CN112564656B - 一种适用于5g通信系统的带宽可重构可变增益放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于5G通信系统的带宽可重构可变增益放大器，所述可变增益放大器利用共源放大器中负载对带宽的影响以及级联放大器的带宽与级联单元数之间的关系，通过切换负载和级联单元数实现带宽的重构。本发明的有益效果为，(1)该放大器可以通过重构VGA单元中的负载部分实现带宽的重构，可以支持5G毫米波通信系统的单信道测试和多信道测试；(2)该放大器可以根据实际需要调整负载和VGA级联单元数，可用于其他需要带宽可重构的系统中；(3)该拓扑结构简单，重复利用了大部分电路，基于单元的结构更是大大节约了开发成本。

Description

一种适用于5G通信系统的带宽可重构可变增益放大器
技术领域
本发明涉及一种处理中频信号的可变增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA，以下统称为VGA)，更具体地，涉及一种适用于5G通信系统的带宽可重构可变增益放大器，可通过切换VGA单元中的负载以及VGA单元数实现带宽的重构，根据系统的需要选择对应的带宽。
背景技术
在现代通信系统中，通信终端到基站的距离是可变的，由于信道衰减现象，接收机的输入信号幅值变化范围很大。为了保证A/D转换器正常工作，减小误码率，需保持A/D转换器的输入信号在一定范围内；为实现这一功能，就需要通过一个可变增益放大器(VariableGain Amplifier，VGA，以下统称为VGA)对有用信号进行放大和衰减。因此，VGA是任何一个移动通信系统中必不可少的模块。
随着智慧城市、物联网、自动驾驶、AR/VR等新兴技术和产业的兴起，5G的未来有了更大的发挥空间。目前5G移动通信网络国内已经开始商用，而使用的频段均为6GHz以下频段。但由于6GHz以下频段已经被大量使用，可用频段资源特别是大带宽资源已经十分有限，而5G对超高速率和大容量通信的要求需要大带宽的频段资源，毫米波频段存在大量大带宽的频谱资源，正好可以满足需求。2017年7月我国工信部已经确定将毫米波频段24.75GHz-27.5GHz和37GHz-42.5GHz用于5G研发试验，这两个频段的带宽分别是2.75GHz和5.5GHz。第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partnership Project，3GPP，以下统称为3GPP)已指定5G新无线电(5G New Radio，5GNR，以下统称为5GNR)支持的频谱范围，包含6GHz以下频段和毫米波频段两大频谱范围；同时3GPP还定义了两大频谱范围对应的最大信道带宽，其中6GHz以下频段对应最大信道带宽100MHz，毫米波频段对应的最大信道带宽为400MHz；对应的通信系统中VGA的最小带宽分别为50MHz和200MHz。
5G毫米波通信系统的测试分为单信道测试和多信道测试，针对一个片上收发系统，若要同时支持单信道测试和多信道测试，则其中的VGA模块需要同时包含单信道带宽和多信道带宽，最直接的方案有以下两种：一是实现一个宽带VGA，同时覆盖单信道和多信道带宽；二是针对单信道测试和多信道测试分别设计一个VGA，测试时根据实际需要通过开关切换选择其中一个VGA工作。若选择第一种方案，在单信道测试时，由于带宽过宽，无法抑制高频噪声，将导致系统噪声性能差，并且产生多余的功耗。若选择第二种方案，则增加了电路的冗余，增加了版图面积以及提高了成本。因此以上两种方案均不是最优，而实现一个带宽可重构VGA不失为一种更优的方案，即两种模式共用主电路，通过部分元件的重构实现带宽的重构。
发明内容
基于上述需求，本发明提出了一种适用于5G通信系统的带宽可重构可变增益放大器，实现了重复利用一个VGA的主要部分，通过重构部分元件达到带宽可重构的目的，支持5G毫米波通信系统的单信道测试和多信道测试，具有较好的应用前景。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种适用于5G通信系统的带宽可重构可变增益放大器，
所述可变增益放大器利用共源放大器中负载对带宽的影响以及级联放大器的带宽与级联单元数之间的关系，通过切换负载和级联单元数实现带宽的重构。
进一步地，
通过如下方式进行可变增益放大器加工：
