CN108429594A - 一种应用于5g通信的高性能信道模拟器射频收发信机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机，包括发射链路和接收链路；发射链路中，中频信号依次通过第一中频滤波模块、上混频模块、第一自动增益放大控制模块、单刀双掷开关和射频滤波模块最终发射出去；接收链路中，射频信号依次通过射频滤波模块、单刀双掷开关、低噪声放大器、第二自动增益控制放大模块、下混频模块、第二中频滤波模块和第三自动增益放大控制模块最终接收回来；此外，还包括为上混频模块和下混频模块提供本振信号的本振模块。本发明能够有效降低信道模拟器的复杂度，降低5G研究中对单通道的功率需求，降低功耗，同时具有处理带宽大、面积小、性能好等特点。

Description

一种应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机

技术领域

本发明涉及微波毫米波领域，特别是涉及一种应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机。

背景技术

“5G大规模MIMO数字多波束阵测量原理研究与仪器研制”国家自然基金委重大专项是针对5G时代，中国为了进一步提升在全球通信领域的地位，力图引领标准制定和产业化方向，提高我国研究机构和高校的研究水平，促进产业的发展，孵化出一批世界领先的高科技企业而设立的。目前5G的发展已经进入了关键阶段，5G技术发展必然是我国以及全球信息技术领域发展的重点发展方向。

在5G众多候选技术之中，大规模多输入多输出(Massive MIMO)是已达成广泛共识的关键使能技术之一。作为大规模MIMO核心技术的大规模天线阵可以提供具有高空间分辨率的高增益窄波束，提供灵活的空间复用能力，低的用户间干扰，可以应对5G在传输速率和系统容量等方面的性能挑战。数字多波束阵是目前首选的大规模天线阵，它在数字域通过对每个天线和射频通道采集的数据加权合成来实现同时产生很多高增益波束的功能。相比较4G时代的4天线或8天线MIMO，5G的大规模天线单元将有数量级的提升，预计将会达到64、128、256甚至更多。

同时，5G热点高容量场景的需求客观上要求更大的系统带宽，随着通信频段频谱资源的日益稀缺，频谱向高频段发展成为了一个必然的趋势，整个通信系统的设计逐渐从低频的微波频段向高频的毫米波频段发展，支持6GHz以下低频段和6GHz以上高频段的全频谱接入技术也被认为是5G的关键使能技术之一。这将会给大规模多波束阵的发展带来巨大的挑战。在此背景下，对于5G大规模MIMO数字多波束阵的测量提出了极大的挑战。

在5G技术研究中，大量的科研机构和企业正在开发适合5G的大规模MIMO多波束阵集成系统，由于一体化集成带来的不可分割性为其性能指标参数的定义和相应的测量原理与方法带来了新的挑战。传统的测量方法之所以不再适合5G大规模MIMO数字多波束阵的测量，主要原因有两点：1)数字多波束天线阵不同于传统天线阵，传统的表征天线性能的指标如：增益、带宽、效率等都不再适合对数字多波束阵的行为特性进行准确地描述。2)传统的天线测量方法与测量平台都是将天线或阵列作为一个单一的元件单独进行测量，但对于数字多波束阵，天线与收发信机(Tx/Rx)甚至数模/模数转换(ADC/DAC)电路将一体化集成，无法分离，这使得原有的单独描述天线和射频收发组件特性的指标参数将无法应用。因此，研究5G大规模MIMO数字多波束阵的测量原理，研制相应的测量系统成为当前5G研究的迫切课题之一。总之，在5G时代，大规模MIMO数字多波束阵的测量无论从指标体系还是测试原理与方法上，都需要一个根本性全新的变革。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机，包括发射链路和接收链路；发射链路中，中频信号依次通过第一中频滤波模块、上混频模块、第一自动增益放大控制模块、单刀双掷开关和射频滤波模块最终发射出去；接收链路中，射频信号依次通过射频滤波模块、单刀双掷开关、低噪声放大器、第二自动增益控制放大模块、下混频模块、第二中频滤波模块和第三自动增益放大控制模块最终接收回来；此外，还包括为上混频模块和下混频模块提供本振信号的本振模块。

进一步，所述第一中频滤波模块和第二中频滤波模块均包括级联的高通滤波器和低通滤波器，高通滤波器的截止频率为275MHz，低通滤波器的截止频率为475MHz，并且在带外250MHz、525MHz、575MHz设有陷波点。这样可以增强带外抑制度，提高带通滤波器性能。

进一步，所述上混频模块包括上混频芯片、巴伦和本振源，实现375MHz的中频信号和3.875GHz本振信号混频输出3.5GHz的射频信号。高本振可以有更好的镜像抑制效果。进一步，所述收发信机包括八块平行板子，板间距为中心频率对应波长的一半，每块板子有八个通道，通道间距为中心频率对应波长的一半，每个通道包括一个发射链路和一个接收链路，本振模块由本振源提供本振信号，本振源设于收发信机的基带背板上，本振源产生的本振信号先分为八份，为八块板子提供本振信号，然后在每块板子上再分为八份，为八个通道提供本振信号，最后在每个通道中再分为两份，为发射链路和接收链路提供本振信号。这种共本振的形式可以提高通道之间的一致性。

