毫米波5G移動通信系統射頻接收前端分析

董雪松

摘要：文章以毫米級5G移動通信系統射頻接收前端為研究對象，首先簡單介紹了與5G通信密切相關的一些關鍵技術，隨后從射頻接收機主要性能指標、系統設計方案、測試等角度入手，來對圍繞毫米波大規模MIMO接收機前端的設計與實現進行了系統的研究與分析希望能夠為相關研究提供一定參考。

關鍵詞：移動通信;毫米波;超外差接收機

中圖分類號：TN929.5? 文獻標識碼：A? 文章編號：1672-9129（2020）02-0041-02

Abstract： the article to the millimeter level 5 g system for mobile communications radio frequency receiving front-end as the research object， first introduced some key technologies are closely associated with 5 g communication， key performance indicators， then from rf receiver system design， testing and other aspects， to around the millimeter wave mass MIMO receiver front-end has carried on the design and realization of the system analysis of the research and hopes to provide certain reference for related research.

Key words： mobile communication; Millimeter wave; Superheterodyne receiver

前言：隨著5G技術無線網絡技術逐漸應用發展成熟，當下針對各種毫米波器件的研發以及5G移動通信系統的搭建等也取得了良好的發展與進步，有效擴展了網絡通信技術應用場景，為人們之間的通信帶來更多便利。通過對毫米級5G移動通信系統射頻接收前端進行探討分析，對于推動5G通信技術更好的進行應用推廣有著重要的現實意義。

1 ??5G移動通信關鍵技術概述

當前5G移動通信主要包含以下幾種關鍵技術：

一是大規模多輸入多輸出技術（MIMO技術），該技術天線陣列規模更大，因此實際發射功率會更低，并且還能夠有效降低各種雜亂信號的干擾，使得信息輸出更加穩定。

二是毫米波技術。當前低頻段的頻譜資源利用已經飽和，而與之相對應的是高頻段資源仍有著充足的開發利用空間，因此利用毫米波技術，更有助于幫助5G通信進行高頻段品頻譜資源的利用，有效提升5G通信的穩定性[1]。

三是濾波器組多載波技術（FBMC技術），該技術能夠在發送端，通過采用合成濾波器組的方式來實現多載波的調制同時在接收端來對濾波器組進行深度的分析實現多載波的解調。

2? 毫米波大規模MIMO接收機前端

2.1射頻接收機主要性能指標

射頻接收機主要性能指標包含以下幾種：

一是噪聲系數。總輸出噪聲功率與信號噪聲輸出功率之比可以用噪聲系數F來進行表示。若是多模塊級聯系統，可以采用以下公式進行噪聲系數計算：

Ftotal=F1+F2-1GA1+F3-1GA1GA2+...，+Fn-1∏n-1i=1GAi（1）

在（1）式中，Fn表示的是在級聯系統中，第n級的所具備的一種噪聲系數，GAi表示，在級聯系統中，第i級存在的增益效果。從上述公式中我們能夠認識到相較于級聯系統，在后級噪音方面對整體噪音系數的影響，前級噪音對系統整實現自適應學習的廣泛實施，進而促進云計算教育的公平性，為學生和教師提供工具，根據他們的學習需求將計算資源分發到教學站點和實驗室;促進人機協作，即教師作為組織者、評價員和教授的某些身份將與智能機器進行劃分和協調。比如，教師可以通過安裝過的軟件按照需求建立虛擬機，從而迅速建立計算實驗室。云計算將上傳孤立的教育資源并存儲在云服務器的實時服務5G+AI中，幫助教育實現5G+智能技術前沿的公平、個性化和智能探索：在“智能+”時代創造智能教育新的生態等。

體噪音系數的影響更大，更能夠決定整個噪音系數的高低。

二是接收機靈敏度。這一指標具體表現如下含義，接收機在實際進行運行時，在信號輸入方面，屬于一種最低的輸入信號強度。與此同時，該項指標還與其他一些指標有著千絲萬縷的聯系，比較常見的指標內容有：寬帶指標、噪聲系數指標、信號調制指標等。在正常情況下，如若一般寬帶存在一定的差異性，那么比如會對系統噪聲功率帶來一定程度的影響，最終會對接收機靈敏度也會帶來一定的影響。具體計算公式如下：

S=-174dBm/Hz+F+10lgB+SNR（2）

在（2）式中，S表示接收機靈敏度，F表示系統噪聲系數，B表示寬帶，SNR表示最低可檢測信噪比[2]。

三是通頻帶。對于實際接收的信號而言，通常會存在于頻域之中，不僅如此，這種信號還會對寬帶信號進行一定程度的占用。通常需要立足于整個頻段，針對一些有用信號，需要全盤進行接收，才如此一來，才能夠保障信號的真實穩定性，有效避免信號出現失真問題。同時在接收機系統之中，還存在一種通頻帶，對于這種寬帶而言，本身不能夠太窄，否則會對寬帶信號的傳輸造成嚴重的阻礙。最終會對通信號傳輸真實穩定性帶來不利的影響。但我們也應注意到，這并不意味著通頻帶越寬越好，究其原因在于，在寬帶與噪聲功率之間，二者是之間的關系是正比關系，因此如果通頻帶的寬度超出了一定限制，同樣會導致噪聲功率無法控制，使得系統整體噪聲過大，不利于系統穩定順利的運行。

