5G毫米波通信系統(tǒng)的本振源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
發(fā)布時(shí)間:2019-08-22 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】針對(duì)5G 毫米波通信系統(tǒng)對(duì)本振源頻率、相位噪聲、雜散抑制要求的提升,提出了一種結(jié)合ADF4002 和2 個(gè)ADF5355 頻率合成器芯片,可同時(shí)用于中頻和射頻電路的高性能本振源。該本振源為系統(tǒng)中頻模塊提供5.4 GHz 的單音本振信號(hào)并且利用數(shù)控衰減器和放大器實(shí)現(xiàn)了輸出功率可調(diào),同時(shí)也利用ADF5355 的鎖相環(huán)(PLL)和倍頻器為射頻模塊提供8.4~11.2 GHz 寬頻帶寬、步進(jìn)為100 MHz 的可調(diào)頻本振信號(hào),最終通過(guò)硬件電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試,以及單片機(jī)(SCM)控制程序的編寫(xiě),實(shí)現(xiàn)了低相噪、低雜散的穩(wěn)定頻率源。
在5G 毫米波通信系統(tǒng)中,大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)被用來(lái)大幅度提高數(shù)據(jù)傳輸速率和信道容量。大規(guī)模MIMO 技術(shù)也是5G區(qū)別于現(xiàn)有系統(tǒng)的核心技術(shù)之一[1]。在大規(guī)模MIMO 場(chǎng)景下,通過(guò)基站配置數(shù)百根天線,可以使大量的終端用戶使用同一個(gè)時(shí)頻資源,因此系統(tǒng)中同時(shí)存在多路射頻收發(fā)信道,也就需要多路本振信號(hào)。本振的研究是毫米波通信系統(tǒng)研究的關(guān)鍵之一[2]。
本振模塊與收發(fā)系統(tǒng)相互獨(dú)立可以有效地抑制本振泄露和射頻串?dāng)_等問(wèn)題,減少收發(fā)系統(tǒng)印制電路板(PCB)版的面積,并且可以使每個(gè)模塊更靈活,便于調(diào)試和后期維護(hù)。綜合考慮系統(tǒng)性能和成本等方面的因素,采用外置本振是現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的選擇[2-3]。
1、本振系統(tǒng)設(shè)計(jì)
頻率合成技術(shù)主要分為直接合成技術(shù)與間接合成技術(shù)。直接合成技術(shù)又包括直接模擬合成技術(shù)與直接數(shù)字合成技術(shù)(DDS)。直接模擬合成技術(shù)是最早期的頻率合成技術(shù),其通過(guò)一系列的模擬器件進(jìn)行倍頻、混頻、分頻等算術(shù)運(yùn)算從而合成固定頻率,再利用窄帶濾波器濾出所需頻率。在這種方式下參考信號(hào)的相位噪聲直接決定了輸出信號(hào)的相噪,因此容易獲得相噪很低的輸出信號(hào),但是這種電路的實(shí)現(xiàn)需要大量的模擬器件組合,集成度低,體積大,雜散抑制較差,成本高昂,目前該種技術(shù)主要用于射頻微波測(cè)試測(cè)量?jī)x器中。
直接數(shù)字合成技術(shù)的特點(diǎn)是通過(guò)數(shù)字方式累加相位,再利用相位和去查詢正弦函數(shù)表從而得到正弦波的離散數(shù)字系列,最終經(jīng)過(guò)數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換得到模擬正弦波。DDS 具有頻點(diǎn)轉(zhuǎn)換速率快、頻率分辨率高的優(yōu)點(diǎn),不過(guò)由于輸出頻率雜散很多,輸出頻率較低,使其使用范圍受限[4]。
間接頻率合成技術(shù)即為鎖相環(huán)式頻率合成技術(shù)(PLL),它主要是通過(guò)相位負(fù)反饋的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路信號(hào)相位的跟蹤,從而用鎖相環(huán)將壓控振蕩器(VCO)的頻率鎖定在所需要的頻點(diǎn)上。該種形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,相位噪聲低,雜散抑制較好,成本較低,但是頻率轉(zhuǎn)換的時(shí)間長(zhǎng),頻率分辨率比較低[5-6]。
結(jié)合本設(shè)計(jì)中需要輸出兩路頻率較高的本振信號(hào),并且其中一路帶寬較寬的特點(diǎn),綜合相位噪聲、雜散抑制等因素,決定采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)該本振源。
1.1 整體框架
圖1 是PLL 的基本結(jié)構(gòu),鎖相環(huán)電路的組成部分主要包括壓控振蕩器(VCO)、鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)和分頻器[5]。
圖1、PLL 結(jié)構(gòu)框圖
參考源給出的輸入信號(hào)FR 通過(guò)R 分頻器降低為鑒相器的檢測(cè)頻率FPD ,而VCO 的輸出頻率經(jīng)過(guò)N 分頻器后得到輸入鑒相器的另一路信號(hào)FN ,兩路信號(hào)通過(guò)鑒相器進(jìn)行相位比較,它們產(chǎn)生的相位差轉(zhuǎn)換為電壓或電流,經(jīng)過(guò)低通的環(huán)路濾波器(LPF)濾除噪聲和高頻分量后送入VCO 用來(lái)控制VCO 的輸出頻率。當(dāng)鎖相環(huán)穩(wěn)定后,即FPD 和FN 同頻同相的狀態(tài)下,鎖相環(huán)的輸出頻率為:
(1)
