Les générateurs de signaux sont depuis longtemps la pierre angulaire des essais de télécommunications, mais l'arrivée de 5G a considérablement augmenté la barre. Avec son recours aux fréquences millimétriques, aux réseaux MIMO massifs et aux systèmes de modulation complexes, 5G exige des équipements de test qui peuvent reproduire des conditions réelles avec une précision sans précédent.Les dernières innovations dans la technologie des générateurs de signaux ne sont pas des améliorations progressives; elles représentent un changement fondamental dans la façon dont les ingénieurs approchent la validation du réseau, du banc de laboratoire au déploiement sur le terrain.

Evolution des générateurs de signaux pour les réseaux 5G

Les générations précédentes exploitaient principalement en dessous de 6 GHz, mais 5G NR introduit la gamme de fréquences 1 (FR1, sous-‐6 GHz) et 2 (FR2, mmWave de 24 GHz à plus de 50 GHz).Les générateurs de signaux conventionnels ne pouvaient pas gérer les larges bandes de fréquences requises — jusqu'à 400 MHz par canal en FR2. Les ingénieurs avaient besoin d'instruments capables de générer des signaux très stables et peu en phase de bruit sur ces bandes tout en soutenant la pleine flexibilité de la numérologie 5G, y compris l'espacement variable des sous-porteurs et les formats de fente.

Les générateurs de signaux modernes ont relevé le défi : ils intègrent maintenant plusieurs chaînes de radiofréquences (RF), une pré-distorsion numérique et un traitement en temps réel des signaux pour produire les formes d'onde complexes utilisées en 5G. Au-delà des ondes continues simples, ces instruments peuvent générer des modèles d'essai conformes 5G NR (NR‐TM) et des profils de décoloration qui imitent des environnements de propagation réalistes. L'évolution a été motivée par la nécessité de tester non seulement la couche physique mais aussi les protocoles de couches supérieures et les capacités de coupe de réseau centrales à 5G.

Principales innovations qui conduisent à la performance

Génération de signaux à large bande et haute fidélité

Pour 5G NR, un signal d'essai doit maintenir une faible magnitude vectorielle d'erreur (EVM) sur une bande passante pouvant atteindre 100 MHz ou plus en FR1 et jusqu'à 400 MHz en FR2. De nouvelles architectures de convertisseur numérique à analogique (DAC) fonctionnant à des débits d'échantillonnage supérieurs à 100 GS/s permettent aux générateurs de signaux de créer ces formes d'onde à large bande directement sans systèmes de conversion de fréquences complexes. La génération de haute fidélité garantit que les déficiences mesurées dans un appareil à l'essai sont dues à l'appareil lui-même, et non à l'équipement d'essai.

De plus, les performances sonores de phase se sont améliorées de façon spectaculaire.A mmLes fréquences de Wave, le bruit de phase peut dégrader le taux d'erreur des modulations QAM à haut niveau, comme 256-QAM et 1024-QAM.Les générateurs de signaux modernes utilisent des techniques de synthèse de fréquence à faible bruit et d'annulation numérique pour atteindre des niveaux de bruit de phase inférieurs à −140 dBc/Hz à 10 kHz de compensation.

Optimisation et adaptation de l'IA

L'intelligence artificielle commence à transformer le fonctionnement des générateurs de signaux. Au lieu de s'appuyer sur la configuration manuelle de tous les paramètres, de nouveaux instruments peuvent apprendre de l'environnement et régler automatiquement le signal de test. Par exemple, lors des essais en direct (OTA) d'un combiné 5G, le générateur de signaux peut analyser la puissance reçue à l'antenne de l'appareil et adapter l'angle de formage du faisceau pour maintenir une liaison stable.

En examinant les journaux provenant des essais sur le terrain, un générateur de signaux amélioré par l'IA peut reproduire des conditions de décoloration spécifiques et des schémas d'interférences co-canaux qui étaient problématiques dans les déploiements en direct. Les ingénieurs utilisent ensuite ces cas de test réalistes pour valider les améliorations matérielles et logicielles.

Architectures de signaux définies par logiciel

Les générateurs traditionnels basés sur le matériel étaient liés à des interfaces aériennes spécifiques; la mise à niveau pour soutenir une nouvelle version de 5G NR exigeait souvent un nouvel instrument. Aujourd'hui, les architectures définies par le logiciel découplent la création de signal du matériel physique. Un tableau de portières programmables sur le terrain (FPGA) ou un processeur général fonctionne une pile logicielle flexible qui peut être mise à jour à mesure que les spécifications 3GPP évoluent. Cette approche permet à un seul instrument de prendre en charge non seulement 5G NR mais aussi LTE, NB‐IoT, et même les anciennes normes 2G/3G, sans changer de matériel.

Les ingénieurs peuvent écrire leurs propres configurations de fentes NR 5G, leurs modèles de pilotes et les placements de canaux de commande, qui sont inestimables pour tester de nouveaux algorithmes de gestion des faisceaux ou d'adaptation des liaisons. La même flexibilité permet un prototypage rapide des fonctionnalités avancées de 5G, comme l'agrégation améliorée des transporteurs avec 32 transporteurs de composants ou l'exploitation complète du duplex.