进一步，所述第一自动增益放大控制模块、第二自动增益放大控制模块和第三自动增益放大控制模块均包括级联的增益模块和数控衰减器。通过增益模块和数控衰减器联合工作可以实现自动增益放大控制。

进一步，所述射频滤波模块的中心频率为3.5GHz，带宽为200MHz。

有益效果：本发明公开了一种应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机，能够有效降低信道模拟器的复杂度，降低5G研究中对单通道的功率需求，降低功耗，同时具有处理带宽大、面积小、性能好等特点。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中收发信机的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中八通道射频收发结构的示意图；

图3为本发明具体实施方式中单通道发射和接收框图；

图4为本发明具体实施方式中单通道发射和接收的具体实现框图。

具体实施方式

本具体实施方式公开了一种应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机，如图1所示，包括64个通道，采用八块平行板插板式结构。针对3.5GHz工作频段，平行板间距为中心频率对应波长的一半，即45mm。背板上有多个FPGA和本振源模块。单块板由八个平行通道组成，如图2所示，通道间距为中心频率对应波长的一半，即45mm。单块板上除了八个通道以外，还包含电源模块、CPLD、晶振、总线收发器等模块。

单通道采用TDD模式，单刀双掷开关在CPLD控制下，在发射和接收链路之间切换，发射链路采用中频信号输入，经过上变频至3.5GHz射频信号，经过天线发射；接收链路接收3.5GHz信号，经过下变频至375MHz中频信号进行下一步处理。单通道包括发射链路和接收链路。如图3所示，发射链路中，中频信号依次通过第一中频滤波模块、上混频模块、第一自动增益放大控制模块、单刀双掷开关和射频滤波模块最终发射出去。接收链路中，射频信号依次通过射频滤波模块、单刀双掷开关、低噪声放大器、第二自动增益控制放大模块、下混频模块、第二中频滤波模块和第三自动增益放大控制模块最终接收回来。此外，通道还包括电源模块以及为上混频模块和下混频模块提供本振信号的本振模块。

下面对通道的各个组成部分进行介绍。

第一中频滤波模块和第二中频滤波模块均包括级联的高通滤波器和低通滤波器，这两款滤波器均是由电感、电容搭建而成的五级滤波器。高通滤波器的截止频率为275MHz，低通滤波器的截止频率为475MHz，并且在带外250MHz、525MHz、575MHz设有陷波点，这样就很大程度上提升了滤波器的带外抑制度，优化了带通滤波器的性能。

上混频模块包括上混频芯片、巴伦和本振源，实现375MHz的中频信号和3.875GHz本振信号混频输出3.5GHz的射频信号。

本振模块由本振源提供本振信号，本振源设于收发信机的基带背板上，本振源产生的本振信号先分为八份，为八块板子提供本振信号，然后在每块板子上再分为八份，为八个通道提供本振信号，最后在每个通道中再分为两份，为发射链路和接收链路提供本振信号。

第一自动增益放大控制模块、第二自动增益放大控制模块和第三自动增益放大控制模块均包括级联的增益模块和数控衰减器。其中，接收链路要实现-85dBm—-25dBm的接收动态范围，需要增益模块和数控衰减器配合完成，因此，第二自动增益放大控制模块和第三自动增益放大控制模块须满足：若输入的为小信号，数控衰减器则不进行衰减功能；若输入的为大信号，则通过CPLD来控制数控衰减器进行部分或全部衰减，具体操作视需求来定，来保证整个接收链路输出信号达到0dBm。数控衰减器可以达到0.5dB的衰减精度，两者相互配合完成自动增益放大控制的功能。发射链路中，第一自动增益放大控制模块须满足：对于小信号，数控衰减器则不进行衰减；对于大信号，数控衰减器进行衰减。

射频滤波模块的中心频率为3.5GHz，带宽为200MHz，对输入的射频信号进行滤波，保持带内平坦度，减少带内衰减，并尽可能大地提高带外抑制度。

低噪声放大器是接收链路的第一个有源器件，其噪声系数、增益等关键指标对整个链路起到至关重要的作用。低噪放对输入的射频信号进行初级放大，同时保证尽可能小的引入噪声，即保证噪声系数尽可能小，从而降低整个链路的噪声。然后将放大的信号输出至后面的放大器进行进一步的放大。

单块板子上有三大部分电源模块，第一部分是开关电源，实现12V转5.5V,进而为所有芯片提供工作电压，其中发射和接收链路的电源部分由5.5V转5V和5.5V转3.3V的LDO提供，CPLD、晶振、总线收发器等其他模块由另一部分的5.5V转5V和5.5V转3.3V的LDO提供。

