Les systèmes de communication tels que la 5G, fonctionnant sur les larges bandes passantes et les ordres de modulation élevés d’aujourd’hui, doivent maintenir un SNR et une EMV appropriés. La perte de chemin et le bruit de phase peuvent gêner.

Notre soif insatiable de spectre disponible a poussé les technologies de communication sans fil à utiliser des bandes de fréquences plus élevées. Dans les communications par satellite, par exemple, où l’Union internationale des télécommunications (UIT) attribue le segment de bande W 71 à 76 GHz / 81 à 86 GHz aux services par satellite, des satellites commerciaux avec des émetteurs radio en bande W sont en jeu depuis la première fois. . lancement en juin 2021. Dans les communications cellulaires, la version 17 du projet de partenariat de 3e génération (3GPP), achevée à l’été 2020, a étendu la gamme 5G New Radio (NR) avec la bande FR2-2, couvrant 52,6 GHz à 71 GHz. GHz.

Aux fréquences d’ondes millimétriques (mmWave), il y a plus de bande passante disponible. Le débit et la latence des communications cellulaires s’améliorent à des largeurs de bande plus larges. Dans le même temps, les schémas de modulation d’ordre supérieur utilisés dans la 5G, tels que le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM), la modulation par déplacement de phase en quadrature (QPSK) et la modulation d’amplitude en quadrature (QAM) – qui nécessitent des symboles plus proches – atteignent des débits de données plus rapides sans augmenter la bande passante du signal.

Les largeurs de bande plus larges et les schémas de modulation d’ordre supérieur augmentent le débit. Cependant, les deux ont également un sérieux inconvénient : l’introduction de plus de bruit qui dégrade les performances du système. Des bandes passantes plus larges introduisent également d’autres défis de conception et de test, notamment la perte de trajet, la réponse en fréquence et le bruit de phase.

Plus il y a de bruit, plus le rapport signal sur bruit (SNR) du système de communication est faible. Pour maintenir un SNR adéquat et donc des liaisons de communication durables, il est essentiel que les réseaux et appareils cellulaires transmettent un signal de haute qualité et réduisent le bruit du système. L’obtention d’un SNR acceptable nécessite une caractérisation précise de chaque composant du système.

comment augmenter le snr lors d'un test à des fréquences d'ondes millimétriques

Figure 1. Multiplexage spatial, formation de faisceaux et configurations massives MIMO pour la 5G NR.

MIMO massif
En plus des défis décrits ci-dessus, un autre aspect de la 5G NR qui complique les problèmes de test et de mesure est l’utilisation de la technologie massive à entrées multiples/sorties multiples (MIMO) pour augmenter l’efficacité spectrale, permettant l’utilisation de faisceaux d’antenne plus étroits et plus longs. concentré. . L’intégration du MIMO massif et des techniques multi-antennes associées telles que la diversité spatiale, le multiplexage spatial et la formation de faisceaux (illustrés à la figure 1) dans la 5G NR peut améliorer à la fois le SNR et le débit de données.

La diversité spatiale – une technique qui consiste à envoyer plusieurs copies du même signal à travers plusieurs antennes – améliore la fiabilité du signal en augmentant les chances qu’il soit reçu correctement. Le multiplexage spatial, quant à lui, augmente la capacité totale de données en permettant la transmission de flux indépendants sur plusieurs canaux. Les deux techniques sont au cœur de la promesse de la 5G d’une plus grande fiabilité, de vitesses de transmission plus rapides et d’une latence ultra-faible.

La 5G NR spécifie huit flux spatiaux pour la bande de fréquence 1 (FR1) afin d’améliorer l’efficacité spectrale sans augmenter la bande passante du signal. La spécification technique 3GPP (TS) 38.141-1 définit les tests de performances de flux multi-spatiaux pour les stations de base 5G NR. Ces tests nécessitent jusqu’à deux antennes d’émission et huit antennes de réception. Chaque cas de test applique des conditions de propagation, des matrices de corrélation et un SNR spécifiques.

Configuration des tests MIMO

Figure 2. Cette configuration de test MIMO de station de base 5G pour deux antennes d’émission et quatre antennes de réception utilise la rétroaction HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request).

Le test de systèmes d’antennes massives MIMO et de systèmes utilisant la diversité spatiale, le multiplexage spatial et d’autres techniques multi-antennes nécessite des signaux multicanaux avec des relations de phase stables entre eux. Les générateurs de signaux commerciaux utilisent des synthétiseurs indépendants pour convertir un signal de fréquence intermédiaire (IF) en un signal RF. Une synchronisation temporelle précise entre les canaux est nécessaire pour simuler les signaux de test multicanaux, comme illustré à la Figure 2.