相位噪聲是衡量本振源的重要指標(biāo),收發(fā)信機(jī)的調(diào)制與解調(diào)精度(EVM)受系統(tǒng)的相位噪聲影響,若相位噪聲過(guò)大,則系統(tǒng)解調(diào)出的星座圖會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn),因此首先要降低本振源的相位噪聲。影響相位噪聲的因素有很多,在近端,相位噪聲主要取決于參考信號(hào)、N 分頻器、鑒相器以及電源。通過(guò)式(2)可以估算出環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲:
PN = PNfloor + 10log(N) + 10log( fvco )(2)
在輸出頻率不變的情況下,降低分頻比N 可以改善相位噪聲。一般來(lái)說(shuō),本振系統(tǒng)的參考源是全球定位系統(tǒng)(GPS)下行的10 MHz[5]。由于在此設(shè)計(jì)中需要較高的輸出頻率,為了獲得良好的相位噪聲,故選擇提升參考頻率。在整個(gè)系統(tǒng)前端先設(shè)計(jì)一個(gè)鎖相環(huán)電路,將10 MHz 參考信號(hào)提高至100 MHz。由式(2)可知:系統(tǒng)的相位噪聲將會(huì)降低10 dB;而在環(huán)路帶寬外,相位噪聲主要受VCO 影響。為了得到更好的頻率穩(wěn)定度和相位噪聲,本設(shè)計(jì)中用100 MHz 的恒溫晶體振蕩器(OCXO)代替VCO[6]。
由于兩路本振信號(hào)在系統(tǒng)中被同時(shí)使用,為了保證信號(hào)的一致性,需要采用同一個(gè)參考源,圖2 為本振源結(jié)構(gòu)框圖。ADI 公司的頻率合成器ADF4002,結(jié)合外部恒溫晶振XO5051 以及GPS 參考源10 MHz,并且組成PLL 頻率合成器。該模塊輸出100 MHz 的信號(hào)經(jīng)過(guò)集總元件組成的功分器后分成2 路,分別作為2個(gè)ADF5355 的參考頻率,ADF5355 是集成VCO 的寬帶頻率合成器。第1路參考信號(hào)通過(guò)ADF5355 的鎖相環(huán)和倍頻器后輸出8.4~11.2 GHz 的信號(hào),以100 MHz 步進(jìn)可調(diào)的本振信號(hào),然后經(jīng)過(guò)濾波器和放大器HMC441 得到最終所需的射頻本振;第2 路100 MHz 參考信號(hào)通過(guò)另一個(gè)ADF5355 的鎖相環(huán)電路并且再輸出5.4 GHz 的信號(hào),再經(jīng)數(shù)字衰減器HMC425A 和放大器GVA_83+,得到所需功率的中頻本振。
圖2、本振源結(jié)構(gòu)框圖
1.2 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)
環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)電路中的重要組成單元,它可以為VCO 提供干凈穩(wěn)定的調(diào)諧信號(hào),維持環(huán)路穩(wěn)定性,控制環(huán)路帶內(nèi)外噪聲,抑制參考邊帶雜散干擾。環(huán)路濾波器的重要參數(shù)為環(huán)路帶寬和相位裕度。環(huán)路帶寬的減小可以改善雜散的抑制以及VCO 近端的相位噪聲,但同時(shí)增加鎖定時(shí)間,并導(dǎo)致遠(yuǎn)端相位噪聲的惡化;而環(huán)路帶寬增大則會(huì)減少鎖定時(shí)間,不過(guò)無(wú)法保證VCO 近端的雜散和相位噪聲抑制。此外,當(dāng)環(huán)路帶寬為鑒相頻率的1/10 到1/5 時(shí),鎖相環(huán)會(huì)失鎖[4-5]。
綜合環(huán)路穩(wěn)定性、雜散抑制、相位噪聲、鎖定時(shí)間等因素,最終確定輸出頻率為100 MHz 的鎖相環(huán)環(huán)路帶寬為30 Hz,同時(shí)輸出5.4 GHz 以及8.4~11.2 GHz 的PLL 環(huán)路帶寬則為100 kHz。圖3 給出了兩路鎖相環(huán)電路中四階濾波器的結(jié)構(gòu)和取值。
圖3、環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)
1.3 單片機(jī)部分設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)C8051F320對(duì)ADF4002、2 個(gè)ADF5355 芯片以及數(shù)控衰減器HMC425A 進(jìn)行輸出頻率和功率的控制,其中兩路ADF5355 共用數(shù)據(jù)傳輸和串行時(shí)鐘線。圖4 為單片機(jī)控制電路結(jié)構(gòu)圖。
圖4、單片機(jī)控制電路
2、測(cè)試結(jié)果與實(shí)物圖
本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩路不同頻率的本振信號(hào)輸出,具有較好的相位噪聲。利用RS 的相位噪聲分析儀分別對(duì)兩路輸出信號(hào)的相位噪聲進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如圖5、6 所示。在8.4~11.2 GHz 頻帶內(nèi)選擇10 GHz 信號(hào)的相位噪聲測(cè)試結(jié)果,參考頻率源為相噪儀自帶的10 MHz。
圖5、ADF5355 輸出5.4 GHz 相位噪聲
圖6、ADF5355 輸出10 GHz 相位噪聲
