Đo EVM 5G FR2 mmWave và kiểm thử OTA: giới hạn 3GPP, phương pháp và thiết bị

Ở dải sub-6 GHz, kỹ sư còn có thể cắm cáp vào cổng ăng-ten của thiết bị để đo dẫn. Lên tới mmWave, đặc quyền đó biến mất: mảng ăng-ten được tích hợp thẳng vào module vô tuyến, không còn đầu nối nào để cắm vào. Toàn bộ phép đo EVM 5G ở dải FR2 vì thế phải thực hiện qua không gian — và mọi sai số của buồng đo, của ăng-ten chuẩn, của cấu hình búp sóng đều đi thẳng vào con số cuối cùng. Bài viết này trình bày định nghĩa EVM, giới hạn theo 3GPP, lý do FR2 buộc phải đo OTA, ngân sách sai số ở mmWave và cách chọn thiết bị.

Đo EVM 5G là gì? Định nghĩa vector sai số

Error vector magnitude (EVM) đo mức độ lệch giữa ký hiệu điều chế thực tế mà máy phát tạo ra và ký hiệu lý tưởng theo chòm sao. Với mỗi ký hiệu, ta vẽ điểm đo được và điểm lý tưởng trên mặt phẳng I–Q; đoạn nối hai điểm đó là vector sai số. EVM là tỉ số giữa giá trị hiệu dụng của vector sai số và giá trị hiệu dụng của tín hiệu tham chiếu, tính theo phần trăm:

EVM (%) = √( Σ|S_đo − S_{lý tưởng}|² / Σ|S_{lý tưởng}|² ) × 100

Giá trị này gộp mọi loại suy giảm chất lượng vào một con số duy nhất: méo phi tuyến của bộ khuếch đại công suất, nhiễu pha của bộ tổng hợp tần số, mất cân bằng I/Q, sai số thời gian, nhiễu nền. Đó vừa là ưu điểm — một chỉ số tổng hợp, đo nhanh, dễ đưa vào dây chuyền sản xuất — vừa là hạn chế: EVM xấu cho biết có vấn đề nhưng không tự nói ra vấn đề nằm ở đâu. Muốn chẩn đoán, phải tách EVM theo tần số, theo ký hiệu, theo sóng mang con.

Điểm quan trọng thường bị bỏ qua: EVM và bậc điều chế ràng buộc nhau chặt chẽ. Chòm sao càng dày thì khoảng cách giữa các điểm càng nhỏ, cùng một mức nhiễu tuyệt đối sẽ gây lỗi giải điều chế sớm hơn. Vì vậy 3GPP không đặt một ngưỡng EVM chung mà đặt ngưỡng riêng cho từng bậc điều chế.

Giới hạn EVM theo 3GPP cho từng bậc điều chế

Theo bảng yêu cầu chất lượng tín hiệu phát trong bộ tiêu chuẩn 3GPP cho 5G NR, giới hạn EVM là:

• QPSK — EVM ≤ 17,5 %
• 16QAM — EVM ≤ 12,5 %
• 64QAM — EVM ≤ 8 %
• 256QAM — EVM ≤ 3,5 %

Bước nhảy từ 64QAM xuống 256QAM là khắc nghiệt nhất: ngưỡng siết hơn hai lần, từ 8 % xuống 3,5 %. Trong thực tế thiết kế, đây chính là ranh giới quyết định thiết bị có khai thác được bậc điều chế cao nhất — và do đó thông lượng cao nhất — hay không. Một máy phát đạt 64QAM thoải mái vẫn có thể trượt 256QAM chỉ vì nhiễu pha của bộ dao động nội.

Cần lưu ý rằng EVM đo được không phải toàn bộ do thiết bị cần đo gây ra. Máy phân tích tín hiệu cũng có sàn EVM riêng, và hai nguồn sai số này cộng theo công suất. Khi ngưỡng chỉ còn 3,5 %, sàn EVM của thiết bị đo phải thấp hơn hẳn một bậc thì kết quả mới có ý nghĩa — đây là lý do các phép đo 256QAM đòi hỏi máy phân tích tín hiệu cấp cao chứ không phải máy phổ thông thường.

