毫米波收發器系統硬件介紹（一）

發布時間：2020-10-06 15:35 原文鏈接：毫米波收發器系統硬件介紹（一）

概覽

無線技術已無所不在。現在能連接無線的新型無線設備越來越多，其消耗的數據量與日俱增。無線設備的數量與數據消耗量每年都以指數級增加。為了滿足此類需求，許多機構都在研究新型無線技術，以完善現有的無線架構。為了達成這個目標，世界各地的無線標準化組織共同展開了一項艱巨的任務，那就是定義新一代無線網絡系統，也稱為5G。 5G網絡的三大應用情境包含：增強型移動寬帶(eMBB)、大規模機器通信(mMTC)與超可靠機器通信(uRMTC)。
NI模塊產品聯系伽太科技，sales@gamtic.com，021-5197 0121
上述三大應用情境可分別用于滿足不同的需求，例如eMBB的重點在于峰值數據傳輸率，而uRMTC則側重于降低延遲。由于需求十分多樣，單一特定技術無法滿足全部需求，因此5G將會是多種全新技術的合體。尤其是對于eMBB應用場景，研究人員需要將峰值數據傳輸速率提高到4G網絡的100倍以上，而6 GHz以下的可用頻譜已經極其有限了。經實踐證明，數據速率與可用頻譜直接相關，而根據香農定理指出，容量是帶寬（即頻譜）和信道噪聲的函數。因為6 GHz以下的頻譜幾乎已分配完畢，所以針對eMBB的應用情境，研究人員必須轉向6 GHz以上的頻譜，研究毫米波領域。

世界各地的服務運營商為了服務客戶，已在頻譜上花費了數十億美元。 6 GHz以下頻譜居高不下的拍賣價格，便凸顯了市場的高度競爭與珍貴資源的缺乏。如先前所述，根據香濃定理，數據傳輸速率與容量的提升均受頻譜所限。頻譜范圍越廣，數據傳輸率也越高，這樣服務運營商不僅能服務更多用戶，還能提供更一致的移動寬帶數據傳輸體驗。而毫米波頻譜不僅非常充裕，而且只需稍微經過授權就能使用，因此世界各地的運營商都能夠利用毫米波。而采用mmWave所面臨的挑戰，主要在于此頻譜還有許多未知內容，沒有經過完整研究，還有尚未解決的技術問題。

為了利用毫米波來實現5G網絡，研究人員必須開發新的技術、算法和通信協議，因為毫米波信道的基本性質與當前的蜂窩模型截然不同，并且是相對未知的。建立毫米波原型的重要性再怎么強調都不過分，尤其是在時間如此緊迫的情況下。建立毫米波系統原型可演示某項技術或概念的可行性，這是仿真無法做到的。毫米波原型能夠在多種情境下進行無線實時通信，有助于揭開毫米波信道的神秘面紗，并推動該技術的應用與普及。

圖1: 3GPP與IMT 2020所定義的三種高級5G應用場景

為了達成此項目標，NI推出全球首臺實時毫米波原型驗證系統，旨在幫助工程師與研究人員快速對毫米波系統進行原型驗證。 NI毫米波收發器系統結合了靈活的模塊化硬件與強大的應用軟件，是一款適用于毫米波應用的SDR。由于毫米波收發器是一款完整的SDR，軟硬件都具有完整功能與模塊化特性，因此研究人員能夠快速布署他們的設計，并使用軟件進行快速迭代，不斷優化其設計。

2. 毫米波通信系統原型驗證

創建完整的mmWave通信原型時會面臨多種難題。假設有一個可處理數GHz通道的基帶子系統。目前多數LTE實現皆使用10 MHz通道（最高20 MHz），而計算負荷會隨著帶寬線性增加。換句話說，計算能力必須以100倍甚至更多的倍數增加才能解決5G數據速率需求。 LTE渦輪解碼器所使用的算法不僅需要大量的計算資源，還需要高性能計算軟件才能實時處理數據。 FPGA為這些計算提供了理想的硬件解決方案，對于超寬帶渦輪解碼，FPGA是不可或缺。

盡管FPGA是毫米波原型驗證系統的核心元件，但設計出能處理數GHz通道的多FPGA系統將使系統更加復雜。為了解決系統復雜度與軟件挑戰，NI提供了毫米波物理層的源代碼，涵蓋了毫米波系統基帶的基本原理，并且抽象了在多個FPGA之間移動和處理數據的過程，從而簡化了工作難度。

FPGA僅為毫米波原型驗證系統的一部分。數據必須能夠在數字域之間移動，以便進行處理，還需要在模擬域之間移動，以便信號能夠無線收發。 DAC與ADC技術的發展使得目前已能捕獲1至2GHz的信號。市場上有些毫米波頻率的IC。這些IC可連接至毫米波收發器系統的ADC與DAC進行評估，然后執行原型驗證工作。然而，RFIC無法提供信道探測或通信原型驗證所需的高功率輸出或RF品質。為了集成更高的功率與更高品質的RF，需要通過IF級將信號上變頻至12 GHz。最后再將毫米波無線電站連接至IF模塊。如果想要從頭開始，開發原型驗證系統的各個部分需要掌握各種設計專業知識以及擁有大量的工程資源。每個部分的硬件設計都不容易，另外還需要開發用于控制與同步各級硬件的軟件，這進一步增加了自定義設計的復雜性。毫米波收發器系統提供了完整的原型驗證解決方案，能夠幫助工程師更快速從概念和算法設計過渡到原型驗證。

NI提供4種現成的毫米波原型驗證系統配置，下面將會詳細介紹。毫米波收發器系統基于PXIe平臺，包含2 GHz帶寬的基帶處理子系統、2 GHz帶寬的濾波中頻(IF)級與LO模塊，以及位于機箱外部的模塊化毫米波無線電站。系統框圖如圖2所示。

圖2: 毫米波系統框圖

模塊化方法可通過增加或移除模塊來滿足各種通道和配置需求，從而實現了靈活的硬件平臺。用戶可以選擇使用完整的NI毫米波解決方案，或將將自己的射頻設備集成至NI IF或基帶系統。用戶還可使用相同的系統以及相同的IF和基帶軟硬件來開發不同頻帶的原型。此系統還可從單向SISO系統擴展到雙向MIMO系統，因而不僅適用于信道探測，也可進行并行收發來實現完整的雙通道雙向通信鏈路。下面我們將進一步介紹各種系統組件與配置。本文件不討論針對特定應用的軟件。

3. 毫米波收發器系統硬件

毫米波收發器系統是一個SDR平臺，適用于構建毫米波應用，包含系統原型驗證。該系統為用戶提供了靈活的硬件平臺與應用軟件來執行實時無線毫米波通信研究。軟件對用戶開放，可根據研究需求變化進行調整，因此設計可以反復迭代和優化來滿足特定目標或目的。

NI毫米波收發器系統內含PXIe機箱、控制器、時鐘分配模塊、FlexRIO FPGA模塊、高速DAC與ADC、LO與IF模塊和毫米波無線電臺。此模塊可組裝成不同的配置來滿足不同毫米波應用的需求，例如信道探測、MIMO通信鏈路原型驗證等等。本文詳細介紹了毫米波收發器系統所用的硬件，以及模塊之間的交互。如需詳細的性能規格，請查看毫米波收發器系統的數據表。