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OFDM訊號產生與分析：R&S FSW/SMW200A客製化測試

OFDM訊號產生與分析：R&S FSW/SMW200A客製化測試攻略

 

正交分頻多工 (OFDM) 技術是現代高速無線通訊標準的基石，從早期的數位音訊廣播（DAB）、無線區域網路（Wi-Fi, 如 802.11a/g/n/ac/ax），到當前的第四代（4G LTE）和第五代（5G NR）行動通訊，OFDM 都是其底層調變技術。

隨著產業邁向 5G 和未來的 6G，對頻譜效率和超高數據速率的要求急劇提升，驅動著 OFDM 技術不斷演進：

  1. 超大頻寬：5G 採用了高達數百 MHz 的訊號頻寬，需要更精確的時域和頻域同步。
  2. 複雜濾波：為了解決傳統 OFDM 頻帶外洩漏問題，新標準發展出如濾波式正交分頻多工(f-OFDM, Filtered OFDM) 和 通用濾波多載波 (UFMC, Universal Filtered Multi-Carrier) 等進階濾波技術。
  3. 多天線技術：結合大規模 MIMO（Massive MIMO）和波束成形，使得訊號結構更加複雜。

 

測試需求的產生與重要性

當通訊系統從傳統的單載波訊號轉向高度複雜、多參數的 OFDM 時，研發人員和測試工程師面臨三大挑戰，進而催生了客製化測試需求：

  1. 原型設計與驗證：在新標準定案前，工程師需要靈活地調整 OFDM 的參數（如 FFT 大小、循環前綴長度、子載波配置），以驗證新的基站（gNB）或終端設備（UE）的原型設計。
  2. 系統互通性（Interoperability）：需確保不同供應商的設備能在複雜的 OFDM 參數下正確同步與解調。
  3. 系統非線性分析：OFDM 具有高峰均功率比（PAPR），容易讓射頻功率放大（PA）進入非線性區域，產生交互調變失真，因此需要精確量測系統的雜訊功率比 (NPR)，以評估系統的線性度。

 

測試要求的重要性與效益

對 OFDM 訊號進行精確且靈活的產生與分析，其重要性在於：

  • 確保性能達標：透過精準量測 EVM（誤差向量幅度） 等關鍵指標，確保訊號發射品質達到嚴苛的通訊標準要求。
  • 優化系統參數：快速測試不同的循環前綴長度（CP）、導頻配置或濾波方案對系統可靠性和傳輸量的影響，從而快速優化產品設計，縮短上市時間。
  • 故障排除效率：在複雜的研發階段，能夠深入到符碼 ID 和 位元流 層級進行分析，有效隔離和解決訊號同步、通道追蹤或等化（Equalization）中的設計缺陷。

 

客製化 OFDM 訊號產生

許多現代通訊標準都採用正交分頻多工 (OFDM) 作為底層調變技術，R&S®SMW200A 向量訊號產生器（具備高達 2 GHz 的調變頻寬和優異的 EVM 性能），搭配 R&S®SMW-K114 OFDM 訊號產生選配，是產生客製化 OFDM 波形的理想選擇，R&S®SMW-K114 選配提供了極高的靈活性：

  • 循環前綴 (CP) 彈性：每個訊號最高可支援兩種不同的循環前綴長度配置，滿足各種應用需求。
  • 上行等效調變：支援在數據分配上採用離散傅立葉變換展頻 OFDM (DFT-s OFDM) 技術，這通常是 4G/5G 上行鏈路（Uplink）所使用的 SC-FDMA（單載波頻分多工）技術的基礎。
  • 靈活配置：可完全彈性地分配導頻（Pilot）和數據（Data）的位置，並支援從 BPSK、QPSK 到最高 256QAM 的調變格式，用於偽隨機雜訊或預定義數據序列。
  • 進階濾波支援：支援產生濾波式正交分頻多工(f-OFDM)、通用濾波多載波 (UFMC)、濾波器組多載波 (FBMC) 和廣義分頻多工 (GFDM) 等新興或進階的 OFDM 變體訊號。
  • 非線性測試：該選配還允許對客製化訊號進行過濾，並能在 OFDM 訊號中放置陷波 (Notches)，以進行關鍵的 NPR（雜訊功率比）量測，用於評估功率放大器的線性度。
 

時間計畫與通用設定預覽圖：圖中為清楚展示了符碼的時間和頻率分配；下方則為客製化 OFDM 訊號產生的一般設定介面。
 

客製化 OFDM 訊號分析

R&S®FSW 訊號與頻譜分析儀以其業界領先的射頻性能和高達 8.3 GHz 的內部分析頻寬，是分析寬頻 OFDM 訊號的理想平台，搭配 R&S®FSW-K96 OFDM 訊號分析選配，能夠解調和分析具有已知 FFT 大小和循環前綴（CP）的客製化 OFDM 和 DFT-s-OFDM（即 SC-FDMA）訊號；即使是複雜的 OFDM 通訊標準，R&S®FSW-K96 選配也能輕鬆應對，其最大的亮點在於配置的自由度和量測參數設定的靈活性。

  • 簡化工作流程：為了快速啟動量測，定義訊號和分配結構的配置檔案可以直接從 R&S®SMW-K114 訊號產生選配匯出，並匯入 FSW-K96 進行分析，實現產生與分析的無縫接軌。
 

配置檔案精靈：圖中展示了利用內建檔案精靈輕鬆定義配置檔案的介面。
 

使用者可定義的 OFDM 參數包括：

  • 採樣率 (Sampling rate)、FFT 大小 (FFT size)、擷取時間 (Capture time)、結果長度 (Result length)。
  • 循環前綴長度：支援單一訊號配置中使用兩種不同的 CP 長度。
  • 前導碼結構 (Preamble structure)。
  • 導頻和數據載波的分配。
  • 每個導頻採樣的固定星座點 (Fixed constellation points per pilot sample)。
  • 數據載波可使用不同的調變格式。

分析功能涵蓋：

  • 符號 ID 和 位元流 結果。
  • 突發訊號識別 (Burst recognition)。
  • 使用相位、時序和電平追蹤的通道估計和等化 (Channel estimation and equalization)。
  • 循環延遲偏移 (Cyclic delay shift)。
  • FFT 偏移 (FFT shift) 與變換預編碼 (Transform precoding)。


100 MHz 客製化 OFDM 訊號分析：圖中展示了一個客製化 OFDM 訊號分析的實例，其佔用頻寬為 100 MHz，詳細顯示了其頻譜、星座圖及性能彙總。
 

總結 (Conclusion)

OFDM 作為新一代通訊技術（5G/6G、Wi-Fi 7）的基礎，其複雜性要求測試設備具備極高的彈性和精確度，R&S®SMW200A 向量訊號產生器（搭配 R&S®SMW-K114 選配）與 R&S®FSW 訊號與頻譜分析儀（搭配 R&S®FSW-K96 選配），共同構建了一個強大且高效的解決方案；這個組合不僅能產生並支援 f-OFDM、UFMC 等所有先進的客製化 OFDM 訊號，還能以前所未有的自由度進行深度解調和分析，確保工程師能夠在 R&D（研發） 階段快速驗證、優化系統參數並精準排除故障，從而加速新技術的部署與商業化。

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