解鎖 5G TDD 潛能
精密時序量測與高速開關驗證的致勝關鍵
深入剖析關鍵感測器技術，運用先進測試解決方案克服毫米波頻段挑戰，確保網路高效穩定運作
隨著行動通訊技術的飛速發展，第五代行動通訊技術 (5G) 已成為實現萬物互聯、超高頻寬與超低延遲應用願景的核心驅動力，在眾多關鍵技術中，分時雙工 (TDD) 技術因其頻譜使用效率與彈性，在 5G 網路，特別是高頻毫米波 (mmWave) 頻段的部署中，扮演著至關重要的角色，然而，TDD 系統的卓越性能高度依賴於其內部元件，尤其是射頻開關的精密時序控制與快速切換能力，任何微小的時序誤差都可能導致嚴重的訊號干擾、資料傳輸錯誤，甚至網路效能的崩潰，因此，如何精準量測與驗證這些高速開關元件的性能，確保其在奈秒甚至皮秒等級的時序要求下仍能穩定運作，成為了通訊設備製造商、網路營運商以及相關研發單位面臨的重大挑戰，這不僅關係到 5G 網路能否發揮其應有效能，更直接影響智慧城市、自動駕駛、遠端醫療、工業物聯網等高度依賴 5G 技術的未來產業應用發展。
本文將深入探討在 5G TDD 網路中，用以特性分析高速開關性能的測試儀器所需具備的關鍵感測器功能，並說明如何透過先進的測試解決方案，克服這些挑戰，確保 5G 網路的穩定性與高效能。
5G TDD 網路中實現精密時序的關鍵感測器功能
分時雙工 (Time-Division Duplex, TDD) 技術使得 5G 無線系統能夠提供新世代的性能，其中上行鏈路和下行鏈路傳輸共享單一頻段，透過快速交換的時槽 (Time Slot) 進行組織，相較之下，另一種稱為分頻雙工 (Frequency-Division Duplex, FDD) 的雙工方案則使用兩個獨立的通道進行上行鏈路和下行鏈路傳輸，這需要在兩個通道之間有足夠的頻率間隔，以避免發射器和接收器之間的干擾。
儘管 FDD 被廣泛使用，但它比 TDD 需要更多的頻譜資源，其中包含一部分無法使用的頻譜以確保足夠的通道間隔，並且必須遵守預定的上行鏈路/下行鏈路網路資源分配，由於這些因素，TDD 正成為 5G 網路應用，特別是在高毫米波 (mmWave) 頻率下，一個更受青睞的選項，TDD 提高了頻譜管理的效率，並且能夠適應非對稱流量，從而在密集的 5G 網路部署中實現高頻段頻寬的動態分配。
成功的 TDD 實施需要卓越的同步以及快速、高效且精密的切換元件——通常在微秒或奈秒範圍內運作——以避免延遲和時序重疊，隨著應用頻率的提升，這些時序要求變得更加嚴格。
高頻下的切換速度
在 5G TDD 系統中，每個訊框具有固定的 10 ms 持續時間，並被劃分為具有固定 1 ms 持續時間的子訊框，更進一步細分，每個子訊框被分解為不同的時槽，其中包含一個循環前綴 (Cyclic Prefix) 和數個正交分頻多工 (OFDM) 符元，TDD OFDM 符元的分類包括上行鏈路、下行鏈路和可被指派為上行鏈路或下行鏈路的彈性符元 (Symbol)，特殊的保護間隔 (Guard Periods) 用於防止干擾，保護間隔需要足夠的持續時間，以容納接收下行鏈路資料並切換到新的上行鏈路指派。
時槽持續時間和每個訊框的時槽數量是可變的，通常，在較高的毫米波 (mmWave) 頻率下運作時，隨著時槽長度的縮短，子載波間距會變寬，為說明此點，圖 1 展示了一個 15 kHz 子載波間距的子訊框，其中僅包含一個佔滿整個 1 ms 配額的時槽，提升至 60 kHz 子載波間距時，每個時槽的時間縮短至 0.25 ms，而在 240 kHz 子載波間距時，則進一步縮短至 0.0625 ms，作為參考，FR1 頻率使用 15、30 和 60 kHz 的子載波間距，而較高的 FR2 頻率則使用 60、120 和 240 kHz 的子載波間距，因此，縮短時槽長度也會壓縮 OFDM 符元長度，可能降至次微秒 (sub-microsecond) 的時間範圍。
圖 1：10 ms 5G TDD 無線電訊框，顯示 1 ms 子訊框以及在 15、60 和 240 kHz 子載波間距下的子訊框 0 時槽組態。
由於上行鏈路/下行鏈路切換發生在符元 (Symbol) 層級，負責在快速交換的上行鏈路和下行鏈路指派之間切換的元件，必須以適當的速度運作，尤其是在高頻應用中。