2.2系統設計方案

一是零中頻接收方案。對于該方案而言，受自身自身沒有中頻的現象所影響，那么射頻信號本身不會出現特別的變化，可以將其與鏡像頻率等同在一起，因此在這一情況下，就不需要再考慮鏡像頻率干擾問題，因此也就不需要在其中應用鏡像抑制濾波器，能夠有效提升系統的集成度。但該方案仍具備本振泄露、偶次失真干擾等缺陷問題。

二是超外差接收方案。該方案在實踐過程中應用最為廣泛。在方案具體實施方面，針對信號傳輸，需要先改變其頻率，比如在變頻技術的幫助下，使其變成中頻的信號，然后在信道之中，還需要進行濾波的選擇，針對轉變后的中頻，也需要作進一步的放大。

三是單通道設計方案。為有效解決鏡像頻率干擾問題，通過采用單通道設計方案，在低噪聲放大器的幫助下，將射頻信號利用正交耦合器分為兩路幅度與頻率均相同的正交信號并信號分別與本振實信號進行下變頻，在正交耦合器的幫助下，成功將上述兩路信號合為一路，因此能夠對鏡像頻率干擾進行有效的抑制[3]。

2.3芯片選擇

一是射頻芯片選擇。由于系統前級器件的噪聲系數對系統的總噪聲系數影有著較大影響。因此需要做好低噪聲放大器噪聲系數的控制。同時在選擇芯片時還需要考慮鏡像頻率干擾的影響，因此應選擇鏡像抑制度較高的芯片。

二是中頻放大器芯片的選擇。由于系統鏈路后級對系統整體IIP3與OIP3有著更大的影響，因此在選擇頻放大器芯片時，應充分考慮IIP3與OIP3等非線性度指標的影響。同時還需要注重考慮中頻放大器的增益和増益平坦度，才能確保后續解調器正常工作。

三是本振放大器芯片的選擇。一般情況下，功率分配網絡傳輸線均較長，并且對于高頻信號而言，在實際傳輸過程中，很容易受到各種參數因素的影響，比如微帶線敷銅粗糙度等，因此在實際運行中，所帶來的損耗必定也非常大，因此在選擇振放大器的過程中，應選擇大功率類型并且還要考慮1dB壓縮點等限制芯片飽和功率的非線性指標。

3? 接收機前端系統單通道測試

一是增益平坦度測試。在增益平坦度比較差通常會導致會寬帶信號時域波形失真。通過將射頻信號的功率統一設置為-24dBm;本振信號功率則統一選擇9dBm。然后在信號源E8267D掃頻功能的幫助下，產生相應掃頻信號，該信號中心頻率為42GHz，帶寬100MHz，以保證中頻帶寬維持在100MHz。然后固定射頻頻率為42GHz，同樣利用信號源E8267D產生的掃頻信號，該信號中心頻率19.4GHz，帶寬50MHz以保證中頻帶寬維持在100MHz。最后在信號分析儀N9030A的幫助下，完成了掃頻頻譜的觀察。從最終測試結果來看，在射頻信號中心頻42GHz、本振信號中心頻率為19.4GHz的條件下，對射頻信號掃頻時可以在中頻100MHz帶寬內實現0.4dB的增益平坦度;對本振信號掃頻時能夠在在中頻100MHz帶寬內實現低至0.1dB的增益平坦度，由此說明毫米波接收機前端系統單通道有著良好的增益平坦度[4]。

二是系統1dB壓縮點測試。在實際測試時，文章采用采用信號源E8267D產生一個功率較低的射頻信號，再用與信號源E8257D產生一個能夠使系統正常工作的本振信號，然后在信號分析儀N9030A幫助下在中頻段觀察整個接收機前端系統的增益。通過不斷射頻輸入信號的功率一直到系統增益與剛開始小信號輸入時的系統增益差1dB，此時的射頻輸入信號即為輸入1dB壓縮點。通過采用上述測試方法，在射頻頻率為42GHz、本振頻率為19.4GHz的條件下輸入1dB壓縮點進行測試，具體測試結果如圖一所示。從圖中我們能夠認識到在射頻輸入信號頻率為42GHz、本振頻率為19.4GHz的條件下，1dB壓縮出現在射頻信號源輸出功率-3.2dBm。

結束語：綜上所述，在物聯網技術的發展過程中，離不開5G移動通信技術的支持，如今隨著很多5G關鍵技術逐漸應用成熟，比如毫米波技術、MIMO技術等，從而使得5G進入商用成為可能。文章在簡單介紹了與5G相關的關鍵技術后，對毫米波大規模MIMO接收機前端系統設計與實現進行了討論分析，并對系統部分指標進行了測試，希望能夠為相關研究提供一定的參考。

參考文獻：

[1]袁濤. 毫米波5G移動通信系統射頻接收前端研究[J]. 信息通信， 2019（008）：200-201.

[2]藍驥. 寬帶毫米波通信接收前端的研究[D]. 2015.

[3]朱月月. 毫米波5G移動通信系統射頻發射前端研究[D]. 2016.

[4]陳繼新. Q波段5G毫米波射頻前端研究[C]// 2017年全國微波毫米波會議論文集（中冊）. 2017.