第一步：根据通信系统中的VGA增益及带宽需求，结合级联放大器增益和带宽计算公式，确定两种模式所需的级联VGA单元数及VGA单元的增益和带宽；通过VGA单元的增益和带宽公式，辅助以VGA单元仿真结果，分别确定两种模式下VGA单元的负载；
第二步：通过MOS开关实现负载的可切换以及两种模式下VGA级联单元数的可切换，并在宽带模式下级联LC低通滤波器，以提高整个VGA的带外抑制；
第三步：通过输入输出buffer实现VGA的输入输出匹配，满足系统级联以及测试需要，同时调节VGA的增益动态调节范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，
(1)该放大器可以通过重构VGA单元中的负载部分实现带宽的重构，可以支持5G毫米波通信系统的单信道测试和多信道测试；
(2)该放大器可以根据实际需要调整负载和VGA级联单元数，可用于其他需要带宽可重构的系统中；
(3)该拓扑结构简单，重复利用了大部分电路，基于单元的结构更是大大节约了开发成本。
附图说明
图1是本申请带宽可重构可变增益放大器原理图；
图2是本申请VGA单元原理图；
图3是本申请共源放大器的高频模型；
图4是本申请两种模式下VGA单元的原理图仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明公开了一种适用于37GHz-42.5GHz 5G毫米波通信系统的带宽可重构VGA，支持系统单信道测试和多信道测试。如图1所示，该VGA的整体拓扑是基于单元的，通过多级VGA单元级联实现宽增益动态调节范围，同时级联单元数也会对VGA的带宽产生影响。级联放大器增益和带宽计算公式如公式(1)、(2)所示：
Atot＝nxAc (1)
Figure BDA0002214817230000041
其中Atot和BWtot是VGA增益和带宽，n是级联VGA单元数，Ac和BWc是VGA单元的增益和带宽。
如图2所示是VGA单元原理图，VGA单元为一个共源差动对，对于差分信号，差动对产生的响应与共源放大器是一致的，因此通过如图3所示的共源放大器的高频模型分析频率响应，得到差动对的输入极点和输出极点分别如公式(3)、(4)所示：
Figure BDA0002214817230000042
Figure BDA0002214817230000043
由公式(3)、(4)可以看出，相同增益下，负载的改变会改变输出极点ωout的位置，并且负载RD越大，ωout越小，结合图4所示的VGA单元原理图仿真结果也可以进一步验证这一结论，并且可以看出，负载越大，VGA单元得到的最大增益越大。
由于VGA需要实现-15dB–45dB的增益，参考图4所示的VGA单元仿真结果，设计VGA原理图如图1所示，模式1选择1K负载，六级VGA单元级联并在级联LC低通滤波器便可实现高带外抑制的宽带VGA，支持5G毫米波通信系统的多信道测试；模式2选择10K负载，四级VGA单元级联便可实现窄带VGA，支持单信道测试；如此便实现了一个支持单信道测试和多信道测试的带宽可重构VGA，具有较高的应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种适用于5G通信系统的带宽可重构可变增益放大器，其特征在于，所述可变增益放大器利用共源放大器中负载对带宽的影响以及级联放大器的带宽与级联单元数之间的关系，通过切换负载和级联单元数实现带宽的重构；
通过如下方式进行可变增益放大器加工：
第一步：根据通信系统中的VGA增益及带宽需求，结合级联放大器增益和带宽计算公式，确定两种模式所需的级联VGA单元数及VGA单元的增益和带宽；通过VGA单元的增益和带宽公式，辅助以VGA单元仿真结果，分别确定两种模式下VGA单元的负载；
第二步：通过MOS开关实现负载的可切换以及两种模式下VGA级联单元数的可切换，并在宽带模式下级联LC低通滤波器，以提高整个VGA的带外抑制；
第三步：通过输入输出buffer实现VGA的输入输出匹配，满足系统级联以及测试需要，同时调节VGA的增益动态调节范围；
其中，两种模式包括模式1和模式2，模式1选择1K负载，六级VGA单元级联并在级联LC低通滤波器便可实现高带外抑制的宽带VGA，支持5G毫米波通信系统的多信道测试；模式2选择10K负载，四级VGA单元级联便可实现窄带VGA，支持单信道测试。
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