毫米波5G移动通信系统射频接收前端分析

董雪松

摘要：文章以毫米级5G移动通信系统射频接收前端为研究对象，首先简单介绍了与5G通信密切相关的一些关键技术，随后从射频接收机主要性能指标、系统设计方案、测试等角度入手，来对围绕毫米波大规模MIMO接收机前端的设计与实现进行了系统的研究与分析希望能够为相关研究提供一定参考。

关键词：移动通信;毫米波;超外差接收机

中图分类号：TN929.5  文献标识码：A  文章编号：1672-9129（2020）02-0041-02

Abstract： the article to the millimeter level 5 g system for mobile communications radio frequency receiving front-end as the research object， first introduced some key technologies are closely associated with 5 g communication， key performance indicators， then from rf receiver system design， testing and other aspects， to around the millimeter wave mass MIMO receiver front-end has carried on the design and realization of the system analysis of the research and hopes to provide certain reference for related research.

Key words： mobile communication; Millimeter wave; Superheterodyne receiver

前言：随着5G技术无线网络技术逐渐应用发展成熟，当下针对各种毫米波器件的研发以及5G移动通信系统的搭建等也取得了良好的发展与进步，有效扩展了网络通信技术应用场景，为人们之间的通信带来更多便利。通过对毫米级5G移动通信系统射频接收前端进行探讨分析，对于推动5G通信技术更好的进行应用推广有着重要的现实意义。

1   5G移动通信关键技术概述

当前5G移动通信主要包含以下几种关键技术：

一是大规模多输入多输出技术（MIMO技术），该技术天线阵列规模更大，因此实际发射功率会更低，并且还能够有效降低各种杂乱信号的干扰，使得信息输出更加稳定。

二是毫米波技术。当前低频段的频谱资源利用已经饱和，而与之相对应的是高频段资源仍有着充足的开发利用空间，因此利用毫米波技术，更有助于帮助5G通信进行高频段品频谱资源的利用，有效提升5G通信的稳定性[1]。

三是滤波器组多载波技术（FBMC技术），该技术能够在发送端，通过采用合成滤波器组的方式来实现多载波的调制同时在接收端来对滤波器组进行深度的分析实现多载波的解调。

2  毫米波大规模MIMO接收机前端

2.1射频接收机主要性能指标

射频接收机主要性能指标包含以下几种：

一是噪声系数。总输出噪声功率与信号噪声输出功率之比可以用噪声系数F来进行表示。若是多模块级联系统，可以采用以下公式进行噪声系数计算：

Ftotal=F1+F2-1GA1+F3-1GA1GA2+...，+Fn-1∏n-1i=1GAi（1）

在（1）式中，Fn表示的是在级联系统中，第n级的所具备的一种噪声系数，GAi表示，在级联系统中，第i级存在的增益效果。从上述公式中我们能够认识到相较于级联系统，在后级噪音方面对整体噪音系数的影响，前级噪音对系统整实现自适应学习的廣泛实施，进而促进云计算教育的公平性，为学生和教师提供工具，根据他们的学习需求将计算资源分发到教学站点和实验室;促进人机协作，即教师作为组织者、评价员和教授的某些身份将与智能机器进行划分和协调。比如，教师可以通过安装过的软件按照需求建立虚拟机，从而迅速建立计算实验室。云计算将上传孤立的教育资源并存储在云服务器的实时服务5G+AI中，帮助教育实现5G+智能技术前沿的公平、个性化和智能探索：在“智能+”时代创造智能教育新的生态等。

体噪音系数的影响更大，更能够决定整个噪音系数的高低。

二是接收机灵敏度。这一指标具体表现如下含义，接收机在实际进行运行时，在信号输入方面，属于一种最低的输入信号强度。与此同时，该项指标还与其他一些指标有着千丝万缕的联系，比较常见的指标内容有：宽带指标、噪声系数指标、信号调制指标等。在正常情况下，如若一般宽带存在一定的差异性，那么比如会对系统噪声功率带来一定程度的影响，最终会对接收机灵敏度也会带来一定的影响。具体计算公式如下：