Vì sao kiểm thử 5G FR2 buộc phải đo OTA

FR2 là dải tần mmWave của 5G NR, trải từ 24,25 GHz đến 52,6 GHz (phần mở rộng FR2-2 kéo tới 71 GHz). Các băng khai thác chính gồm n258 (24,25–27,50 GHz), n257 (26,50–29,50 GHz), n261 (27,50–28,35 GHz), n260 (37,00–40,00 GHz) và n259 (39,50–43,50 GHz).

Ở những tần số này, bước sóng chỉ khoảng một centimet, cho phép tích hợp cả mảng ăng-ten nhiều phần tử vào một module nhỏ cùng với mạch thu phát. Hệ quả kỹ thuật là không còn tồn tại một “cổng ăng-ten” vật lý để đo dẫn — điểm tham chiếu của phép đo chuyển ra không gian tự do. 3GPP vì thế định nghĩa các yêu cầu FR2 dưới dạng chỉ tiêu bức xạ, và phép đo bắt buộc thực hiện OTA (over-the-air) trong buồng đo.

Ba nhóm phương pháp OTA thường gặp trong phòng lab:

• Trường xa trực tiếp (Direct Far-Field) — đặt ăng-ten đo ở khoảng cách đủ lớn để sóng tới coi như phẳng. Đơn giản về nguyên lý nhưng buồng đo phải rất dài khi khẩu độ ăng-ten lớn, vì khoảng cách trường xa tăng theo bình phương kích thước khẩu độ.
• Trường xa gián tiếp (Indirect Far-Field) — dùng gương phản xạ compact range để tạo vùng sóng phẳng trong buồng đo ngắn hơn nhiều. Đây là lựa chọn phổ biến cho thiết bị có mảng ăng-ten cỡ lớn.
• Trường gần đo rồi biến đổi (Near-Field to Far-Field) — quét trường gần rồi biến đổi toán học sang trường xa. Cho nhiều thông tin về giản đồ bức xạ nhưng thời gian đo dài hơn.

Thêm một tầng phức tạp: thiết bị FR2 dùng tạo búp sóng (beamforming). EVM không còn là một con số mà là một hàm của hướng. Phép đo phải gắn với một trạng thái búp sóng xác định, và quy trình cần bao gồm bước thiết lập, khoá búp sóng trước khi lấy số liệu — nếu không, kết quả sẽ không lặp lại được giữa hai lần đo.

Ngân sách sai số: điều gì làm EVM xấu đi ở mmWave

So với FR1, dải mmWave có thêm vài nguồn suy giảm mà ở sub-6 GHz gần như bỏ qua được:

• Nhiễu pha (phase noise) — nhiễu pha của bộ tổng hợp tần số tăng theo tần số sóng mang. Ở FR2, đóng góp của nhiễu pha vào EVM không còn nhỏ so với các nguồn khác, và nó đặc biệt nguy hiểm với điều chế bậc cao vì làm quay pha ký hiệu.
• Suy hao đường truyền và suy hao buồng đo — công suất tới máy thu thấp kéo tỉ số tín hiệu trên nhiễu xuống, làm sàn EVM xấu đi. Cần kiểm soát chặt ngân sách liên kết của hệ đo.
• Sai lệch căn chỉnh cơ khí — ở bước sóng centimet, lệch vài độ khi định vị thiết bị đã đủ làm đổi mức thu và làm kết quả không lặp lại.
• Phản xạ dư trong buồng đo — vật liệu hấp thụ kém hoặc bố trí đồ gá không hợp lý tạo đa đường, biểu hiện thành EVM dao động theo tần số.
• Băng thông chiếm dụng lớn — kênh FR2 có thể rộng tới 400 MHz với khoảng cách sóng mang con 120 kHz. Máy phân tích phải có băng thông phân tích bao trọn kênh, nếu không phải ghép nhiều lần đo và mất tính đồng thời.