下面分别介绍一下单通道的接收链路和发射链路的工作过程。

针对单通道来说，对于接收链路，如图4所示，天线接收中心频率为3.5GHz、带宽为200MHz的射频信号，信号功率为-85dBm—-25dBm，进入射频接收链路，首先是信号经过射频滤波模块，射频滤波模块包括一个3.4GHz—3.6GHz的带通滤波器，且插损小，作用为滤除带外干扰信号。其后的单刀双掷开关转至接收链路工作，信号从开关进入至接收链路，首先是低噪声放大器，自天线而来的信号太小，所以首先需要进行放大处理，低噪声放大器是接收链路的第一级有源部分，为了控制整个接收链路的噪声，低噪声放大器必须具备低噪声系数、较高增益的特征。后面是数控衰减器和放大器组成的第二自动增益控制放大模块，对于小信号，数控衰减器不进行衰减操作，仅仅有2dB的插损，对于大信号，则通过CPLD产生控制信号来进行具体数值的衰减，达到期望的传输信号值。数控衰减器和放大器的结合构成自动增益放大控制的作用，后面的结构原理与此相同，单个数控衰减器的衰减最大是31.5dB，整个链路通过3个数控衰减器和几个增益模块的相互配合，实现灵活的增益变化，达到60dB的动态范围。背板上产生3.875GHz的本振信号，同时给8块板子提供本振，然后再均分给8个通道，每个通道再经过功分器将本振均分给发射和接收链路的本振处，这样实现了整个系统共本振的要求，保持64通道的一致性。放大后信号进入下混频模块，3.5GHz中心频率、200MHz带宽的射频信号与3.875GHz本振信号混频，产生中心频率为375MHz、带宽为200MHz的中频输出信号。紧接其后的是低通和高通滤波器级联而成的第二中频滤波模块，该第二中频滤波模块的中心频率为375MHz，带宽为200MHz，带外抑制度高，中频信号经过带通滤波器，滤除带外杂散信号。滤波后的信号根据信号大小经过后面的第三自动增益放大控制模块，通过CPLD合理控制2个数控衰减器的衰减与否以及衰减量大小，实现0dBm的中频信号输出。

对于发射链路，如图4所示，此时CPLD给单刀双掷开关发送指令，保持发射链路工作。中心频率为375MHz、带宽为200MHz的中频信号，幅度大小为0dBm，中频信号先经过π衰，衰减幅度大概为12dB，π衰由电阻构成，大小可调节。衰减后的中频信号经过第一中频滤波模块进行滤波，中心频率为375MHz、带宽为200MHz，作用是滤除275MHz—475MHz频带之外的杂散信号。滤除带外杂波的中频经过上混频模块，与3.875GHz的本振信号上混频，产生3.5GHz的射频信号，带宽为200MHz，输出射频信号经过增益模块和数控衰减器组成的第一自动增益放大控制模块，实现放大和衰减，根据发射信号幅度要求，CPLD精确控制数控衰减器的衰减数值。经过最后一级增益模块后的射频信号经过单刀双掷开关，进入射频滤波模块，滤除3.4GHz—3.6GHz频带外的杂波信号，发射输出信号幅度大小在-30dBm—0dBm之间，动态范围可达到30dB。

通道中所有涉及的控制部分，包括单刀双掷开关、4个数控衰减器，均由单板上CPLD来控制，利用总线收发器实现8通道的同收同发功能，以及数控衰减器的时钟控制和使能控制。

Claims (6)

1.一种应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机，其特征在于：包括发射链路和接收链路；发射链路中，中频信号依次通过第一中频滤波模块、上混频模块、第一自动增益放大控制模块、单刀双掷开关和射频滤波模块最终发射出去；接收链路中，射频信号依次通过射频滤波模块、单刀双掷开关、低噪声放大器、第二自动增益控制放大模块、下混频模块、第二中频滤波模块和第三自动增益放大控制模块最终接收回来；此外，还包括为上混频模块和下混频模块提供本振信号的本振模块。

2.根据权利要求1所述的应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机，其特征在于：所述第一中频滤波模块和第二中频滤波模块均包括级联的高通滤波器和低通滤波器，高通滤波器的截止频率为275MHz，低通滤波器的截止频率为475MHz，并且在带外250MHz、525MHz、575MHz设有陷波点。

3.根据权利要求1所述的应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机，其特征在于：所述上混频模块包括上混频芯片、巴伦和本振源，实现375MHz的中频信号和3.875GHz本振信号混频输出3.5GHz的射频信号。

4.根据权利要求1所述的应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机，其特征在于：所述收发信机包括八块平行板子，板间距为中心频率对应波长的一半，每块板子有八个通道，通道间距为中心频率对应波长的一半，每个通道包括一个发射链路和一个接收链路，本振模块由本振源提供本振信号，本振源设于收发信机的基带背板上，本振源产生的本振信号先分为八份，为八块板子提供本振信号，然后在每块板子上再分为八份，为八个通道提供本振信号，最后在每个通道中再分为两份，为发射链路和接收链路提供本振信号。

5.根据权利要求1所述的应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机，其特征在于：所述第一自动增益放大控制模块、第二自动增益放大控制模块和第三自动增益放大控制模块均包括级联的增益模块和数控衰减器。

6.根据权利要求1所述的应用于5G通信的高性能信道模拟器射频收发信机，其特征在于：所述射频滤波模块的中心频率为3.5GHz，带宽为200MHz。