Production avancée de formes d'onde et pré-distorsion

Créer une véritable forme d'onde NR 5G nécessite plus que de simplement définir un niveau de puissance et une fréquence. Le générateur de signaux doit générer avec précision les symboles OFDM avec une allocation correcte des sous-porteurs, un préfixe cyclique et une fenêtre. Les nouveaux instruments intègrent des moteurs de génération de forme d'onde dédiés qui peuvent construire la représentation complète de la bande de base d'une transmission NR 5G en temps réel. Ils peuvent également simuler les structures complètes de liaison descendante et de liaison ascendante, y compris les blocs de signaux de synchronisation (SSB), les canaux de radiodiffusion physique (PBCH) et les signaux de référence de démodulation (DM‐RS).

La pré-distorsion numérique (DPD) a également été intégrée dans les générateurs de signaux. La DPD compense les non-linéarités dans l'amplificateur de puissance propre du générateur, assurant que le signal de sortie reste propre même à une puissance de sortie élevée. Ceci est particulièrement important lors de l'essai des amplificateurs de puissance pour les stations de base, où le signal de test doit être une représentation propre de la forme d'onde modulée prévue.

Améliorations de la phase du bruit et du bruit

Dans les réseaux 5G, la précision du timing est primordiale. Le générateur de signaux internes et les systèmes d'échantillonnage doivent produire des jitters extrêmement faibles pour supporter le budget de timing serré de 5G NR. Le jitter dans le signal de test se traduit directement par une augmentation de la VEM, ce qui peut entraîner une défaillance des limites de spécification d'un appareil même si le dispositif lui-même fonctionne correctement.

Améliorer la flexibilité des essais et le flux de travail des utilisateurs

Au-delà des performances brutes, les générateurs de signaux modernes sont conçus pour rationaliser le flux de travail de test. Les ingénieurs n'ont plus besoin de programmer chaque paramètre avec labeur via une interface de panneau avant. Les derniers instruments disposent d'écrans tactiles intuitifs, d'éditeurs de formes d'onde de glisser-déposer et de télécommandes pilotées par API qui s'intègrent parfaitement dans les séquences de test automatisées.

La modularité est une autre tendance déterminante. Plutôt que d'acheter une seule boîte qui couvre toutes les fréquences, les ingénieurs peuvent maintenant utiliser un ordinateur central avec des modules interchangeables pour différentes bandes et applications.Cette approche est particulièrement bénéfique pour les laboratoires de R-D qui doivent tester simultanément des appareils sur plusieurs bandes 5G. Un module qui gère 28 GHz peut être échangé contre un module 39 GHz en quelques minutes, réduisant ainsi les dépenses en capital qui seraient autrement nécessaires pour acheter plusieurs instruments dédiés.

Avec des équipes d'ingénierie distribuées et l'essor de -lab comme service, les générateurs de signaux incluent désormais des serveurs Web intégrés et des capacités d'accès à distance sécurisées. Une équipe de San Diego peut contrôler un générateur de signaux dans un laboratoire de Munich, partageant en temps réel le même environnement de test et les mêmes données.Cette capacité a été vitale pendant la pandémie et continue d'accélérer les cycles de développement de produits mondiaux.

Certaines plates-formes de générateurs de signaux permettent désormais aux ingénieurs de définir des séquences sur un tableau de bord nuageux, qui envoie ensuite la configuration à une flotte de générateurs situés dans différentes chambres de test. Cette approche -lights-out-de-stop réduit l'intervention manuelle et augmente le débit des tests de régression. Comme [Rohde & Schwarz :1]] l'illustrent, la convergence du matériel et des logiciels permet un nouveau niveau d'efficacité opérationnelle dans la validation 5G.

Impact sur les scénarios clés d'essais 5G

Essais en direct (OTA)

L'une des applications les plus exigeantes pour les générateurs de signaux en 5G est l'essai en direct. Puisque la 5G utilise largement la formation de faisceaux, elle ne suffit plus à tester les appareils par une connexion par câble conductrice. L'essai en direct exige que le générateur de signaux produise un front d'onde connu qui empiète sur le réseau d'antennes de l'appareil sous un angle spécifique.

Les générateurs à large bande et à haute fidélité sont essentiels pour l'OTA car toute erreur d'amplitude ou de phase affecte directement l'angle de mesure de l'arrivée. Les spécifications les plus strictes exigent une cohérence de phase à ±1° sur toute la bande passante d'essai. De nouveaux générateurs qui intègrent des sorties synchronisées en phase sur plusieurs modules permettent d'évaluer les systèmes d'OTA à partir de quelques éléments d'antenne jusqu'aux dizaines utilisés dans le MIMO massif.

