毫米波5G移動(dòng)通信系統(tǒng)射頻接收前端分析

董雪松

摘要：文章以毫米級(jí)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)射頻接收前端為研究對(duì)象，首先簡單介紹了與5G通信密切相關(guān)的一些關(guān)鍵技術(shù)，隨后從射頻接收機(jī)主要性能指標(biāo)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、測(cè)試等角度入手，來對(duì)圍繞毫米波大規(guī)模MIMO接收機(jī)前端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與分析希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供一定參考。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信;毫米波;超外差接收機(jī)

中圖分類號(hào)：TN929.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1672-9129（2020）02-0041-02

Abstract： the article to the millimeter level 5 g system for mobile communications radio frequency receiving front-end as the research object， first introduced some key technologies are closely associated with 5 g communication， key performance indicators， then from rf receiver system design， testing and other aspects， to around the millimeter wave mass MIMO receiver front-end has carried on the design and realization of the system analysis of the research and hopes to provide certain reference for related research.

Key words： mobile communication; Millimeter wave; Superheterodyne receiver

前言：隨著5G技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸應(yīng)用發(fā)展成熟，當(dāng)下針對(duì)各種毫米波器件的研發(fā)以及5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的搭建等也取得了良好的發(fā)展與進(jìn)步，有效擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，為人們之間的通信帶來更多便利。通過對(duì)毫米級(jí)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)射頻接收前端進(jìn)行探討分析，對(duì)于推動(dòng)5G通信技術(shù)更好的進(jìn)行應(yīng)用推廣有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 ??5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)概述

當(dāng)前5G移動(dòng)通信主要包含以下幾種關(guān)鍵技術(shù)：

一是大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)（MIMO技術(shù)），該技術(shù)天線陣列規(guī)模更大，因此實(shí)際發(fā)射功率會(huì)更低，并且還能夠有效降低各種雜亂信號(hào)的干擾，使得信息輸出更加穩(wěn)定。

二是毫米波技術(shù)。當(dāng)前低頻段的頻譜資源利用已經(jīng)飽和，而與之相對(duì)應(yīng)的是高頻段資源仍有著充足的開發(fā)利用空間，因此利用毫米波技術(shù)，更有助于幫助5G通信進(jìn)行高頻段品頻譜資源的利用，有效提升5G通信的穩(wěn)定性[1]。

三是濾波器組多載波技術(shù)（FBMC技術(shù)），該技術(shù)能夠在發(fā)送端，通過采用合成濾波器組的方式來實(shí)現(xiàn)多載波的調(diào)制同時(shí)在接收端來對(duì)濾波器組進(jìn)行深度的分析實(shí)現(xiàn)多載波的解調(diào)。

2? 毫米波大規(guī)模MIMO接收機(jī)前端

2.1射頻接收機(jī)主要性能指標(biāo)

射頻接收機(jī)主要性能指標(biāo)包含以下幾種：

一是噪聲系數(shù)。總輸出噪聲功率與信號(hào)噪聲輸出功率之比可以用噪聲系數(shù)F來進(jìn)行表示。若是多模塊級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，可以采用以下公式進(jìn)行噪聲系數(shù)計(jì)算：

Ftotal=F1+F2-1GA1+F3-1GA1GA2+...，+Fn-1∏n-1i=1GAi（1）

在（1）式中，F(xiàn)n表示的是在級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中，第n級(jí)的所具備的一種噪聲系數(shù)，GAi表示，在級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中，第i級(jí)存在的增益效果。從上述公式中我們能夠認(rèn)識(shí)到相較于級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，在后級(jí)噪音方面對(duì)整體噪音系數(shù)的影響，前級(jí)噪音對(duì)系統(tǒng)整實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)的廣泛實(shí)施，進(jìn)而促進(jìn)云計(jì)算教育的公平性，為學(xué)生和教師提供工具，根據(jù)他們的學(xué)習(xí)需求將計(jì)算資源分發(fā)到教學(xué)站點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室;促進(jìn)人機(jī)協(xié)作，即教師作為組織者、評(píng)價(jià)員和教授的某些身份將與智能機(jī)器進(jìn)行劃分和協(xié)調(diào)。比如，教師可以通過安裝過的軟件按照需求建立虛擬機(jī)，從而迅速建立計(jì)算實(shí)驗(yàn)室。云計(jì)算將上傳孤立的教育資源并存儲(chǔ)在云服務(wù)器的實(shí)時(shí)服務(wù)5G+AI中，幫助教育實(shí)現(xiàn)5G+智能技術(shù)前沿的公平、個(gè)性化和智能探索：在“智能+”時(shí)代創(chuàng)造智能教育新的生態(tài)等。

