毫米波收发器系统硬件介绍（一）

概览

无线技术已无所不在。 现在能连接无线的新型无线设备越来越多，其消耗的数据量与日俱增。 无线设备的数量与数据消耗量每年都以指数级增加。 为了满足此类需求，许多机构都在研究新型无线技术，以完善现有的无线架构。 为了达成这个目标，世界各地的无线标准化组织共同展开了一项艰巨的任务，那就是定义新一代无线网络系统，也称为5G。 5G网络的三大应用情境包含： 增强型移动宽带(eMBB)、大规模机器通信(mMTC)与超可靠机器通信(uRMTC)。 
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上述三大应用情境可分别用于满足不同的需求，例如eMBB的重点在于峰值数据传输率，而uRMTC则侧重于降低延迟。 由于需求十分多样，单一特定技术无法满足全部需求，因此5G将会是多种全新技术的合体。 尤其是对于eMBB应用场景，研究人员需要将峰值数据传输速率提高到4G网络的100倍以上，而6 GHz以下的可用频谱已经极其有限了。 经实践证明，数据速率与可用频谱直接相关，而根据香农定理指出，容量是带宽（即频谱）和信道噪声的函数。 因为6 GHz以下的频谱几乎已分配完毕，所以针对eMBB的应用情境，研究人员必须转向6 GHz以上的频谱，研究毫米波领域。

目录

1. 毫米波软件无线电(SDR)的需求

2. 毫米波通信系统原型验证

3. 毫米波收发器系统硬件

4. 系统配置选项

5. 总结

1. 毫米波软件无线电(SDR)的需求

世界各地的服务运营商为了服务客户，已在频谱上花费了数十亿美元。 6 GHz以下频谱居高不下的拍卖价格，便凸显了市场的高度竞争与珍贵资源的缺乏。 如先前所述，根据香浓定理，数据传输速率与容量的提升均受频谱所限。 频谱范围越广，数据传输率也越高，这样服务运营商不仅能服务更多用户，还能提供更一致的移动宽带数据传输体验。 而毫米波频谱不仅非常充裕，而且只需稍微经过授权就能使用，因此世界各地的运营商都能够利用毫米波。 而采用mmWave所面临的挑战，主要在于此频谱还有许多未知内容，没有经过完整研究，还有尚未解决的技术问题。

为了利用毫米波来实现5G网络，研究人员必须开发新的技术、算法和通信协议，因为毫米波信道的基本性质与当前的蜂窝模型截然不同，并且是相对未知的。 建立毫米波原型的重要性再怎么强调都不过分，尤其是在时间如此紧迫的情况下。 建立毫米波系统原型可演示某项技术或概念的可行性，这是仿真无法做到的。 毫米波原型能够在多种情境下进行无线实时通信，有助于揭开毫米波信道的神秘面纱，并推动该技术的应用与普及。

图1: 3GPP与IMT 2020所定义的三种高级5G应用场景

为了达成此项目标，NI推出全球首台实时毫米波原型验证系统，旨在帮助工程师与研究人员快速对毫米波系统进行原型验证。 NI毫米波收发器系统结合了灵活的模块化硬件与强大的应用软件，是一款适用于毫米波应用的SDR。 由于毫米波收发器是一款完整的SDR，软硬件都具有完整功能与模块化特性，因此研究人员能够快速布署他们的设计，并使用软件进行快速迭代，不断优化其设计。   

2. 毫米波通信系统原型验证

创建完整的mmWave通信原型时会面临多种难题。 假设有一个可处理数GHz通道的基带子系统。 目前多数LTE实现皆使用10 MHz通道（最高20 MHz），而计算负荷会随着带宽线性增加。 换句话说，计算能力必须以100倍甚至更多的倍数增加才能解决5G数据速率需求。 LTE涡轮解码器所使用的算法不仅需要大量的计算资源，还需要高性能计算软件才能实时处理数据。 FPGA为这些计算提供了理想的硬件解决方案，对于超宽带涡轮解码，FPGA是不可或缺。

尽管FPGA是毫米波原型验证系统的核心元件，但设计出能处理数GHz通道的多FPGA系统将使系统更加复杂。 为了解决系统复杂度与软件挑战，NI提供了毫米波物理层的源代码，涵盖了毫米波系统基带的基本原理，并且抽象了在多个FPGA之间移动和处理数据的过程，从而简化了工作难度。  

FPGA仅为毫米波原型验证系统的一部分。 数据必须能够在数字域之间移动，以便进行处理，还需要在模拟域之间移动，以便信号能够无线收发。 DAC与ADC技术的发展使得目前已能捕获1至2GHz的信号。 市场上有些毫米波频率的IC。 这些IC可连接至毫米波收发器系统的ADC与DAC进行评估，然后执行原型验证工作。 然而，RFIC无法提供信道探测或通信原型验证所需的高功率输出或RF品质。 为了集成更高的功率与更高品质的RF，需要通过IF级将信号上变频至12 GHz。 最后再将毫米波无线电站连接至IF模块。 如果想要从头开始，开发原型验证系统的各个部分需要掌握各种设计专业知识以及拥有大量的工程资源。 每个部分的硬件设计都不容易，另外还需要开发用于控制与同步各级硬件的软件，这进一步增加了自定义设计的复杂性。 毫米波收发器系统提供了完整的原型验证解决方案，能够帮助工程师更快速从概念和算法设计过渡到原型验证。

NI提供4种现成的毫米波原型验证系统配置，下面将会详细介绍。 毫米波收发器系统基于PXIe平台，包含2 GHz带宽的基带处理子系统、2 GHz带宽的滤波中频(IF)级与LO模块，以及位于机箱外部的模块化毫米波无线电站。 系统框图如图2所示。

图2: 毫米波系统框图

模块化方法可通过增加或移除模块来满足各种通道和配置需求，从而实现了灵活的硬件平台。 用户可以选择使用完整的NI毫米波解决方案，或将将自己的射频设备集成至NI IF或基带系统。 用户还可使用相同的系统以及相同的IF和基带软硬件来开发不同频带的原型。 此系统还可从单向SISO系统扩展到双向MIMO系统，因而不仅适用于信道探测，也可进行并行收发来实现完整的双通道双向通信链路。 下面我们将进一步介绍各种系统组件与配置。 本文件不讨论针对特定应用的软件。

3. 毫米波收发器系统硬件

毫米波收发器系统是一个SDR平台，适用于构建毫米波应用，包含系统原型验证。 该系统为用户提供了灵活的硬件平台与应用软件来执行实时无线毫米波通信研究。 软件对用户开放，可根据研究需求变化进行调整，因此设计可以反复迭代和优化来满足特定目标或目的。

NI毫米波收发器系统内含PXIe机箱、控制器、时钟分配模块、FlexRIO FPGA模块、高速DAC与ADC、LO与IF模块和毫米波无线电台。 此模块可组装成不同的配置来满足不同毫米波应用的需求，例如信道探测、MIMO通信链路原型验证等等。 本文详细介绍了毫米波收发器系统所用的硬件，以及模块之间的交互。 如需详细的性能规格，请查看毫米波收发器系统的数据表。