一種5G信號接收機的本振合成裝置

5G 一直被稱為是行業(yè)應(yīng)用的5G，5G 有三大應(yīng)用場景，分別是eMBB（增強型移動寬帶）、URLLC（超高可靠低時延）、mMTC（海量機器類終端通信）。5G技術(shù)的發(fā)展離不開高性能5G 信號接收機和發(fā)射機的支持。隨著5G 的不斷演進和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]。本文采用寬帶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 接收機本振發(fā)生裝置。

圖1 HMC983的功能框圖

1   方案設(shè)計

5G 信號接收機，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。

采用基于寬帶高性能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(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。

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(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(diào)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(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 信號接收機提供本振源。

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，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，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。

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，正移植到5G 信號發(fā)生器中。

參考文獻：

[1] 遠坂俊昭.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）