寬帶微波毫米波信道測量及數(shù)據(jù)傳輸硬件平臺的研究.pdf

1、隨著第五代移動通信(5G)研究的廣泛開展，作為5G核心技術之一的毫米波大規(guī)模MIMO技術受到廣泛的關注。該項技術結合了毫米波通信技術與大規(guī)模MIMO技術，優(yōu)點突出:更大的信道帶寬可以使用戶更容易獲得幾十GBPS的傳輸速率;波長短、天線陣列尺寸小可以更容易實現(xiàn)大規(guī)模MIMO技術。
　　MIMO技術應用的基礎是無線通信特性，信道模型是關鍵。在毫米波頻段，由于其尚未被廣泛應用，并且昂貴的測試設備和極少的測試手段匱乏且昂貴，所以毫米波頻段

2、MIMO信道模型遠不如低頻段成熟。信道測量和建模的基礎就是信道測量平臺，測量平臺的性能直接決定了測量的范圍、測試的手段和結果建模的準確性。同時，毫米波頻段帶寬寬，傳輸速率更高，需要更高速的基帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。因此，本論文先設計了一系列超高速數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在此基礎上研制了一套毫米波頻段的寬帶MIMO信道測量平臺。研制的測試平臺，也成功地用于毫米波大規(guī)模MIMO通信試驗網(wǎng)中。
　　本論文的主要工作如下:
　　第一章，緒論描述了

3、相關領域的研究背景，研究現(xiàn)狀以及論文的研究目標和主要內(nèi)容。
　　第二章，論文首先研究了MIMO信道優(yōu)勢，信道建?；炯夹g，信道特性基本參數(shù)。通過對現(xiàn)有技術的研究，得到未來毫米波信道測量系統(tǒng)所需采用的測量技術以及所要研究的目標。論文總結了一般性信道測量方法包括了大尺度衰落的測試方法以及小尺度衰落的測試方法。信道測量系統(tǒng)架構主要取決于收發(fā)信機的結構以及接收機采樣方案。為了滿足多種測試方法的需求，結合毫米波信道測量硬件平臺的系統(tǒng)指標給出

4、了系統(tǒng)方案設計，包括了各模塊劃分以及硬件設計。
　　第三章，針對于大規(guī)?；鶐?shù)據(jù)傳輸，本文設計實現(xiàn)了多種模擬基帶數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，這些模擬基帶處理單元分別應用于多種無線通信場景。3D-MIMO場景與混合波束形成場景中的模擬基帶處理單元的數(shù)據(jù)碼率為30.72 MSPS，支持20 MHz信號帶寬。混合波束形成場景中的模擬基帶處理單元具有多種外部控制接口，可以在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r高速控制矢量調制器模塊，用于直接調制射頻信號，實現(xiàn)模擬波束合成

5、的功能。Qlink-Pan45 GHz場景的模擬基帶處理單元可以支持540 MHz信號帶寬，采樣率達到660 MHz。這些模擬基帶數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)可擴展性強，結構緊湊，集成了多路收發(fā)轉換以及控制功能，具有支持射頻帶寬寬，支持數(shù)字速率高的優(yōu)點。
　　第四章，實現(xiàn)多通道射頻系統(tǒng)離不開射頻系統(tǒng)關鍵硬件模塊，本文主要研究了3個新型硬件模塊，單個圓形腔SIW四模濾波器，Ku波段可調圓形腔SIW濾波器以及動態(tài)柵極偏置高效功率放大器。四模濾波器

6、能有效地減少PCB的面積，減小整體的規(guī)模，具有面積小，帶寬寬的特點?？烧{濾波器是最先提出的機械式可調SIW濾波器，區(qū)別于電調諧方式，機械式調諧具有連續(xù)線性化調諧的能力。連續(xù)可調的優(yōu)點能夠使濾波器方便的應用于不同場景，更靈活的調試。動態(tài)柵壓偏置的功放可支持的信號帶寬達到184.32 MHz，與傳統(tǒng)A類功放相比，動態(tài)柵壓偏置可以增加系統(tǒng)的效率和線性度，在不降低信號質量的情況下提高A類放大器的效率。
　　第五章，毫米波信道測量硬件平臺由

7、于要支持毫米波頻段海量數(shù)據(jù)傳輸，需要有可支持大規(guī)模的基帶數(shù)據(jù)傳輸功能的處理單元。該處理單元可以實現(xiàn)單元內(nèi)FPGA與模擬數(shù)字轉換芯片間的高速傳輸，同時實現(xiàn)與近端數(shù)字信號處理器DSP之間的高速傳輸。傳輸采用Aurora協(xié)議，利用光纖通信，可以在很遠的物理距離上進行數(shù)據(jù)傳輸。作為數(shù)據(jù)傳輸硬件平臺，該系統(tǒng)支持多路同步傳輸，同時支持多端口的數(shù)據(jù)控制，以及多種外部接口。該結構與傳統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的區(qū)別在于板內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是基于高速串行協(xié)議JESD

8、204B以及它的硬件接口實現(xiàn)的。該接口支持確定性時延，可以更有效的保證同步，單個路徑支持10 GBPS數(shù)據(jù)傳輸速率，可以減少FPGA外圍連線數(shù)量。為了實現(xiàn)實時多通道數(shù)據(jù)采樣及測量，論文實現(xiàn)的毫米波信道測量硬件平臺是一個瞬時多通道結構的毫米波MIMO系統(tǒng)。相對于采用替代式實現(xiàn)MIMO信道測量平臺的結構，瞬時多通道的結構更靈活、性能更高，同時，難度也最大，尤其是需要單通道高性能、多通道同步性、多通道一致性。本課題克服了局部技術，整體結構，海

9、量數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g難點，所實現(xiàn)的硬件平臺鏈路測試結果滿足指標，與天線一起實現(xiàn)了OTA測試，能夠在PC端完美解碼。射頻頻率28 GHz，信道帶寬500 MHz，支持4×4 MIMO收發(fā)系統(tǒng)，可用于未來的毫米波通信。同時，本系統(tǒng)實際應用于5G毫米波大規(guī)模MIMO數(shù)字多波束系統(tǒng)，與其他采用混合波束賦形技術和多波束天線技術的系統(tǒng)相比，具有最優(yōu)的靈活性和性能，系統(tǒng)實驗的復雜度和難度也最高。
　　第六章，本文結合毫米波信道測量硬件平臺進行了室內(nèi)

10、毫米波MIMO信道測量，實驗研究了毫米波MIMO-OFDM系統(tǒng)的性能和統(tǒng)計特性。先獲得直視路徑和非直視路徑的脈沖響應矩陣，再計算路徑損耗和陰影衰落模型。采用高定向天線測試了室內(nèi)均方根時延擴展，計算了寬帶信道容量以及實驗的吞吐量。同時還與現(xiàn)有的其他信道測量硬件平臺做了比較，本課題所研制的信道測量平臺具有幾個優(yōu)點:第一，瞬時多通道系統(tǒng)有助于更方便地進行測量活動，每個通道的APC和AGC的獨立控制，可以利用算法來提高通道容量;第二，開發(fā)的基帶