切換速度定義為開關在開/關狀態或關/開狀態之間經過的時間間隔，而定義切換速度的關鍵參數是上升時間 (Rise Time) 和下降時間 (Fall Time)，根據 IEEE的定義，上升時間是訊號從其訊號幅度的 10% 變化到 90% 所需的時間，即從首次跨越近端線到首次跨越遠端線的時間間隔，類似地，下降時間是訊號從其訊號幅度的約 90% 變化到 10% 所需的時間，即從最後一次跨越遠端線到最後一次跨越近端線的時間間隔。
由於上升時間是量化切換速度的關鍵指標，TDD 開關需要具有卓越上升時間能力的測試設備才能進行適當的分析，以二極體為基礎的峰值功率感測器在平滑電容兩端使用低阻抗負載，因此當射頻振幅下降時它們可以快速放電，再配合小容量的平滑電容，射頻峰值功率感測器可以達到非常快的上升時間，領先的功率量測儀器具有 3 ns 的上升時間能力，能夠可靠地擷取 5G TDD 切換元件的特性，值得注意的是，具有這些快速上升時間的感測器同時也擁有 195 MHz 的影像頻寬 (Video Bandwidth)，足以容納單一 5G 通道的 100 MHz 頻寬，例如 Boonton RTP5000 即時射頻峰值功率感測器 系列產品，便具備此類高速量測能力。
在通訊系統中，從 90% 到訊號穩定狀態最大電位之間的時間間隔，稱為穩定時間 (Settling Time)，對於正確理解元件的切換速度以最小化錯誤同樣重要，訊號的峰值性能可以是其訊號幅度的 100%，但有些人甚至認為某個閾值，例如距離訊號最大值 < 0.1 dB，就足以表明它已經穩定（見圖 2），這個關鍵的時間範圍仍然代表一個無法使用的資料區域，並且會為上升時間數據增加寶貴的微秒數，這使得元件特性更接近這些元件必須達成的精密 TDD 切換時間規格。
圖 2：脈衝穩定時間，定義為訊號從最大值的 90% 達到其最大值 < 0.1 dB 所需的時間，響應時間是上升時間 + 穩定時間。
若未注意訊號的穩定時間，可能會對資料的前導部分造成干擾，作為品質控制的衡量標準，區塊錯誤率 (Block Error Rate, BLER) 是指錯誤資料區塊與已傳輸總區塊的比率，由穩定時間引起的無效資料可能導致高 BLER，這通常需要重新傳輸，最終降低網路性能，測試儀器搭配供應商提供或客戶開發的功率量測軟體，可以協助精確定位切換元件的確切穩定時間，例如，軟體工具可以讓使用者沿著波形放置垂直和水平標記，工程師接著可以輕鬆定義訊號的確切穩定時間視窗，以最大化資料傳輸。
傳輸延遲與波形異常
理想情況下，TDD 開關在發射/接收操作之間快速切換而不會遺失資料，然而，某些開關，尤其是那些在功率放大器 (PA) 和低雜訊放大器 (LNA) 之間切換的開關，可能會因為多種因素（包括過長的纜線長度、電路板佈線、不當的時間調整或軟體指令）而經歷傳輸延遲。
傳輸延遲是訊號從發送端開始，經過所有必要的電路和網路基礎設施，到達接收裝置的往返時間間隔，即使是像傳輸延遲這樣的因素在 TDD 時序上造成最輕微的差異，也可能導致嚴重問題，例如下行鏈路/上行鏈路重疊、干擾以及網路性能惡化（見圖 3），此外，在具有壓縮切換時間間隔的較高毫米波 (mmWave) 頻率下，傳輸延遲的影響會更加嚴重，任何時序精確度和開關性能的劣化都變得至關重要。
圖 3：正常時序與發生偏斜導致發射（黃色）和接收（藍色）重疊的時序比較。
延遲也可能造成從 PA 到 LNA 的訊號滲透 (Bleed Through)，導致不必要的訊號現象，例如過衝 (Overshoot)，這發生在訊號超過其頂部振幅時，並且通常伴隨著振鈴假象 (Ringing Artifacts)，直到訊號達到其穩定的最終值，雖然過衝超過訊號的目標值，但類似的效應稱為下衝 (Undershoot)，則發生在數值低於設定的最小值時，為了維持高效的網路運作，設計人員必須有能力擷取和量化 TDD 電路中任何延遲或不必要訊號現象的發生。