Quy trình đo EVM 5G FR2 trong thực tế

1. Xác định cấu hình cần đo: băng tần, băng thông kênh, khoảng cách sóng mang con, bậc điều chế, cấu hình búp sóng. Mọi thông số này phải cố định và ghi vào biên bản.
2. Thiết lập kết nối báo hiệu với thiết bị đầu cuối bằng bộ mô phỏng mạng, đưa thiết bị vào đúng trạng thái phát cần kiểm tra thay vì đo ở chế độ tự do.
3. Căn chỉnh và hiệu chuẩn đường truyền OTA: xác định suy hao đường đo, bù về mặt phẳng tham chiếu. Bỏ qua bước này là nguồn sai số hệ thống lớn nhất trong đo OTA.
4. Khoá búp sóng ở hướng cần đánh giá, kiểm tra tính ổn định trước khi thu số liệu.
5. Thu và giải điều chế, đọc EVM tổng đồng thời với EVM theo sóng mang con và theo ký hiệu.
6. Đối chiếu và chẩn đoán: EVM xấu đều trên toàn băng thường trỏ về nhiễu nền hoặc nhiễu pha; EVM xấu ở rìa băng trỏ về đáp ứng tần số hoặc lọc; EVM tăng dần theo mức công suất trỏ về nén phi tuyến của bộ khuếch đại.

Chọn thiết bị Keysight cho phép đo EVM và OTA

Một hệ đo FR2 hoàn chỉnh thường gồm ba khối: bộ mô phỏng mạng để đưa thiết bị vào đúng trạng thái, máy phân tích tín hiệu để đo chất lượng phát, và nền tảng module hoá cho sản xuất.

• Bộ mô phỏng mạng: bộ mô phỏng mạng 5G UXM Keysight E7515B hỗ trợ cả 5G NR FR1 (sub-6) và FR2 (mmWave), đo được RF, giao thức và hiệu năng, tương thích ngược LTE, dùng xuyên suốt từ giai đoạn R&D, xác thực đến sản xuất cho thiết bị đầu cuối và module 5G; có thể mở rộng khi kết hợp với E7770A.
• Máy phân tích tín hiệu cho mmWave: máy phân tích tín hiệu UXA Keysight N9042B có dải tần 2 Hz – 50 GHz (tuỳ chọn tới 110 GHz) và băng phân tích tới 4 GHz hiệu chỉnh — đủ để bao trọn kênh FR2 rộng nhất trong một lần thu, phục vụ ứng dụng 5G/6G, radar và vệ tinh.
• Nền tảng module hoá cho ATE: bộ thu-phát vector VXT PXIe Keysight M9410A tích hợp cả bộ tạo tín hiệu vector và bộ phân tích vector trong một module PXIe 2 khe, dải tần tới 6 GHz và băng thông tức thời tới 1,2 GHz. Đây là khối nền cho dây chuyền kiểm thử không dây tự động; với FR2, hệ thống được bổ sung khối đổi tần mmWave phía trước.

Nguyên tắc chọn: nếu mục tiêu là xác nhận thiết kế và lập hồ sơ tuân thủ, ưu tiên máy phân tích UXA N9042B vì sàn EVM và băng phân tích quyết định độ tin cậy của số đo. Nếu mục tiêu là sản lượng, ưu tiên nền tảng PXIe vì thời gian đo trên mỗi thiết bị mới là ràng buộc chính. Về phép đo chất lượng tín hiệu tốc độ cao ở miền thời gian, bạn có thể tham khảo thêm bài đo jitter và eye diagram cho tín hiệu tốc độ cao.

Kết luận

EVM là chỉ số cô đọng nhất để đánh giá chất lượng máy phát 5G, nhưng ở FR2 nó chỉ đáng tin khi toàn bộ chuỗi đo — buồng OTA, căn chỉnh cơ khí, hiệu chuẩn đường truyền, trạng thái búp sóng và sàn EVM của chính thiết bị đo — được kiểm soát. Ngưỡng 3,5 % của 256QAM không cho phép bất kỳ khâu nào trong chuỗi đó bị buông lỏng.

Khâu dễ bị bỏ quên nhất chính là tình trạng hiệu chuẩn của thiết bị đo. Một máy phân tích tín hiệu lệch chuẩn sẽ âm thầm làm sai lệch mọi kết luận về biên an toàn thiết kế. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích tín hiệu, máy phân tích phổ và thiết bị đo không dây. Để được tư vấn cấu hình hệ đo FR2 phù hợp hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.

Với các băng dưới 12,75 GHz, một mô-đun PXIe duy nhất đã gộp được cả nguồn phát lẫn máy thu. Bài bộ thu-phát vector VXT PXIe so sánh ba model và chỉ ra vì sao băng thông 1,2 GHz chỉ đạt được từ 2 GHz trở lên.