Perdre le chemin
En plus des paramètres précédents, une perte de trajet excessive aux fréquences mmWave peut limiter la force du signal RF et rendre les tests OTA (over-the-air) plus difficiles. (Les composants conçus pour les appareils mmWave sont compacts et hautement intégrés, sans espace de sonde, nécessitant l’utilisation de tests OTA).

La perte de trajet devient plus importante à des fréquences plus élevées en raison de la nature des ondes rayonnées. Alors que la région de champ lointain d’un appareil 4G LTE de 15 cm fonctionnant à 2 GHz commence à 0,3 m et a une perte de trajet de 28 dB, la région de champ lointain d’un appareil 5G NR fonctionnant à 28 GHz a une distance de champ lointain. de 4,2 m et une perte de trajet de 73 dB.

Étant donné que les méthodes OTA traditionnelles entraîneraient une chambre de test en champ lointain excessivement grande et une perte de trajet trop élevée pour effectuer des mesures précises et reproductibles à des fréquences mmWave, le 3GPP a approuvé une méthode de test en champ lointain indirect (IFF) basée sur une antenne compacte. plage de test (CATR) pour surmonter les problèmes de perte de trajet et de dépassement de champ lointain. En utilisant la méthode de test IFF, un CATR avec un réflecteur parabolique est utilisé pour collimater les signaux transmis par l’antenne de la sonde et créer un environnement de test en champ lointain. Cette méthode fournit une distance beaucoup plus courte et une perte de trajet plus faible que la méthode directe à champ lointain pour mesurer les appareils à ondes millimétriques.

Une perte de trajet excessive entre les instruments et l’appareil testé (DUT) à des fréquences mmWave réduit le SNR, ce qui rend plus difficiles les mesures telles que l’amplitude du vecteur d’erreur (EVM), la puissance du canal adjacent (ACP) et les émissions parasites.

Pour compenser la perte de trajet et améliorer le SNR, les ingénieurs réduisent généralement le signal de sortie de l’analyseur de signal avec un atténuateur. Même avec l’atténuation réglée sur 0 dB, le SNR peut encore être trop faible pour une analyse précise du signal. Minimiser autant que possible la perte de chemin possible est essentiel pour les tests mmWave.

Bruit de phase QPSK

Figure 3. Le bruit de phase dans tout oscillateur local (LO) de l’émetteur transfère l’erreur de phase au signal modulé de sortie (la figure montre un signal modulé QPSK à titre d’exemple). Lorsque le signal est démodulé, les symboles mesurés (représentés par des points verts) varient en “phase” autour du point de référence de symbole idéal, ce qui entraîne une mauvaise qualité du signal.

Bruit de phase
Une mesure EVM précise dépend de plusieurs facteurs, dont l’impact du bruit de phase. Le bruit de phase est une erreur de phase aléatoire d’un signal porteur. Il est communément défini comme le rapport de la densité de puissance à une fréquence compensée en porteuse à la puissance totale du signal porteur. Comme beaucoup d’autres choses, le bruit de phase est un problème plus important aux fréquences mmWave, car le fonctionnement à des fréquences plus élevées augmente la densité spectrale de puissance de bruit, abaissant ainsi le SNR et rendant plus difficile la réalisation de mesures EVM précises (Figure 3).

De plus, comme pour surmonter la perte de trajet, la minimisation de l’impact du bruit de phase dépend de l’utilisation de niveaux optimaux pour le mélangeur et le numériseur d’un analyseur de signal. Il est également essentiel de choisir la configuration de bruit de phase optimale de l’oscillateur local (LO) pour obtenir les meilleurs résultats.
Alors que les normes sans fil spécifient les mesures de l’émetteur à la puissance de sortie maximale, il est possible d’atténuer le niveau de puissance d’un analyseur de signal pour s’assurer que le signal d’entrée haute puissance ne déforme pas l’analyseur de signal. Par exemple, le niveau du signal d’entrée peut être inférieur au niveau optimal du mélangeur dans les tests OTA et les configurations de test avec une perte d’insertion importante.

Le réglage optimal du mélangeur d’entrée de l’analyseur de signal nécessite de prendre en compte les performances de distorsion et la sensibilité au bruit. Plus le niveau d’entrée du mélangeur est élevé, meilleur est le SNR. Plus le niveau du mélangeur d’entrée est faible, meilleures sont les performances de distorsion. L’application d’un amplificateur externe à faible bruit (LNA) à l’extrémité avant peut également réduire le facteur de bruit du système en minimisant le bruit de phase.

Vers une bande passante plus large
La migration vers des fréquences plus élevées et des bandes passantes plus larges se poursuivra. Au-delà de la 5G, la technologie de communication cellulaire de nouvelle génération utilisera probablement des fréquences térahertz, une bande passante considérablement accrue et une modulation encore plus complexe. Pour surmonter ces défis, il faudra des stratégies et des méthodologies de test bien pensées.

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