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用于5G TDD网络中精确计时的关键传感器
录入时间:2022/6/13 10:18:37

用于5G TDD网络中精确计时的关键传感器

Wireless Telecom Group

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时分双工(TDD)是一种双工通信,上行链路和下行链路的传输共享一个频段,由快速交换的时隙组织。与之相对的是频分双工(FDD),它使用两个独立的通道进行上行和下行传输。两者之间需要有足够的频率间隔以避免发射器和接收器之间的干扰。

虽然FDD被广泛使用,但它比TDD需要更多的频谱,包含一部分不可用的频谱以实现充分的信道分隔,并且必须遵守预先确定的上行/下行网络资源的分配。由于这些因素,TDD正在成为5G网络应用的一个更有利的选择,特别是在高毫米波频率。TDD为频谱管理带来了效率,并能容纳不对称的流量,在密集的5G网络部署中实现高频段频率的动态带宽分配。

成功的TDD实施需要卓越的同步和快速、高效和精确的开关元件——通常在微秒或纳秒范围内运行,以避免延迟和时间重叠。随着应用频率的提高,这些时间要求变得更加严格。

 

高频时的开关速度

在5G TDD系统中,每个帧有一个固定的10ms持续时间,并被分为固定的1ms子帧。再进一步细分,每个子帧被分成不同的时隙,包含一个循环前缀和几个正交频分复用(OFDM)符号。TDD OFDM符号的分类包括上行链路、下行链路和可被分配为上行或下行链路的灵活符号。特殊的防护期被用来防止干扰。防护期需要有足够的时间来适应接收下行链路数据和切换到上行链路。

时隙的持续时间和每帧的时隙数量是可变的。通常,在较高的毫米波频率时,子载波间距会随着时隙的缩短而扩大。为了说明这一点,1显示了一个15kHz的子帧,其中只包含一个时隙,占用了整个1ms。提高到60kHz的子载波间隔后,每个时隙的时间减少到0.25ms,而240kHz的子载波间隔甚至进一步减少到0.0625ms。作为参考,FR1频率使用15、30和60kHz的子载波间隔,而更高的FR2频率使用60、120和240kHz的子载波间隔。因此,缩短时隙的长度也压缩了OFDM符号的长度,它可以达到亚微秒的时间范围。

 

1 10ms 5G TDD无线电帧的1ms子帧和子载波间距为15、60和240kHz时的子帧0的时隙配置。

由于上/下行链路切换发生在符号层面,负责在上行和下行链路之间快速切换的组件必须以适当的速度运行,特别是在高频应用中。

开关速度是由开/关状态或关/开状态之间经过的时间间隔来定义的,定义开关速度的关键参数是上升时间和下降时间。按照IEEE的定义,上升时间是指信号幅度从10%变化到90%所需的时间,即从近端线的第一次交叉到远端线的第一次交叉的时间间隔。同样,下降时间是指信号幅度从90%变化到10%所需的时间,即从远端线的最后一次交叉到近端线的最后一次交叉的时间间隔。

由于上升时间是量化开关速度的一个关键指标,TDD开关需要具有特殊上升时间能力的测试设备来进行适当的分析。基于二极管的峰值功率传感器在平滑电容上使用低阻抗负载,因此当射频振幅下降时,它们可以快速放电。再加上一个小的平滑电容,射频峰值功率传感器可以达到一个非常快的上升时间。领先的功率测量仪器具有3纳秒的上升时间,能够可靠地捕获5G TDD开关元件。有趣的是,具有这些快速上升时间的传感器还具有195MHz的视频带宽,可容纳单个5G通道的100MHz带宽。

在通信系统中,从90%到信号稳态最大电平之间的间隔,即所谓的稳定时间,对于正确理解一个元件的开关速度以减少误差同样重要。信号的峰值性能可以是信号幅度的100%,但有些人甚至认为某个阈值,如从信号的最大值开始<0.1dB,就足以说明它已经稳定下来了(2)。这个关键的时间帧仍然表示一个不可用的数据区域,并且可以在上升时间的数字上增加宝贵的微秒,这更接近于这些组件必须提供的精确TDD开关时间规格。

 

2 脉冲稳定时间,定义为信号从最大值的90%达到<0.1dB的时间。响应时间是上升时间+稳定时间。

如果不注意信号的稳定时间,数据的领先部分就会出现干扰。作为质量控制的指标,块错误率(BLER)是错误的数据块与传输的总块之间的比率。由稳定时间引起的无效数据会导致高BLER,这往往需要重传,最终降低网络性能。测试仪器辅以供应商提供的或客户开发的功率测量软件,可以帮助确定开关元件的准确稳定时间。例如,软件工具可以使用户沿着波形放置垂直和水平标记。然后,工程师可以很容易地定义信号的准确稳定时间窗口,以最大限度地提高数据传输。

