毫米波5G接收機多速率數據設計與研究

摘 要：針對5G毫米波通信宏基站、微基站等設備的研發、生產、預認證、維修保障等測試需求，設計一款可應用于“5G新基建”通信設備產業鏈多環節所需儀表的高效多速率信號接收機處理模塊。采用先進的并行多相濾波技術和任意速率比FFT處理技術，基于FPGA算法平臺實現毫米波5G接收機多路信號接收時域/頻域并行變速率處理邏輯電路，提高5G復雜波形接收機信號解析的實時性。實驗結果表明，該電路能高效完成5G復雜波形接收機信號的時域/頻域解析，適合作為毫米波5G接收機多速率數據處理實施方案，滿足毫米波5G接收機的功能設計要求。

關鍵詞：FPGA；5G；毫米波；接收機

目前，在毫米波5G分析儀方面，主要以羅德與施瓦茨（R&S）、是德科技等為代表，其頻率范圍可達到43.5 GHz以上，帶寬2 GHz，以超外差變頻方式產生模擬中頻信號輸出，EVM指標優于3.0%，其基帶數字信號處理方式以高性能嵌入式硬件加速器為主。國內毫米波5G測試儀以中電科思儀為代表，頻率范圍、分析帶寬、EVM解調指標與國外水平相當，但其基帶數字信號處理方式以FPGA處理平臺為主。以國家“5G新基建”政策為引領，為推動國產關鍵核心器件、基站、終端等設備功能、性能、可靠性等指標進一步提高，依據行業標準和廠家測試需求，研究毫米波5G信號測試方法，在毫米波5G技術驗證、通信器/部件研發、5G基站外場測試等領域填補了國內空白，實現了國產化毫米波5G測試儀開拓性創新。[1-2]

1 方案設計

本設計的“并行多相技術和任意深度FFT處理技術”方案[3-4]主要完成目標是：

1） 實現5G NR大帶寬信號數據速率高效轉換；

2） 采用“任意處理深度”FFT頻域信號分析。

1.1 多速率采樣原理方案[5- 6]

1.2 多速率重采樣原理方案[7- 8]

數字信號的重采樣即多速率信號處理，其定義為把1個數字信號采樣率從某個固定采樣率變換成另一種不同采樣率的過程。在5G NR大帶寬接收機設計過程中，由于物理層時頻資源配置不同會導致信號BWP帶寬不同，必然會采用重采樣技術進行數字信號處理。其中，信號抽取定義為降低信號采樣率；信號插值定義為提高信號采樣率。

一般來說，5G NR大帶寬信號A/D采樣帶寬遠遠超過實際OFDM信號處理帶寬，此時基帶信號嚴重處于過采樣狀態，為滿足后級解調處理，通常采用抽取來降低數據采樣率，進而降低信號信息的冗余度以便后級處理。當釆樣率剛好是信號傳輸速率的整數倍時，通過整數倍抽取就可以降低數據率，這種結構的實現相對容易。但當采樣率不是信號傳輸速率的整數倍時，就涉及到一個分數倍重采樣的問題了。此時，需要構建分數倍重采樣濾波器組，即先插值后抽取。由插值和抽取級聯構成的分數倍抽取方案，如圖2所示。

綜上所述，在數字信號處理中改變數字采樣率，采用先進行插值后進行抽取，可以避免造成頻率混疊。抽取時原始信號的頻譜被周期拓展，如果原始信號最高頻率大于抽取之后采樣率的50%就會發生混疊。插值也會讓頻譜周期拓展，但由于輸出信號點數增多，所以頻率分量只是周期存在，不會發生混疊。為此，無論是抽取還是插值，后面都需要進行1次數字濾波。根據插值、抽取等效變換，可以節省1個重采樣濾波器。

1.3 基于FPGA分數倍抽取實現方案

根據以往所掌握的知識和技術，基于直接型數字濾波器的采樣率轉換器盡管可顯著降低運算復雜度，但由于其具有以較高的采樣率對延時狀態變量寄存器進行控制，導致插值運算器中必須用較高的運算頻率，增加FPGA的功耗同時也帶來電路的不穩定。為解決這一難題，我們采用改進的S/P和P/S轉換器構建FPGA的多項數字濾波架構。具體架構圖如圖4所示。

該轉換器（數字濾波器）具有如下特點：

● 全部與零的加法、乘法全部省略；

● 系統運算都是以低于輸入或輸出采樣率進行計算；

● 全部信號處理采用塊運算架構；

● 數據計算潛伏時間最小。

1.4 任意深度FFT實現方案

2 測試結果

基于5252D基站測試儀硬件平臺進行數據采集處理，對比測試儀器R&S FSW寬帶矢量信號分析儀。

FSW為對標儀器，驗證本文的方案可行性，圖6為測試驗證環境，對ACLR、SEM等核心5G接收指標進行測試。

表1表示5252D基站測試儀硬件平臺和FSW寬帶矢量信號分析儀在ACLR和SEM等技術指標的對比測試。

圖9為構建的毫米波接收機測試驗證環境，激勵信號源為R&S SMW200A矢量信號發生器，該儀表最高支持頻率44 GHz毫米波頻段，帶寬2 GHz。測試時SMW200A發送5G NR PDSCH信號，5252D和FSW同時進行ACLR和SEM指標測試。

圖7、圖8分別為5252D和FSW在5G NR PDSCH 100 MHz信號信道帶寬ACLR測試準確度的對比。

圖9為5252D的頻域SEM計算數據實測結果（含全掃寬）與圖10 FSW實測結果在5G NR PUSCH 100 MHz信號信道帶寬SEM測試準確度的對比。

3 結束語

電路方案設計基于多速率采樣原理、多速率信號重采樣原理、FPGA平臺分數倍抽取方案和任意深度FFT處理方案，采用多相并行FPGA濾波數字信號處理技術和改進的基帶FPGA邏輯電路，基于大帶寬、高采樣率A/D和高性能FPGA芯片，設計一款滿足毫米波5G接收機的功能信號分析裝置，為研制提供了一種嶄新的可實施方案。

參考文獻：

[1] 白寶明，馬嘯，陳文，等.面向B5G/6G的信息傳輸與接入技術專題序言[J].西安電子科技大學學報，2020，47（6）：1-4.

[2] 張黎明.毫米波5G NR信號OFDM技術研究與實現[J].電子測量技術，2020，43（22）：146-149.

[3] 李恩琦，龔小競， 朱衛華，等.基于FPGA的分數倍抽取濾波器的改進設計與應用[J].南華大學學報（自然科學版），2020，34（1）：52-59.

[4] 都赟赟，程敏敏，盧圣龍等.基于FPGA的毫米波數據傳輸系統的實現[J].通信技術，2020，53（7）：1645-1651.

[5] 黃世鋒，陳章友，張蘭等.多通道雷達數字接收機數字下變頻設計[J].電子技術應用，2016，42（6）：46-48；55.

[6] 劉晟.數字變頻鏈路中多采樣率濾波器研究[J].通信技術，2019， 52（9） ：2081-2086.

[7] 李飛，馮曉東，李華會，等.可變帶寬數字下變頻的設計與FPGA實現[J].電子技術應用，2016，42（4）：35-38.

[8] 謝海霞，孫志雄.多速率信號處理系統設計與實現[J].電子設計工程，2018，26（18）：132-135.