简述毫米波信号的电磁兼容分析系统及测试方法

宋 旭，陈 喆

（1.国家无线电监测中心，北京 100037；2.中国信息通信研究院，北京 100045）

1 引言

波长从1毫米至10毫米、频率从30吉赫（GHz）至300吉赫（GHz）的电磁波称为毫米波。毫米波在通信、雷达、遥感和射电天文等领域有着大量的应用。毫米波的主要优点包括：极宽的带宽、波束窄、探测能力强、安全保密性好、传输质量高、元器件尺寸小等。但受限于毫米波大气中传播衰减严重、器件不成熟等问题，毫米波业务在很长的时间内都没有显著的增长。随着低频段无线电业务越来越拥挤、频谱资源日益紧张，以及工艺和技术的进步，毫米波频段无线电业务的开发越来越受到各国重视。

2 毫米波通信的最新发展

2017年6月工信部正式公开征集在毫米波频段规划第五代国际移动通信系统（5G）使用频率的意见。频率规划对5G系统技术研发和应用起着重要的导向作用，毫米波频段将成为5G系统重要工作频段。美国联邦通信委员会（FCC）于2015年10月21 日发布了规则制定建议通知（NPRM），建议采用28GHz、39GHz和72GHz频段，如图1所示。

图1 适合移动应用的FCC建议频段

这3个频段脱颖而出是有原因的。首先，与60GHz会因大气吸收产生约20dB/km损耗不同，如图2所示，这些频段的氧吸收率要低得多，更适用于长距离通信。这些频率在多通道环境中也表现良好，可用于非视距通信。毫米波将高度定向天线与波束成形和波束追踪相结合，可提供极为安全可靠的链路。国内外高校和企业发表了数篇论文，探讨这些频率的传播测量以及潜在服务中的研究。通过这些频率的现有数据和研究加上全球可用频谱，就能从这3种频率开始制作毫米波的原型。

图2 毫米波频率的大气吸收率（dB/km）

3 毫米波业务兼容性分析

3.1 无线电业务兼容性分析

无线电业务兼容性分析是通过仿真、实验和外场测试等技术手段，分析在同频、邻近频段或谐波频段，不同无线电业务兼容和干扰的状况，为无线电业务频率分配和保护间隔、发射功率等技术参数设定提供科学依据。系统级电磁兼容分析分为电路和电磁场两个维度，如图3所示。

图3 系统级电磁兼容分析流程

3.2 毫米波业务兼容性分析

依据最新的《中华人民共和国无线电频率划分规定》（2014），如图4所示，我国目前主要将毫米波频段分配给卫星固定/移动业务、卫星地球探测、射电天文、空间研究、无线电导航、无线电定位、气象辅助、卫星广播、卫星间业务等业务。这样的分配与日益兴起的毫米波通信、雷达、遥感等业务有巨大的差别。有必要对不同业务在毫米波频段的兼容性进行分析和研究，为科学的频率规划提供依据。

图4 毫米波频段业务划分

4 毫米波业务兼容性分析方法

4.1 毫米波业务兼容性分析的技术难点

与传统的射频微波业务兼容性分析方法相比，毫米波业务的兼容性分析在如下几个方面有较大的技术难度：

⊙ 频率范围更宽。从30GHz到300GHz，通常需要分段实现对全频段业务的覆盖。

⊙ 信号带宽更宽。毫米波业务的带宽通常是GHz，对数字基带电路、调制器、变频设备都提出了更高要求。

⊙ 系统实现更复杂。目前实验室内的毫米波信号产生和分析通常使用射频微波设备加上毫米波上下变频器实现，系统的搭建和链路更加复杂。

⊙ 系统校准更复杂。对于GHz信号的产生和传输，需要对元器件和链路的带内平坦度、群时延等参数进行校准，这个工作在射频微波业务兼容性分析中通常不需要做。

⊙ 链路预算要求更高。目前毫米波信号的输出功率通常比较低，如果采用同轴传输系统，路径损耗通常无法接受，需要采用波导器件组成不同业务的兼容性分析系统。

4.2 电路系统软件仿真

使用电路系统级仿真软件对42GHz频段业务信号的仿真流程如图5所示。

图5 42GHz 5G信号仿真流程

在仿真中，采用华为建议的F-OFDM（Filtered OFDM）5G候选波形信号，在无线传输链路中叠加了城市传播模型，接收端星座图、误码率等物理参数测试结果如图6所示：

图6 F-OFDM 5G候选波形信号分析结果

在传输链路上除了信道模型，也可以叠加不同频段的干扰信号，通过数值仿真对系统兼容性进行分析。

4.3 半实物仿真平台仿真

使用半实物仿真平台测试毫米波系统的电磁兼容性能的关键，在于应用通用仪表生成需要测试的毫米波业务信号及其他干扰信号。为了搭建此平台，实现任意宽带数字信号和模拟信号的生成，系统使用宽带任意波形发生器、矢量信号源和毫米波上变频器的方案，结合通用信号生成和误码率分析软件实现数据链路层的信号分析。