功率感測器是量測傳輸延遲和擷取任何訊號失真的關鍵測試與量測工具，在測試設定中分析系統性能時，配套軟體中的量測標記可以精確指出輸入和輸出訊號之間的延遲視窗，頂尖的感測器技術，例如 Boonton RTP5000 即時射頻峰值功率感測器，採用高效且強大的數位訊號處理 (DSP) 技術，消除擷取間隙和量測延遲，以獲得閃電般的性能，透過幾乎同時擷取和處理波形樣本，而非串列處理，可以實現快速的量測速率（例如，每秒 100,000 次量測），這避免了運算開銷、緩衝區大小限制以及停止訊號擷取的需求。
相較之下，標準處理技術會擷取波形樣本（通常在次秒級時間間隔內），然後暫停擷取以進行連續的資料處理和傳輸，在這些擷取間隙期間，可能會發生訊號干擾、失真和其他重要事件，這突顯了使用能夠減少擷取和處理量測樣本總循環時間的感測器之重要性，當與相容的軟體應用程式結合使用時，工程師可以實現 TDD 訊號的即時、無間隙擷取，以驗證切換性能並揭示通訊路徑上的任何異常事件。
同步多通道量測
單一發射器和接收器的情況提供了一個簡化的 TDD 概述，但在更複雜、實際的情況中，有多種訊號同時從多個天線傳播，例如：增加無線電鏈路容量的 MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 應用，在這種情況下，會出現一些關鍵問題：天線是否同時切換？傳輸之間的時間差異是多少？監控更複雜系統的一種方法是使用向量網路分析儀 (VNA)；然而，這種測試儀器的價格相當高昂。
在測試設定中具有同步能力的感測器，為 VNA 提供了一種經濟的替代方案，同時仍然提供一種監控眾多 TDD 訊號的時序、完整性和累積延遲的方法，透過使用在多個同步或非同步通道上共享共同時基的感測器，可以實現時間對齊的量測，採用此技術，共享的時基是透過每個感測器的多功能輸入-輸出埠之間的纜線連接進行分配。
由於切換元件可能會經歷非常小的時序偏移，因此考慮測試儀器的時間解析度能力非常重要，尤其是在嘗試解析 TDD 開關之間 1 至 2 ns 的時序差異時，具有標準時間解析度的傳統儀器很容易錯過 TDD 訊號之間的關鍵細微差別，目前，功率量測儀器中最高的時間解析度為 100 ps，這不僅確保了有意義的 TDD 波形資料的擷取，而且還提高了觸發穩定性，Boonton RTP5000 即時射頻峰值功率感測器 就能提供這樣高精密度的量測。
雖然提供同步多通道 TDD 量測的領先感測器與 VNA 相比，最大限度地降低了測試成本，但有些感測器還提供了在 TDD 傳輸測試期間使用客戶實際訊號的額外優勢，透過提供一種簡單的訊號最佳化方法，客戶可以在其訊號通過 TDD 開關（其中許多嵌入在射頻卡的硬體中）時，精確定位延遲和必要的校正，然後可以使用軟體調整來微調和最佳化性能。
針對 5G TDD 網路的先進測試解決方案
時序和開關性能在 5G TDD 網路應用中至關重要，尤其是在較高的毫米波 (mmWave) 頻率下，先進的測試解決方案，例如整合了如 Boonton RTP5000 即時射頻峰值功率感測器這類高階感測器的系統，能夠量測 5G TDD 通訊路徑上各個點所經歷的任何延遲、捕捉像下衝/過衝這樣的訊號現象、擷取開關致動之間的時間，並協助進行多訊號通道量測，這些測試解決方案的實現，仰賴於關鍵的感測器能力，例如快速的上升時間（3 奈秒）、快速的量測速度（每秒 100,000 次量測）、寬廣的影像頻寬（195 MHz）、測試設定同步以及卓越的時間解析度（100 皮秒）。
結論
總而言之，5G TDD 技術的成功部署與普及，深度依賴於其構成元件，特別是射頻開關，在嚴苛時序下的精準運作，從微秒級的訊框結構到奈秒級的符元切換，任何時序偏差都可能對網路整體性能造成顯著影響，本文闡述了高速開關在上升時間、下降時間及穩定時間等關鍵參數上的嚴格要求，並強調了傳輸延遲、過衝、下衝等波形異常現象對系統穩定性的潛在威脅，為有效應對這些挑戰，高階測試儀器及其感測器必須具備如 3 奈秒的快速上升時間、高達 195 MHz 的影像頻寬、每秒 100,000 次的快速量測速率以及 100 皮秒等級的超高時間解析度，透過選用如 Boonton RTP5000 即時射頻峰值功率感測器這類頂級測試設備，工程師不僅能精準量測與分析 5G TDD 系統中複雜的時序特性與開關性能，還能進行同步多通道量測，有效識別並排除潛在的訊號完整性問題，最終充分發揮 5G TDD 通訊系統在容量和覆蓋範圍上的優勢，加速推動下一代通訊技術的創新與應用。