體噪音系數(shù)的影響更大，更能夠決定整個(gè)噪音系數(shù)的高低。

二是接收機(jī)靈敏度。這一指標(biāo)具體表現(xiàn)如下含義，接收機(jī)在實(shí)際進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，在信號(hào)輸入方面，屬于一種最低的輸入信號(hào)強(qiáng)度。與此同時(shí)，該項(xiàng)指標(biāo)還與其他一些指標(biāo)有著千絲萬縷的聯(lián)系，比較常見的指標(biāo)內(nèi)容有：寬帶指標(biāo)、噪聲系數(shù)指標(biāo)、信號(hào)調(diào)制指標(biāo)等。在正常情況下，如若一般寬帶存在一定的差異性，那么比如會(huì)對(duì)系統(tǒng)噪聲功率帶來一定程度的影響，最終會(huì)對(duì)接收機(jī)靈敏度也會(huì)帶來一定的影響。具體計(jì)算公式如下：

S=-174dBm/Hz+F+10lgB+SNR（2）

在（2）式中，S表示接收機(jī)靈敏度，F(xiàn)表示系統(tǒng)噪聲系數(shù)，B表示寬帶，SNR表示最低可檢測(cè)信噪比[2]。

三是通頻帶。對(duì)于實(shí)際接收的信號(hào)而言，通常會(huì)存在于頻域之中，不僅如此，這種信號(hào)還會(huì)對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行一定程度的占用。通常需要立足于整個(gè)頻段，針對(duì)一些有用信號(hào)，需要全盤進(jìn)行接收，才如此一來，才能夠保障信號(hào)的真實(shí)穩(wěn)定性，有效避免信號(hào)出現(xiàn)失真問題。同時(shí)在接收機(jī)系統(tǒng)之中，還存在一種通頻帶，對(duì)于這種寬帶而言，本身不能夠太窄，否則會(huì)對(duì)寬帶信號(hào)的傳輸造成嚴(yán)重的阻礙。最終會(huì)對(duì)通信號(hào)傳輸真實(shí)穩(wěn)定性帶來不利的影響。但我們也應(yīng)注意到，這并不意味著通頻帶越寬越好，究其原因在于，在寬帶與噪聲功率之間，二者是之間的關(guān)系是正比關(guān)系，因此如果通頻帶的寬度超出了一定限制，同樣會(huì)導(dǎo)致噪聲功率無法控制，使得系統(tǒng)整體噪聲過大，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定順利的運(yùn)行。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

一是零中頻接收方案。對(duì)于該方案而言，受自身自身沒有中頻的現(xiàn)象所影響，那么射頻信號(hào)本身不會(huì)出現(xiàn)特別的變化，可以將其與鏡像頻率等同在一起，因此在這一情況下，就不需要再考慮鏡像頻率干擾問題，因此也就不需要在其中應(yīng)用鏡像抑制濾波器，能夠有效提升系統(tǒng)的集成度。但該方案仍具備本振泄露、偶次失真干擾等缺陷問題。

二是超外差接收方案。該方案在實(shí)踐過程中應(yīng)用最為廣泛。在方案具體實(shí)施方面，針對(duì)信號(hào)傳輸，需要先改變其頻率，比如在變頻技術(shù)的幫助下，使其變成中頻的信號(hào)，然后在信道之中，還需要進(jìn)行濾波的選擇，針對(duì)轉(zhuǎn)變后的中頻，也需要作進(jìn)一步的放大。

三是單通道設(shè)計(jì)方案。為有效解決鏡像頻率干擾問題，通過采用單通道設(shè)計(jì)方案，在低噪聲放大器的幫助下，將射頻信號(hào)利用正交耦合器分為兩路幅度與頻率均相同的正交信號(hào)并信號(hào)分別與本振實(shí)信號(hào)進(jìn)行下變頻，在正交耦合器的幫助下，成功將上述兩路信號(hào)合為一路，因此能夠?qū)︾R像頻率干擾進(jìn)行有效的抑制[3]。

2.3芯片選擇

一是射頻芯片選擇。由于系統(tǒng)前級(jí)器件的噪聲系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)影有著較大影響。因此需要做好低噪聲放大器噪聲系數(shù)的控制。同時(shí)在選擇芯片時(shí)還需要考慮鏡像頻率干擾的影響，因此應(yīng)選擇鏡像抑制度較高的芯片。