4.3.1 毫米波业务信号产生方法

基于目前通用仪器，在1MHz到44GHz的频率范围内，任意波形发生器结合矢量信号源可以产生带宽2GHz内的任意矢量和标量调制信号。5G候选波形、宽带调制信号和其他业务信号由电路系统设计软件SystemVue产生，下载到宽带任意波形发生器输出数字基带信号，矢量信号源采用外部IQ调制方式将2GHz的宽带数字基带信号搬移到射频微波频段，然后由矢量上变频器搬移到毫米波频段。

现代雷达常用的线性调频、巴克码、多相码、非线性调频等干扰信号以及宽带跳频干扰信号，使用捷变频信号源生成。宽带高斯白噪声信号和多载波干扰信号使用宽带任意波形发生器产生。干扰信号通过矢量上变频器搬移到毫米波主信号的同频或邻频，通过波导合路器与主信号合路后采集分析。

（1）宽带射频微波信号产生方案：系统硬件由宽带任意波形发生器和微波矢量信号源构成。与矢量信号源内置的数字基带电路相比，采用外置任意波形发生器产生基带信号的方法信号带宽更宽、信号质量更好、存储深度更深、信号产生更灵活。

对于已知调制方式、数据速率、编码方式的数字信号，SystemVue软件生成仿真的测试信号，下载到任意波形发生器播放。任意波形发生器输出的宽带IQ信号，通过外部IQ输入接口进入矢量信号源，通过矢量信号源宽带调制器将IQ信号调制到设定的载波上发射。系统组成如图7所示：

图7 宽带射频微波信号产生框图

（2）超宽带毫米波信号产生方案：当前业界微波矢量信号源的最高输出频率为44GHz。对于44GHz-110GHz频段的毫米波矢量调制信号，通用仪器平台的方案是采用微波矢量源与外部矢量上变频模块结合的方式实现，如图8、9所示。微波上变频模块目前支持混频器的工作方式，适用于矢量信号上变频。除了超宽带射频微波仪器外，系统中还包含以下设备：微波信号源，为混频器提供本振；毫米波上变频器，40-50GHz、50-75GHz、60-90GHz、75-110GHz毫米波混频器模块。

图8 宽带毫米波信号产生框图

图9 71到76GHz矢量信号产生框图

（3）雷达和宽带干扰信号产生方案：现代雷达体制多样、应用丰富。随着对雷达分辨率、波束方向性、抗干扰等要求不断提高，越来越多的超宽带雷达工作在甚高频、毫米波等较高频段。对于雷达信号的模拟，采用专用的雷达信号模拟器成本较高，而且通常是定制设备，灵活性较差。捷变信号发生器是专门用于雷达信号模拟。在线性调频、跳频雷达信号产生方面性能卓越。可以满足雷达、宽带调频信号模拟，频率40GHz。可精确模拟复杂信号场景，提供快速切换、相位相干、复杂脉冲信号生成。常见的多频段宽带噪声、谐波信号、多音信号干扰的模拟，可以采用多路超宽带任意波形发生器产生。超宽带任意波形发生器可以直接产生带宽为20GHz的信号，同时一个模块可以同时输出4个通道，每个通道的带宽均可达到20GHz。将捷变频信号源或宽带任意波形发生器输出的信号连接到矢量上变频器，就可以产生毫米波频段的干扰信号。毫米波频段主信号和干扰信号的传输采用波导器件，干扰信号的注入采用波导合路器，减少链路传输损耗，扩展信号分析的功率范围。

4.3.2 毫米波业务信号分析方法

目前信号分析仪频率范围可以从3Hz到110GHz，分析带宽1GHz。带宽1GHz以内的信号可以直接进入信号分析仪采集和解调分析，降低系统复杂度的同时也减少了系统误差。带宽1GHz～2GHz的宽带信号，可以采用高性能数据采集器对下变频的基带信号进行采集和分析。数据采集器的优势是分辨率高、动态范围大，板上FPGA开放，可以对信号进行实时处理以及流盘记录。带宽大于2GHz 的超宽带信号，目前只能使用示波器进行采集和分析。示波器可以对60GHz以内任意带宽的调制信号进行解调分析，但是由于宽带输入，噪声电平比较高，动态范围比较小。采集的毫米波调制信号通过SystemVue软件可以与发射端输入的码流进行对比，计算系统误码率、误帧率等无线电业务关键指标。带宽＞1GHz的毫米波信号，需要通过外置混频器，将信号变到中频，然后进入数据采集器或者高分辨率示波器进行分析。为了保证信号不失真，毫米波下变频器带宽要求＞2GHz。系统结构如

图10 宽带毫米波信号分析框图

5 结束语

采用通用仪表搭建的电磁兼容测试平台，能够产生和分析毫米波信号，并可根据实际的频率规划、业务分析等需求，验证不同业务的系统间电磁兼容分析。该实验平台将为频率规划、保护频段设定、频谱共享等业务工作提供科学依据，服务经济社会发展。