Validation massive du MIMO et du faisceau

Les centrales de base à entrées multiples MIMO peuvent avoir 64, 128, voire 256 éléments d'antenne. L'essai d'un tel système nécessite un générateur de signaux qui peut simultanément stimuler toutes les chaînes de réception avec des signaux d'essai connus. Les générateurs modernes offrent des sorties RF parallèles qui sont cohérentes avec les phases et verrouillées avec la fréquence, permettant une caractérisation complète. La capacité de générer des poids de faisceaux différents pour chaque chemin de sortie permet aux ingénieurs d'injecter un profil spatial connu et d'utiliser un analyseur réseau pour mesurer le modèle de faisceau résultant.

Essais de stallage et de protocole en réseau

La fonction de scendage réseau 5G= permet aux opérateurs de partitionner la même infrastructure physique pour soutenir différents services (p. ex. communications ultra-fiables à faible latence, haut débit mobile amélioré, IoT massif). Les générateurs de signaux intègrent désormais une émulation de protocole à couche supérieure qui peut simuler simultanément plusieurs tranches. Pour tester un gestionnaire de tranche réseau de base, le générateur peut produire des flux de trafic avec différents profils QoS et vérifier ensuite que la station de base et le noyau orientent correctement chaque tranche.

Agrégation des transporteurs et connectivité double

5G NR fonctionne en FR1 et FR2, et les appareils sont censés regrouper les transporteurs à travers ces bandes. L'agrégation des transporteurs nécessite un générateur de signaux qui peut produire plusieurs signaux indépendants, chacun avec sa propre configuration de décalage de fréquence, puissance et canal. Les générateurs avancés peuvent générer jusqu'à 16 ou 32 transporteurs composants dans un seul instrument, avec des profils de décoloration indépendants pour chacun. Cela permet des tests de débit et de transfert réalistes qui reflètent les déploiements réels du réseau.

De même, les scénarios de connectivité double (EN‐DC) LTE‐NR exigent que le générateur produise à la fois un porte-ancre LTE et un porte-porte-ancre NR 5G, synchronisés en temps et en fréquence. Les générateurs modernes répondent à ce besoin en utilisant une horloge de référence commune et des moteurs à bande de base numérique qui alignent le moment des deux signaux sur les tolérances fixées par 3GPP.

Orientations futures : préparation pour les 5G-Avancés et 6G

Les innovations dans la génération de signaux ne sont pas terminées. La version 18 de 3GPP et au-delà, appelée collectivement 5G‐Advanced, introduira des fonctionnalités encore plus complexes : détection et communication intégrées, intelligence artificielle dans l'interface air, et support accru pour la réalité étendue (XR).Les générateurs de signaux doivent être prêts à tester ces capacités. La tendance vers des instruments définis par logiciel garantit que beaucoup de ces fonctionnalités peuvent être ajoutées par des mises à jour de firmware, mais la salle de tête du matériel est également critique.

En ce qui concerne la 6G, qui devrait fonctionner au-dessus de 100 GHz, les générateurs de signaux devront produire des signaux dont la largeur de bande dépasse 10 GHz.Il existe déjà des prototypes de recherche qui utilisent la génération assistée par photonique pour créer des signaux mmWave et subTHz.Ces systèmes utilisent des peignes optiques et des photodiodes pour générer des fréquences hors de portée de l'électronique conventionnelle.

En outre, l'intégration de la technologie numérique jumelée peut permettre de programmer des générateurs de signaux sur la base d'un modèle virtuel de l'environnement réseau. Au lieu de configurer manuellement les profils de décoloration, un ingénieur pourrait alimenter le générateur d'un jumeau numérique d'une ville, et le générateur produirait des signaux qui correspondent aux conditions de propagation exactes pour un emplacement donné.

Conclusion : Un catalyseur essentiel pour la réussite de la 5G

Le déploiement rapide des réseaux 5G dans le monde entier n'aurait pas été possible sans des avancées parallèles dans les équipements d'essai. Les générateurs de signaux sont passés de simples sources d'onde sinusoïdale à des plateformes logicielles complexes qui peuvent simuler la richesse complète d'une interface 5G. Les innovations dans la génération à large bande, l'optimisation par l'IA, l'architecture logicielle définie et la conception modulaire ont rendu ces instruments plus rapides, plus précis et plus polyvalents que jamais. Ils permettent aux ingénieurs de tester en profondeur tous les aspects d'un système 5G – des puces individuelles aux stations de base intégrées et aux tranches réseau complètes – avant qu'ils n'atteignent le terrain.

Comme 3GPP continue de définir 5G-Advanced et commence à travailler sur 6G, la technologie de générateur de signaux devra suivre le rythme. Les fondements posés par les innovations actuelles garantissent que l'industrie des essais et des mesures relèvera le défi. Pour les opérateurs de réseaux et les fabricants d'équipement, investir dans la production de signaux de pointe n'est pas seulement un coût; il est stratégique de s'assurer que les réseaux 5G offrent la performance, la fiabilité et la flexibilité que les utilisateurs et les applications exigent.