一種5G信號接收機(jī)的本振合成裝置

作者:湯瑞(中電科思儀科技(安徽)有限公司移動通信測試事業(yè)部;電子測量儀器技術(shù)蚌埠市技術(shù)創(chuàng)新中心,安徽 蚌埠233010) 時間:2021-06-17 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:5G有3個關(guān)鍵性能指標(biāo):更快的峰值速率、高連接數(shù)密度和更低的延遲,這些關(guān)鍵指標(biāo)的實現(xiàn)需要更高的頻率和更大的帶寬。接收機(jī)需要更高頻率和更寬帶寬的本地振蕩器才能實現(xiàn)對5G信號的精確分析。介紹一種利用寬帶壓控振蕩器實現(xiàn)滿足3GPP R16版本要求的5G FR1信號接收機(jī)的本振合成裝置。

一直被稱為是行業(yè)應(yīng)用的 有三大應(yīng)用場景,分別是eMBB(增強(qiáng)型移動)、URLLC(超高可靠低時延)、mMTC(海量機(jī)器類終端通信)。5G技術(shù)的發(fā)展離不開高性能5G 信號和發(fā)射機(jī)的支持。隨著5G 的不斷演進(jìn)和5G 垂直行業(yè)應(yīng)用的不斷深入,5G 相關(guān)指標(biāo)和技術(shù)不斷更新,這些變化都對5G 信號接收裝置提出了新的要求,需要更大的帶寬、更快的響應(yīng)速度、更精確的解調(diào)精度等[1-3]。本文采用VCO、鑒相器、分頻器、預(yù)分頻器等組成的鎖相環(huán)方案,實現(xiàn)了一種可以覆蓋3GPP R16 版本要求的5G FR1 頻段的5G 本振發(fā)生裝置。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202106/426370.htm

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圖1 HMC983的功能框圖

1   方案設(shè)計

5G 信號,一般由本振模塊、接收通道模塊、高速信號傳輸模塊、數(shù)字信號分析模塊、工控控制模塊等部分組成,本文介紹了一種可以覆蓋3GPP R16 版本規(guī)定5G FR1 頻段(410~7 125)MHz 無線頻率范圍新要求的本振裝置。

采用基于高性能VCO(ADI 公司HMC773LC4B)的本振模塊,輸出(10~20)GHz 的本振信號是5G 信號分析儀整機(jī)射頻電路的核心模塊,其功能塊包括:參考環(huán)電路、鑒相電路、Σ-Δ 調(diào)制、預(yù)分頻電路、耦合反饋回路及FPGA 控制電路等。HMC983LP5E 功能框圖如圖1 所示,其工作頻率為DC~7 GHz,因此需要在鎖相環(huán)反饋回路中添加預(yù)置四分頻器HMC447LC3,將頻率變?yōu)椋?.5~5)GHz。

方案中的各個模塊原理圖及功能簡介如下:圖2 為100 MHz參考環(huán)路模塊,通過HMC1031MS8E鑒相比較,實現(xiàn)10 MHz 鎖定100 MHz 參考環(huán)路;圖3 為寬帶鎖相環(huán)路模塊,通過HMC983LP5E 分頻器、HMC984LP4E鑒相器、有源環(huán)路濾波器、寬帶耦合微帶電路、預(yù)分頻電路實現(xiàn)(10~20)GHz 的寬帶鎖相環(huán)路。

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2   實驗過程

本文研制過程中的一種5G 信號接收機(jī)的本振合成裝置的原理圖和PCB 繪制使用的是Altium Design 工具。按照1 中的方案描述,使用Altium Design 工具繪制了對應(yīng)原理圖和PCB,使用SMT 將元器件焊接在板上,完成本振合成裝置。接口方面,有為整機(jī)提供的10 MHz參考輸入;100 MHz參考輸出,為整機(jī)點頻第二、第三本振提供參考;(10~20)GHz 本振輸出,為接收通道混頻模塊提供激勵本振源,完成頻率變換;FPGA下載接口用于在線調(diào)試和bit 文件燒寫;96 芯接插件為本振合成裝置與整機(jī)母板之間的電源、數(shù)據(jù)線、地址線、控制線提供通路。圖4 為完成的本振合成裝置正面圖片。紅色部分為FPGA 控制模塊的主要本振頻率控制功能;藍(lán)色部分為10 MHz 外部參考,鎖定到100 MHz,用于(10~20)GHz 鎖相環(huán)的參考和整機(jī)其他模塊;黃色部分為本振合成裝置的供電模塊,為FPGA、VCO、放大器、開關(guān)、分頻器、鑒相器等提供+5 V、+15 V、+30 V、-15 V 等電源;紫色部分為本振裝置的核心模塊,包括鑒相器、小數(shù)分頻器、寬帶耦合器、寬帶壓控振蕩器、微帶帶通濾波器、預(yù)置4 分頻器等,完成100 MHz 參考輸入實現(xiàn)(10~20)GHz 寬帶信號輸出,為5G 信號接收機(jī)提供本振源。

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圖4 本振合成裝置

3   測試結(jié)果

將本方案的本振合成裝置接入有接收通道裝置、頻譜分析裝置、寬帶信號分析裝置、鍵盤控制裝置、工控接口裝置、顯示裝置、二/ 三本振裝置、時鐘參考裝置等的5G 信號接收機(jī)中,配合驅(qū)動程序、硬件控制程序、顯示程序等組成完整的5G 信號接收機(jī),通過對5G FR1 100 MHz 帶寬的標(biāo)準(zhǔn)5G 信號分析能夠呈現(xiàn)本振合成裝置的性能。使用射頻線纜連接矢量信號源與裝入本振合成裝置的5G 信號接收機(jī),信號源發(fā)射1 GHz 中心頻點的100 MHz 帶寬上行PUSCH 信號,5G 信號接收機(jī)配置對應(yīng)參數(shù),解析界面如圖5 所示。解調(diào)結(jié)果表明,EVM 均值為1.49%,頻率誤差為-4.94 Hz,IQ_offset 為-36.55 dB。

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圖5 100 MHz 5G PUSCH信號解調(diào)圖

4   結(jié)束語

通過寬帶VCO 的鎖相環(huán)實現(xiàn)高頻寬帶、高性能的本振方案,可以滿足5G 信號接收裝置的需求,依照本方案設(shè)計的本振合成裝置成功應(yīng)用到了5G 信號接收機(jī),正移植到5G 信號發(fā)生器中。

參考文獻(xiàn):

[1] 遠(yuǎn)坂俊昭.鎖相環(huán)(PLL)電路設(shè)計與應(yīng)用[M].何希才,譯.北京:科學(xué)出版社,2006.

[2] 杜勇.鎖相環(huán)技術(shù)原理及FPGA實現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2016.

[3] 陳山枝,胡金玲,等.蜂窩車聯(lián)網(wǎng)(C-V2X).[M].北京:人民郵電出版社,2020.

[4] Hittite Microwave Corporation.HMC984LP4E DIGITALPHASE-FREQUENCY DETECTOR[Z].Chelmsford:Hittite.

[5] Hittite Microwave Corporation.HMC983LP5E DC-7GHZ FRACTIONAL-N DIVIDER AND FREQUENCYSWEEPER[Z].Chelmsford:Hittite.

(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年6月期)



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