二是中頻放大器芯片的選擇。由于系統(tǒng)鏈路后級(jí)對(duì)系統(tǒng)整體IIP3與OIP3有著更大的影響，因此在選擇頻放大器芯片時(shí)，應(yīng)充分考慮IIP3與OIP3等非線性度指標(biāo)的影響。同時(shí)還需要注重考慮中頻放大器的增益和増益平坦度，才能確保后續(xù)解調(diào)器正常工作。

三是本振放大器芯片的選擇。一般情況下，功率分配網(wǎng)絡(luò)傳輸線均較長，并且對(duì)于高頻信號(hào)而言，在實(shí)際傳輸過程中，很容易受到各種參數(shù)因素的影響，比如微帶線敷銅粗糙度等，因此在實(shí)際運(yùn)行中，所帶來的損耗必定也非常大，因此在選擇振放大器的過程中，應(yīng)選擇大功率類型并且還要考慮1dB壓縮點(diǎn)等限制芯片飽和功率的非線性指標(biāo)。

3? 接收機(jī)前端系統(tǒng)單通道測(cè)試

一是增益平坦度測(cè)試。在增益平坦度比較差通常會(huì)導(dǎo)致會(huì)寬帶信號(hào)時(shí)域波形失真。通過將射頻信號(hào)的功率統(tǒng)一設(shè)置為-24dBm;本振信號(hào)功率則統(tǒng)一選擇9dBm。然后在信號(hào)源E8267D掃頻功能的幫助下，產(chǎn)生相應(yīng)掃頻信號(hào)，該信號(hào)中心頻率為42GHz，帶寬100MHz，以保證中頻帶寬維持在100MHz。然后固定射頻頻率為42GHz，同樣利用信號(hào)源E8267D產(chǎn)生的掃頻信號(hào)，該信號(hào)中心頻率19.4GHz，帶寬50MHz以保證中頻帶寬維持在100MHz。最后在信號(hào)分析儀N9030A的幫助下，完成了掃頻頻譜的觀察。從最終測(cè)試結(jié)果來看，在射頻信號(hào)中心頻42GHz、本振信號(hào)中心頻率為19.4GHz的條件下，對(duì)射頻信號(hào)掃頻時(shí)可以在中頻100MHz帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.4dB的增益平坦度;對(duì)本振信號(hào)掃頻時(shí)能夠在在中頻100MHz帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)低至0.1dB的增益平坦度，由此說明毫米波接收機(jī)前端系統(tǒng)單通道有著良好的增益平坦度[4]。

二是系統(tǒng)1dB壓縮點(diǎn)測(cè)試。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，文章采用采用信號(hào)源E8267D產(chǎn)生一個(gè)功率較低的射頻信號(hào)，再用與信號(hào)源E8257D產(chǎn)生一個(gè)能夠使系統(tǒng)正常工作的本振信號(hào)，然后在信號(hào)分析儀N9030A幫助下在中頻段觀察整個(gè)接收機(jī)前端系統(tǒng)的增益。通過不斷射頻輸入信號(hào)的功率一直到系統(tǒng)增益與剛開始小信號(hào)輸入時(shí)的系統(tǒng)增益差1dB，此時(shí)的射頻輸入信號(hào)即為輸入1dB壓縮點(diǎn)。通過采用上述測(cè)試方法，在射頻頻率為42GHz、本振頻率為19.4GHz的條件下輸入1dB壓縮點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如圖一所示。從圖中我們能夠認(rèn)識(shí)到在射頻輸入信號(hào)頻率為42GHz、本振頻率為19.4GHz的條件下，1dB壓縮出現(xiàn)在射頻信號(hào)源輸出功率-3.2dBm。

結(jié)束語：綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展過程中，離不開5G移動(dòng)通信技術(shù)的支持，如今隨著很多5G關(guān)鍵技術(shù)逐漸應(yīng)用成熟，比如毫米波技術(shù)、MIMO技術(shù)等，從而使得5G進(jìn)入商用成為可能。文章在簡單介紹了與5G相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)后，對(duì)毫米波大規(guī)模MIMO接收機(jī)前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論分析，并對(duì)系統(tǒng)部分指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁濤. 毫米波5G移動(dòng)通信系統(tǒng)射頻接收前端研究[J]. 信息通信， 2019（008）：200-201.

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[3]朱月月. 毫米波5G移動(dòng)通信系統(tǒng)射頻發(fā)射前端研究[D]. 2016.

[4]陳繼新. Q波段5G毫米波射頻前端研究[C]// 2017年全國微波毫米波會(huì)議論文集（中冊(cè)）. 2017.