 

传播延迟和波形异常

理想情况下,TDD开关在发射、接收操作之间迅速转换,而不会有数据损失。然而,一些开关,特别是那些从功率放大器(PA)到低噪声放大器(LNA)的交替,可能会由于一些因素而出现传播延迟,包括过长的电缆、电路板、不当的时间调整或软件命令。

传播延迟是指信号从发送方,通过所有必要的电路和网络基础设施,到达接收设备的往返时间间隔。即使传播延迟等因素在TDD时间上有最轻微的差异,也会导致严重的问题,如上/下行链路的重叠、干扰和网络性能的恶化(3)。此外,传播延迟的影响在更高的毫米波频率下会变得更加复杂,开关时间间隔被压缩。时间精度和开关性能的任何退化都变得至关重要。

 

3 正常与倾斜的时序,造成发送(黄色)和接收(蓝色)重叠。

延迟也会造成从PA到LNA的渗漏,导致不需要的信号现象,如过冲,当信号超过其最高振幅时就会发生,并且通常会出现振铃假象,直到信号达到其稳定的最终值。虽然过冲超过了信号的目标,但当数值低于设定的最低值时,就会出现一种类似的效果,即欠冲现象。为了保持高效的网络运行,设计者必须有能力捕捉和量化TDD电路中任何延迟或不需要的信号现象。

功率传感器是关键的测试和测量工具,用于测量传播延迟和捕捉任何信号失真。在测试装置中分析系统性能时,配套软件中的测量标记可以准确地指出输入和输出信号之间的延迟。顶级传感器采用高效和强大的数字信号处理技术,消除了采集和测量延迟的间隙,以获得闪电般的性能。快的测量速度(例如每秒10万次测量)是通过几乎同时采集和处理波形样本而不是串行的方式实现的,这避免了计算开销、缓冲区大小的限制和停止信号采集的需要。

作为比较,标准的处理技术捕获波形样本(通常在亚1秒的时间间隔内),然后停止采集,进行连续的数据处理和传输。信号干扰、失真和其他重要事件可能在这些采集间隙中发生,这就突出了使用能够减少采集和处理测量样本的总周期时间的传感器的重要性。当与兼容的软件相结合时,工程师可以实现TDD信号的实时、无间隙采集,以验证开关性能并揭示通信路径上的任何异常事件。

 

同步的多通道测量

单个发射器和接收器的情况提供了一个简单的TDD概述,但在更复杂的情况下,有各种信号同时从多个天线发出,如MIMO。在这种情况下,关键问题出现了:天线是否在同一时间切换?时间差是多少?监测更复杂系统的一种方法是使用矢量网络分析仪(VNA);然而,这种测试仪器的价格很高。

在测试装置中具有同步能力的传感器为VNA提供了一个经济的替代方案,同时还提供了一种监测众多TDD信号的定时、完整性和累积延迟的方法。通过使用在多个同步或异步通道上共享一个共同时基的传感器,可以实现时间对齐的测量。通过这种技术,共享时基通过电缆连接分布在每个传感器的多功能输入输出端口之间。

由于开关元件可能经历非常小的时间偏移,测试仪器的时间分辨能力是很重要的,特别是当试图处理TDD开关之间1到2ns的时间差异。具有标准时间分辨率的传统仪器很容易错过TDD信号之间的重要细微差别。目前,功率测量仪器中最好的时间分辨率是100ps,这不仅能确保捕获有意义的TDD波形数据,还能提高触发稳定性。

虽然与VNA相比,提供同步多通道TDD测量的前沿传感器将测试成本降到最低,但一些传感器还提供了一个额外的优势,即在TDD传输测试期间使用客户的实际信号。提供一个简单的信号优化方法,客户可以在他们的信号通过TDD开关时准确地指出延迟和必要的修正,其中许多是嵌入在射频卡的硬件中。然后可以用软件调整来微调和优化性能。

 

5G TDD网络的高级测试解决方案

计时和开关性能在5G TDD网络应用中至关重要,特别是在更高的毫米波频率下。先进的测试解决方案可以测量5G TDD通信路径上各点的任何延迟,捕捉信号现象,如欠冲/过冲,捕捉开关启动的时间差,并帮助进行多信号通道测量。这些测试解决方案由关键的传感器功能实现,如快速上升时间(3ns)、高测量速度(每秒10万次测量)、宽视频带宽(195MHz)、测试设置同步和极高的时间分辨率(100ps)。通过选择一流的测试设备,如Boonton RTP5000实时射频峰值功率传感器,工程师可以充分利用5G TDD通信系统的容量和覆盖优势。


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