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              一種5G信號接收機的本振合成裝置

              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部;電子測量儀器技術蚌埠市技術創新中心,安徽 蚌埠233010)時間:2021-06-17來源:電子產品世界收藏
              編者按:5G有3個關鍵性能指標:更快的峰值速率、高連接數密度和更低的延遲,這些關鍵指標的實現需要更高的頻率和更大的帶寬。接收機需要更高頻率和更寬帶寬的本地振蕩器才能實現對5G信號的精確分析。介紹一種利用寬帶壓控振蕩器實現滿足3GPP R16版本要求的5G FR1信號接收機的本振合成裝置。

              一直被稱為是行業應用的, 有三大應用場景,分別是eMBB(增強型移動)、URLLC(超高可靠低時延)、mMTC(海量機器類終端通信)。5G技術的發展離不開高性能5G 信號和發射機的支持。隨著5G 的不斷演進和5G 垂直行業應用的不斷深入,5G 相關指標和技術不斷更新,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、更快的響應速度、更精確的解調精度等[1-3]。本文采用VCO、鑒相器、分頻器、預分頻器等組成的鎖相環方案,實現了一種可以覆蓋3GPP R16 版本要求的5G FR1 頻段的5G 本振發生裝置。

              本文引用地址:http://www.snowlakeshores.com/article/202106/426370.htm

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              圖1 HMC983的功能框圖

              1   方案設計

              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 信號分析儀整機射頻電路的核心模塊,其功能塊包括:參考環電路、鑒相電路、Σ-Δ 調制、預分頻電路、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,因此需要在鎖相環反饋回路中添加預置四分頻器HMC447LC3,將頻率變為(2.5~5)GHz。

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

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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,有為整機提供的10 MHz參考輸入;100 MHz參考輸出,為整機點頻第二、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試和bit 文件燒寫;96 芯接插件為本振合成裝置與整機母板之間的電源、數據線、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;藍色部分為10 MHz 外部參考,鎖定到100 MHz,用于(10~20)GHz 鎖相環的參考和整機其他模塊;黃色部分為本振合成裝置的供電模塊,為FPGA、VCO、放大器、開關、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、小數分頻器、寬帶耦合器、寬帶壓控振蕩器、微帶帶通濾波器、預置4 分頻器等,完成100 MHz 參考輸入實現(10~20)GHz 寬帶信號輸出,為5G 信號接收機提供本振源。

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              圖4 本振合成裝置

              3   測試結果

              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 信號接收機中,配合驅動程序、硬件控制程序、顯示程序等組成完整的5G 信號接收機,通過對5G FR1 100 MHz 帶寬的標準5G 信號分析能夠呈現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,信號源發射1 GHz 中心頻點的100 MHz 帶寬上行PUSCH 信號,5G 信號接收機配置對應參數,解析界面如圖5 所示。解調結果表明,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信號解調圖

              4   結束語

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

              參考文獻:

              [1] 遠坂俊昭.鎖相環(PLL)電路設計與應用[M].何希才,譯.北京:科學出版社,2006.

              [2] 杜勇.鎖相環技術原理及FPGA實現[M].北京:電子工業出版社,2016.

              [3] 陳山枝,胡金玲,等.蜂窩車聯網(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《電子產品世界》雜志社2021年6月期)



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