如何升級(jí)通用軟件無(wú)線電外設(shè)到高頻5G毫米波頻段？

概述

通用軟件無(wú)線電外設(shè)（USRP）設(shè)備是用于射頻應(yīng)用的軟件定義無(wú)線電 (SDR)，USRP收發(fā)器可以發(fā)送和接收低于6GHz的射頻信號(hào)，可以廣泛應(yīng)用于多種應(yīng)用中，包括5G無(wú)線通信研究、雷達(dá)探測(cè)、算法開(kāi)發(fā)等，來(lái)進(jìn)行對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸和接收分析。

但USRP無(wú)法支持商業(yè)化的更高頻率的5G毫米波通信技術(shù)，購(gòu)買一臺(tái)新的毫米波儀器是非常昂貴的，所以需要考慮是否可以將現(xiàn)有的USRP進(jìn)行升級(jí)，讓現(xiàn)有的USRP用戶，可以繼續(xù)使用原有的軟件開(kāi)發(fā)資源。

毫米波儀器的高成本和獲取難度對(duì)其研究構(gòu)成了障礙，虹科USRP毫米波解決方案可以解決這一問(wèn)題。通過(guò)使用現(xiàn)有的低頻儀器升級(jí)到毫米波解決方案，毫米波研究人員可以用經(jīng)濟(jì)的成本和更短的時(shí)間幫助推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)毫米波5G通信的全面普及。

如下圖所示，一個(gè)完整的毫米波系統(tǒng)分為三部分，分別是基帶、上下變頻器和波束成形器。與sub 6通信系統(tǒng)不同，波束成形器已集成到整個(gè)通信系統(tǒng)架構(gòu)中，因?yàn)楫?dāng)使用毫米波頻段作為通信頻率時(shí)，信號(hào)在空中衰減非?？欤@就需要使用波束成形技術(shù)來(lái)增加信號(hào)強(qiáng)度，因此，波束成形器是毫米波通信的必要組成部分。

波束成形器也稱為封裝天線（AiP），它是一種可以在特定方向上進(jìn)行波束成形的天線，通常包含了陣列天線、PA、LNA、開(kāi)關(guān)和移相器。根據(jù)電磁波理論，通過(guò)調(diào)整天線元的相位輸出，可以在特定方向產(chǎn)生最大的電磁波能量傳輸，這就是波束成形的原理，如下圖所示。

將下圖USRP架構(gòu)圖和前面的毫米波系統(tǒng)架構(gòu)圖進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)USRP能夠作為一個(gè)完整的基帶硬件使用，此時(shí)USRP的RF端口就是毫米波儀器的中頻（IF）端口。使用虹科TMKTEK UD Box 5G作為輔助上下變頻器，經(jīng)過(guò)中頻信號(hào)到毫米波頻段的上下變頻，再加上波束成形器，就構(gòu)成了完整的毫米波硬件架構(gòu)。

但僅有的功能是不夠的，還需要確認(rèn)毫米波系統(tǒng)收發(fā)端的信號(hào)質(zhì)量，以確保它可以用于各種場(chǎng)景中，這里需要使用誤差矢量幅度（EVM）作為信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)。EVM用于量化無(wú)線電發(fā)射器或接收器性能，由理想發(fā)射器發(fā)送或由接收器接收的信號(hào)將在理想位置具有星座點(diǎn)。然而，各種問(wèn)題都可能導(dǎo)致實(shí)際星座點(diǎn)偏離理想位置，EVM是衡量偏離理想位置多遠(yuǎn)的指標(biāo)，噪聲、失真、雜散信號(hào)和相位噪聲都會(huì)降低EVM，因此，EVM提供了無(wú)線電接收器或發(fā)射器全方位的質(zhì)量測(cè)量。

