè)務工作提供科學依據(jù)，服務經(jīng)濟社會發(fā)展。