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评估潜在6G波形的亚太赫兹测试台

Greg Jue和Chunlan Qin，是德科技

亚太赫兹频段是6G早期研究的重点。在亚太赫兹（100至300GHz）或太赫兹（300GHz至3THz）频谱中实现高吞吐量需要极宽的调制带宽。研究人员需要一个灵活和可扩展的测试平台，以深入研究他们不断更新迭代的6G设计的性能。是德科技已经为D波段（110至170GHz）和G波段（140至220GHz）开发了一个测试平台，用于测量矢量误差（EVM）¹。该测试平台系统由高性能多通道的硬件设备和灵活的信号生成和分析软件组成，支持高达10GHz的调制带宽，从而具备了评估研究6G候选波形的能力。

这些亚太赫兹频段为突破性的高数据吞吐量应用提供了可能。随着调制带宽的增加，信号能量被分散在更宽的信号带宽上，而由于噪声功率分布在这些更宽的带宽上，从而使得低信噪比（SNR）成为实现最佳系统性能的关键要求。

评估在低信噪比环境下高数据吞吐量的潜在波形和框架结构将是6G的一个重要研究领域。本文讨论的sub-THz测试平台利用灵活的矢量信号分析（VSA）功能，为评估候选波形和帧结构提供了灵活性。在低SNR的情况下，大带宽信号波形通常使用导频和前导码来改善同步和信道估计，而本文介绍的方案可用于评估这些大带宽波形的鲁棒性。本文介绍了一个在上述亚太赫兹测试平台中使用VSA的案例研究，结果显示在144GHz频段大约10GH带宽上，采用256-QAM调制的波形获得了较小的EVM结果。

评估候选波形

大带宽的亚太赫兹系统性能的四个考虑因素是：1）优化信噪比，2）尽可能降低相位噪声，3）解决线性和非线性损伤，4）评估候选波形。本文主要讨论最后一项，即评估低信噪比环境下的波形性能，因为低信噪比是优化系统性能的一个关键因素。

潜在的6G波形和候选帧结构需要进行评估以获得高数据吞吐量和低信噪比情况下的鲁棒性。帧结构的数据有效载荷部分可能会使用高阶调制，如64-QAM以增加每符号的比特数，从而实现高数据吞吐量。然而，为了实现在噪声环境下的鲁棒性，帧结构可能会使用前导码、具有导频辅助的同步和信道估计。前导码通常使用低阶调制，如BPSK，因为它在有噪声的无线信道中具有更好的鲁棒性。专门用于同步的信号则可以被设计成具有良好的相关性以增加低信噪比场景下的鲁棒性。

灵活的信号分析

为了给6G系统设计者在设计和评估候选波形时提供最大的灵活性，测试平台中的VSA提供许多波形和帧结构。是德科技的VSA软件有一个帧定义界面，能够分析周期型和突发型信号（图1）。如果信号是突发的，自动模式会检测到帧的边界。用户还可以设计和指定帧结构的每个部分，在帧结构中添加配置被测信号在无线帧中的位置。如果一种配置在帧内重复出现，则可以将其定义成一个具有周期重复结构的模式。同时系统会提供在无线帧内所有信号配置的整体预览。

VSA测量控制面板（图2）定义了EVM测量的方式，比如可选择对所有载波或单个载波进行测量。总体分配控制选项可以选择帧结构的哪些部分将被计算在最终的EVM测量中，同时指定帧结构中哪些部分是用于同步和信道估计。例如，从测量控制面板中，用户可以只选择数据帧部分用于EVM测量计算，而其余的前导信号和导频序列则只用于同步和信道估计。

实现100Gbps或更高的数据吞吐量将使用大带宽，这可能会引入显著的线性幅度和相位损伤。这些损伤可能是由系统硬件、无线信道或两者共同造成的。接收机通常使用基带处理，如均衡器,以解决信道损伤问题。VSA软件提供两种均衡方法。对于ZF(Zero Forcing)，信道均衡是在频域中通过对频率响应求逆获得。对LMS(Least Mean Squares),均衡则是在时域中进行以最小化EVM。VSA归一化的信道延迟选项允许用户根据信道条件来调整均衡器。EVM可以用百分比或dB来显示，同时用户也可以打开符号时钟误差、I/Q偏移和I/Q增益不平衡补偿选项。

案例研究

为了说明VSA在6G研究中灵活的无线帧结构研究能力，是德科技进行了一个如图所示的实际案例研究（图3）。用M8195A任意波形发生器产生了中心频率为6GHz的宽带中频信号（IF），该信号使用8.8GHz符号率和根升余弦滤波器，此时输出信号占用的带宽约为10GHz。中频信号经过VDI公司的G波段上变频器变频到144GHz，同时使用VDI波导滤波器进行带通滤波，并使用VDI G波段下变频器下变频到6GHz。是德科技PSG模拟信号发生器用于为上变频器和下变频器提供本振信号。下变频后的中频信号则被M8131A进行数字化处理后由VSA灵活的帧解调软件功能进行分析。

图4显示了使用256-QAM调制的144GHz信号，其占用带宽约为10GHz。分别用于同步和信道估计的前导码和导频信号均使用π/2 BPSK调制。此时测量的EVM为4.16%。理论上，在符号率为8.8GHz的情况下，没有FEC和CRC检验的数据率为70.4Gbps，即8.8GSPS×8比特/符号（256-QAM调制）。

小结

利用新的、灵活的VSA分析能力，是德科技用于6G研究的sub-THz测试平台为评估潜在的6G波形和帧结构提供了灵活性。在低SNR的情况下，大带宽信号波形通常使用导频和前导码来改善同步和信道估计。文中介绍的方案可用于评估这些大带宽波形的鲁棒性。本文介绍的案例使用VSA软件研究分析了中心频率为144GHz，调制方式为256-QAM，占用带宽约10GHz的宽带信号，测量得到的EVM结果为4.16%。

鸣谢

是德科技感谢VDI提供用于案例研究的D和G波段硬件。

参考文献

1. 是德科技, “A New Sub- Terahertz Testbed for 6G Research,” WhitePaper.

图1.探索6G候选波形需要有改变框架结构的能力。

图2.评估波形需要有测量EVM的选项，例如，单个或所有载体。

图3.亚太赫兹测试台。

图4.在144GHz下使用10GHz带宽的256QAM调制的分析。