解決方案

根據(jù)前面提到的概念，將所使用USRP和虹科上/下變頻器進(jìn)行構(gòu)建和測(cè)試。如下圖所示：

硬件安裝

虹科雙通道上/下變頻器有4個(gè)端口，兩個(gè)IF和兩個(gè)RF端口。這里把USRP射頻看成一個(gè)中頻信號(hào)，所以將USRP的發(fā)射端和接收端分別接在UD Box 5G的IF口上。由于UD Box 5G是雙向的，所以無(wú)需關(guān)注哪個(gè)端口連接Tx，哪個(gè)端口連接Rx。

接下來(lái)，將UD Box 5G的兩個(gè)RF端口連接到波束成形器上，完成基本的硬件架構(gòu)連接，最后，將二者連接到計(jì)算機(jī)上，如下圖所示，可以下載并安裝配套軟件，來(lái)通過(guò)GUI來(lái)配置設(shè)置。

軟件安裝

下載控制軟件并進(jìn)行安裝，安裝完成后繼續(xù)配置硬件設(shè)備，不需要運(yùn)行多個(gè)配置窗口，因?yàn)檐浖梢钥刂坪团渲枚鄠€(gè)UD Box設(shè)備。點(diǎn)擊“Scan Local Device”中的UD Box圖標(biāo)，進(jìn)入U(xiǎn)D Box 5G的配置設(shè)置。

需要確認(rèn)信號(hào)亮紅燈，表示UD Box 5G的PLL被鎖定，然后配置RF頻率、IF頻率（USRP的收發(fā)器頻率）、LO頻率（這里可以選擇 High-Side injection (HIS) 或 Low-Side injection (LSI) ①）和帶寬②，然后保存配置。

注：

① 由于LO和RF的頻率范圍均為24-44GHz，當(dāng)RF設(shè)置為最大值和最小值時(shí)，可能只能使用單側(cè)注入；

② 此設(shè)置幫助我們計(jì)算是否會(huì)出現(xiàn)諧波干擾，出現(xiàn)干擾時(shí)會(huì)以黃色字體表示警告；

③ UD Box 5G高級(jí)設(shè)置——參考源：100 MHz時(shí)鐘源，通道控制：開(kāi)/關(guān)，參考控制：時(shí)鐘開(kāi)/關(guān)，輸出電壓：開(kāi)/關(guān)。

測(cè)試

首先啟動(dòng)USRP收發(fā)器，以查看集成上下變頻器和波束成形器后的信號(hào)質(zhì)量，運(yùn)行LabVIEW，在項(xiàng)目名稱“LTE Design USRP RIO v19.5”下創(chuàng)建一個(gè)模板，然后單擊創(chuàng)建。

在出現(xiàn)的LTE Application Framework操作界面里設(shè)置USRP“RF TX Power”為5dBm，經(jīng)過(guò)上下變頻器的信號(hào)衰減、波束成形器的信號(hào)增益、空中衰減后，信號(hào)強(qiáng)度約為35dBm，星座圖和EVM都表明信號(hào)強(qiáng)度良好。

一旦測(cè)量并確認(rèn)信號(hào)準(zhǔn)備就緒，就可以控制波束成形器的波束成形角度，觀察并記錄信號(hào)強(qiáng)度和EVM的變化。這里的初始狀態(tài)，發(fā)射器和接收器之間的夾角為0°，GUI也設(shè)置為0°。

如果將發(fā)射器轉(zhuǎn)動(dòng)-30°，會(huì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?，EVM也變差：

這是因?yàn)榘l(fā)射端的能量沒(méi)有指向接收端，不是無(wú)線通信的理想狀態(tài)。使用波束形成器改變發(fā)射機(jī)的發(fā)射角度，將信號(hào)強(qiáng)度和EVM測(cè)量恢復(fù)到原始信號(hào)質(zhì)量：

總結(jié)

通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試，證明了這樣的毫米波升級(jí)方案是可行的，并且具有良好的信號(hào)質(zhì)量。此外，還可以使用波束成形器改變角度來(lái)提高無(wú)線通信的質(zhì)量，可以利用這套毫米波設(shè)備來(lái)模擬5G通信可能遇到的問(wèn)題，比如波束管理、波束算法、信道噪聲等。