第2部分:为什么在制造之前需要测量来验证假设。
仿真技术、系统原型工具和自动化测试设备的集成对于解决开发5G无线技术的复杂性至关重要。在这些情况下，设计团队将需要依赖模拟和原型测试的组合，以确保设计的稳健性。虽然模拟对设计试验台或原型是必不可少的，但在制造之前经常需要测量来验证所做的假设，并使其他人相信设计的可行性。
例如，三星研究总监Gary Xu在德克萨斯州奥斯汀举行的2015年NIWeek上首次公开展示了5G全维MIMO (FD-MIMO)基站原型之一。该演示包括一个包含FD-MIMO天线阵列的小型基站和四个NI USRP里约热内卢软件接收器，这些接收器模拟成四个“5G”处理终端。演示的关键技术之一是三星新的3D波束形成算法。原型证明，3D波束形成能够实现更高的吞吐量和支持的用户数量的增加。在本例中，通过使用3D波束形成，系统从为一个用户提供2mbps提高到为四个用户提供25mbps。徐博士的演示如图1所示，是一个很好的例子，说明无线电原型是证明给定系统设计可行性的重要工具。
图1:三星FD-MIMO 3D波束形成原型系统，由四个NI USRP里约热内卢软件接收器实现。
在仿真方面，NI AWR设计环境可帮助工程师在制造前开发无线电组件，如pa、滤波器、天线、电压控制振荡器(VCOs)等源、混合器、转换器和开关等控制电路以及互连技术。例如，5G将需要大量使用先进的天线技术。由于毫米波频率下的高带宽、低功率要求和相当大的信道损耗，天线设计将需要具有多个定向波束和极化分集和控制(如上图1所示)。相控阵显然是满足这些要求的候选者。这又需要电路仿真和系统环境来支持相控阵仿真。
传统的方法是在电磁模拟器中模拟相控阵，并将得到的s参数文件嵌入电路模拟器中完成设计。集成电路和电磁模拟器允许设计者研究天线和电路如何相互作用。特别是，阵列端口的阻抗随波束的扫描角度而变化。反过来，PA驱动天线的性能也会受到端口阻抗的严重影响。设计人员必须经常在天线仿真和电路仿真之间来回切换，以准确地模拟这种行为。微波办公软件现在可以自动结合两个模拟。PA“看到”不断变化的端口阻抗，天线扫描其波束，因为输入功率和输入端口的相位发生了变化。除了节省时间和减少错误外，设计人员现在还可以对电路/天线系统进行优化和良率分析。图2显示了EM联合模拟将如何继续在密集的高频电子器件和互连表征的发展中发挥重要作用。
图2:(a)使用AXIEM进行平面电磁仿真的贴片天线阵列设计和(b)相控阵系统级仿真。
由Chan-Wang Park博士领导的Université du Québec à Rimouski (UQAR)学生最近的工作提供了在5G设计中一起应用模拟和测试数据的示例。设计团队开发了一个6瓦，1 GHz的PA，用于5G MIMO多载波信号。因为他们想在未来线性化PA，团队打算通过使用神经网络预失真线性器Volterra或NI AWR设计环境和LabVIEW开发的多项式预失真线性器来校正PA的非线性。基带中的数字预失真器将用于创建一个扩展的非线性，与PA的压缩特性互补。
设计团队通过使用Microwave Office和AXIEM进行详细的电路/EM联合仿真，以及Cree GaN晶体管的可伸缩高频Modelithics模型，从Focus Microwave导入多谐波源和负载拉数据(用于阻抗匹配和模型验证)，以及使用LabVIEW自动化的NI PXI RF仪器对基于pcb的原型进行快速测试，从而实现了首次通过PA设计的成功，如图3所示。该团队使用预失真线性器为未来的5G MIMO电信系统标准开发了一个简化的解决方案，该解决方案将在NI LabVIEW软件中实现，并在Xilinx Virtex-6 FPGA上执行。
图3:(a)用于模型验证和阻抗匹配(基波和三次谐波)的负载/源拉数据和测试设置图以及(b) 4×4 MIMO基于pxie的射频测量平台。
这些可互操作的平台将为设计团队提供强大的能力和灵活性，以实现推动5G和物联网的高频电子设备。
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