6G对无线设计工程师而言至关重要

2020-11-13 17:30:00
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6G将带来超越5G的令人兴奋的新用例。 除了在自动驾驶和智能制造方面的下一代发展之外,6G还将结合传感,成像和精确定时与移动性,并真正利用人工智能(AI)和智能网络,从而实现创新应用。 6G技术将通信技术进一步融入社会,将混合现实体验和远程呈现带入生活,同时在实现全球可持续性,改善社会和提高各行业生产率方面发挥着关键作用。

但是,无处不在的无线智能要求工程6G技术要提供比5G高得多的性能,并具有通过更新现有关键性能指标(KPI)以及由6G愿景的独特性驱动的新KPI来衡量的功能。 早期6G目标代表KPI(例如峰值数据速率,延迟和密度)比5G高10-100倍。 6G还增加了与抖动,链路预算和其他技术方面有关的KPI的重要性。


图1  6G目标表示关键性能指标的增长,例如峰值数据速率,等待时间和密度。

对更宽带宽的需求将要求使用高于100 GHz的频率,以实现超高数据速率的短距离网络。 精确的时序要求将带来时间工程化的网络和新应用,但需要更改网络的运行方式。 实现6G目标将需要在计算架构,芯片组设计和材料方面取得重大进步。

隐私和安全问题将越来越集中于所有网络层,包括对物理层安全性的新关注。 使用AI也是优化网络运行,抵御攻击和促进恢复的必要条件。 数字化,数据驱动的社会具有即时和无限的无线连接性,将导致数据流量和连接的持续指数增长,并需要超灵活的网络。 这些方面将带来空间频谱效率和连接性挑战。

太赫兹(THz)和THz频谱中的极限调制带宽,甚至更短的波长以及更高的传播和大气损耗,意味着需要减小波束宽度并增加天线和设备的集成度。 无线电资源优化和智能网络还将要求在射频,基带和系统设计方面进行创新以降低功耗。

无线设计和测试工程师面临着重大的技术挑战。 6G尚处于起步阶段,将需要多年的研究,但无线通信技术发展迅速。 在构建5G时,我们需要为6G做准备。 了解与次THz和THz频率相关的挑战尤为重要。

更高频率的6G设计和测试挑战

次太赫兹和太赫兹频率涉及极端的信息带宽。 要优化在宽带宽或极限带宽下运行的亚太赫兹系统的性能,需要考虑以下关键参数:

  1. 信噪比(SNR)
  2. 相位噪声
  3. 线性和非线性损伤
  4. 波形选择

优化SNR是获得最佳误差矢量幅度(EVM)性能的重要考虑因素。 但是,虽然最大化信号功率可以实现最高SNR,但是由于复杂波形的统计峰均信号特性,必须降低信号功率以避免压缩沿信号链的分量。 SNR的噪声贡献在宽带应用中也可能会出现问题,因为噪声功率是在更宽的信号带宽上集成的。

在中频(IF)和次THz频率之间进行上变频和下变频涉及使用本地振荡器(LO)信号源和变频器进行频率转换。 为了避免影响信号调制特性,经常在LO路径而不是信号路径中使用的倍频器会增加相位噪声。 乘法器还可能引入相加的相位噪声,这将进一步降低相乘的LO相位噪声。 在亚太赫兹频率下,低残留EVM测试系统性能需要高质量,低相位噪声的LO信号源。

为了说明这些参数的重要性,让我们使用一个简单的转换器设计,将调制IF源设置为6 GHz的中心频率。


图2 带有调制IF源的简单转换器设计说明了关键参数对于在宽带宽范围内次THz系统性能的重要性。

在此示例中,可以将调制设置为正交相移键控(QPSK),16个正交幅度调制(QAM)或64个QAM。 使用0.22的根升余弦滤波器alpha将符号率设置为8.8 GHz,并使用具有低侧LO的混频器将调制后的IF上变频至144 GHz。 LO源频率设置为23 GHz,然后是6倍乘数。 混频器的本振频率为138 GHz。 使用6 GHz IF,可以产生144 GHz的上变频频率。 在不同的频率偏移下,以dBc / Hz为单位指定LO相位噪声。 用大于100 kHz的频率偏移对相位噪声建模。 此示例还在上变频器输出处使用矢量信号分析(VSA)接收器来分析仿真结果。

图3 该图显示了相位噪声仿真结果。

您可以看到以144 GHz为中心的信号,大约有10 GHz的占用带宽。 16 QAM星座出现在左上方。 如果放大其中一个星座状态(用白色圆圈圈出),由于LO相位噪声,您会看到一些最小的色散。 星座图状态的最小色散对应于右侧摘要中显示的1.56%EVM。

如果在较高的频率偏移处将相位噪声增加10 dBc / Hz,则星座图状态会旋转并且色散会增加,EVM会增加到4.07%。

图4 在较高的频率偏移处增加相位噪声会增加色散。

去除不想要的图像产物,LO馈通,带外杂散产物和发射以及非线性混合的其他不希望的光谱伪影通常需要滤波器。 滤波器以及测试系统中的其他组件(例如混频器和放大器)会在极端信号带宽上引入线性幅度和相位误差。 自适应均衡器有助于减轻线性幅度和相位误差,这与在接收机中实现的类似。 通常,接收机系统需要某种基带均衡,因为它从信源接收到的信号从不理想,并且包括信道损伤。

在宽带或极限带宽测试系统中,测试设备接收器(例如IF数字转换器)可以使用自适应均衡来消除极限信号带宽上的线性幅度和相位损伤。 但是,自适应均衡器将仅对线性幅度和相位误差起作用。 无论是否启用均衡器,噪声和非线性损伤都将保留并影响EVM。 自适应均衡器无法消除测试系统信号路径中压缩放大器的非线性损伤或LO相位噪声,这可能会影响毫米波(mmWave)测试系统的残留EVM。

这是另一个实际的例子,通过以144 GHz为中心的带通滤波器和上变频器设计中增加的功率放大器(PA)来说明这一挑战。 放大器具有增益,并指定了输出1 dB压缩点。 为混频器指定了输出三阶交调(TOI)点,以对非线性特性进行建模。

图5 此上变频器设计具有一个以144 GHz为中心的带通滤波器和一个功率放大器。


图6 未启用自适应均衡器的情况下,EVM达到15.99%。

在未启用自适应均衡器的情况下,EVM达到15.99%,您可以在星座图中看到相关的色散。 但是,很难确定带通滤波器的线性幅度和相位误差或PA或混频器的非线性失真是否会引起色散。

图7   EVM优于没有均衡器,但比没有带通滤波器和PA的情况更差。

现在,让我们打开自适应均衡器。 EVM优于没有均衡器的情况,但比混频器和PA的非线性损伤要差,因此没有带通滤波器和PA时的EVM要差。 自适应均衡器仅从带通滤波器中消除线性幅度和相位误差。 其余的非线性损伤会增加EVM结果。

这些仿真使用的是单载波QAM波形,但您可以建模和仿真其他波形,以通过次THz上变频器设计评估其性能。 请记住,在定义物理层标准之前,波形定义不会最终确定。 次太赫兹测试系统需要提供灵活性,以测试和演示可能是定制的甚至专有的候选波形。 迈向1 Tb / s的数据速率需要重新考虑传统的波形,例如单载波QAM或正交频分复用(OFDM)。 系统设计仿真将在评估各种仿真场景下的预测系统性能方面发挥关键作用。


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