從圖5、6 中可以知道:5.4 GHz 信號(hào)輸出功率為12.07 dBm,10 GHz的信號(hào)輸出功率約為13.8 dBm, 并且兩路ADF5355 鎖相環(huán)電路的輸出信號(hào)皆具有良好的相位噪聲,具體結(jié)果如表1所示。通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行頻率控制,利用相噪儀對(duì)頻率范圍為8.4~11.2 GHz,步進(jìn)100 MHz 的本振信號(hào)輸出功率進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如圖7 所示。在該頻帶內(nèi)輸出最大功率為14.57 dBm,最小功率為6.7 dBm。值得注意的是:在該頻帶內(nèi)信號(hào)輸出功率浮動(dòng)較大,這主要是由于ADF5355 的輸出功率有8 dBm 的變化范圍。在后續(xù)鏈路設(shè)計(jì)中可以結(jié)合數(shù)控衰減器來(lái)平衡各個(gè)頻點(diǎn)的輸出功率。此外,圖中譜線的不清晰主要是由于上位機(jī)變換頻率的速度大于本振信號(hào)鎖定的速度,在實(shí)際應(yīng)用中可以等單個(gè)頻點(diǎn)鎖定后,再進(jìn)行頻率切換,以保證本振信號(hào)良好的性能。圖8 為本振源實(shí)物圖。
表1、本振源相位噪聲測(cè)試結(jié)果
圖7、8.4~11.2 GHz 本振信號(hào)輸出功率
圖8、本振系統(tǒng)實(shí)物圖
3、結(jié)束語(yǔ)
文中通過(guò)結(jié)合3 個(gè)鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了參考頻率的提升和2 個(gè)不同頻段本振源的輸出,可同時(shí)用于中頻以及射頻模塊,并且降低了相位噪聲。輸出的兩路本振信號(hào)中,一路5.4 GHz 信號(hào)功率可調(diào),另一路8.4~11.2 GHz 信號(hào)可實(shí)現(xiàn)較寬頻帶內(nèi)本振源的輸出。在后續(xù)研究中,我們可以通過(guò)功分模塊,配合放大器實(shí)現(xiàn)多路同頻同相的本振信號(hào)的輸出以滿足大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)對(duì)于本振的相關(guān)需求。
參考文獻(xiàn)
[1] 尤肖虎.5G 移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué),2014,5(44):551-563
[2] 劉兆棟.面向5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)的本振技術(shù)研究[C]//2015 年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集.合肥:中國(guó)電子學(xué)會(huì),2015
[3] 單月忠.基于ADF4351 的頻率源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2014,40(6):85-88
[4] 趙清瀟.基于寬帶多通道微波收發(fā)信機(jī)的本振源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].青島:山東大學(xué),2015
[5] 褚穎穎.大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)射頻關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:東南大學(xué),2015
[6] 林波.大規(guī)模MIMO 外部本振的研究[D].南京:東南大學(xué), 2018
[7] 黃維辰.面向下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的多通道射頻收發(fā)信機(jī)以及頻率源的研究[D].南京:東南大學(xué),2017
[8] BANERJEE D. PLL Performance, Simulation, and Design 5th Edition [M]. USA: National, 2017:3-8
作者:胡蒙筠、周健義,東南大學(xué)
來(lái)源:中興通訊技術(shù)
推薦閱讀:
特別推薦
- 利用自動(dòng)化技術(shù)賦能中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化
- 三極管電路輸入電壓阻抗
- 晶振怎么用,你真的知道嗎?
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車(chē)載PoC電感器LQW32FT_8H系列
- 思特威推出超星光級(jí)系列4MP圖像傳感器SC485SL
- HOLTEK新推出HT32F59045脈搏血氧儀MCU
技術(shù)文章更多>>
- 貿(mào)澤推出針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和智慧城市的工程技術(shù)資源中心
- “扒開(kāi)”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠(chéng)邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國(guó)電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車(chē)規(guī)與基于V2X的車(chē)輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車(chē)安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車(chē)模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車(chē)用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門(mén)搜索
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢(mèng)想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測(cè)試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
偏轉(zhuǎn)線圈
頻率測(cè)量?jī)x
頻率器件
頻譜測(cè)試儀
平板電腦