S=-174dBm/Hz+F+10lgB+SNR（2）

在（2）式中，S表示接收机灵敏度，F表示系统噪声系数，B表示宽带，SNR表示最低可检测信噪比[2]。

三是通频带。对于实际接收的信号而言，通常会存在于频域之中，不仅如此，这种信号还会对宽带信号进行一定程度的占用。通常需要立足于整个频段，针对一些有用信号，需要全盘进行接收，才如此一来，才能够保障信号的真实稳定性，有效避免信号出现失真问题。同时在接收机系统之中，还存在一种通频带，对于这种宽带而言，本身不能够太窄，否则会对宽带信号的传输造成严重的阻碍。最终会对通信号传输真实稳定性带来不利的影响。但我们也应注意到，这并不意味着通频带越宽越好，究其原因在于，在宽带与噪声功率之间，二者是之间的关系是正比关系，因此如果通频带的宽度超出了一定限制，同样会导致噪声功率无法控制，使得系统整体噪声过大，不利于系统稳定顺利的运行。

2.2系统设计方案

一是零中频接收方案。对于该方案而言，受自身自身没有中频的现象所影响，那么射频信号本身不会出现特别的变化，可以将其与镜像频率等同在一起，因此在这一情况下，就不需要再考虑镜像频率干扰问题，因此也就不需要在其中应用镜像抑制滤波器，能够有效提升系统的集成度。但该方案仍具备本振泄露、偶次失真干扰等缺陷问题。

二是超外差接收方案。该方案在实践过程中应用最为广泛。在方案具体实施方面，针对信号传输，需要先改变其频率，比如在变频技术的帮助下，使其变成中频的信号，然后在信道之中，还需要进行滤波的选择，针对转变后的中频，也需要作进一步的放大。

三是单通道设计方案。为有效解决镜像频率干扰问题，通过采用单通道设计方案，在低噪声放大器的帮助下，将射频信号利用正交耦合器分为两路幅度与频率均相同的正交信号并信号分别与本振实信号进行下变频，在正交耦合器的帮助下，成功将上述两路信号合为一路，因此能够对镜像频率干扰进行有效的抑制[3]。

2.3芯片选择

一是射频芯片选择。由于系统前级器件的噪声系数对系统的总噪声系数影有着较大影响。因此需要做好低噪声放大器噪声系数的控制。同时在选择芯片时还需要考虑镜像频率干扰的影响，因此应选择镜像抑制度较高的芯片。

二是中频放大器芯片的选择。由于系统链路后级对系统整体IIP3与OIP3有着更大的影响，因此在选择频放大器芯片时，应充分考虑IIP3与OIP3等非线性度指标的影响。同时还需要注重考虑中频放大器的增益和増益平坦度，才能确保后续解调器正常工作。

三是本振放大器芯片的选择。一般情况下，功率分配网络传输线均较长，并且对于高频信号而言，在实际传输过程中，很容易受到各种参数因素的影响，比如微带线敷铜粗糙度等，因此在实际运行中，所带来的损耗必定也非常大，因此在选择振放大器的过程中，应选择大功率类型并且还要考虑1dB压缩点等限制芯片饱和功率的非线性指标。

3  接收机前端系统单通道测试

一是增益平坦度测试。在增益平坦度比较差通常会导致会宽带信号时域波形失真。通过将射频信号的功率统一设置为-24dBm;本振信号功率则统一选择9dBm。然后在信号源E8267D扫频功能的帮助下，产生相应扫频信号，该信号中心频率为42GHz，带宽100MHz，以保证中频带宽维持在100MHz。然后固定射频频率为42GHz，同样利用信号源E8267D产生的扫频信号，该信号中心频率19.4GHz，带宽50MHz以保证中频带宽维持在100MHz。最后在信号分析仪N9030A的帮助下，完成了扫频频谱的观察。从最终测试结果来看，在射频信号中心频42GHz、本振信号中心频率为19.4GHz的条件下，对射频信号扫频时可以在中频100MHz带宽内实现0.4dB的增益平坦度;对本振信号扫频时能够在在中频100MHz带宽内实现低至0.1dB的增益平坦度，由此说明毫米波接收机前端系统单通道有着良好的增益平坦度[4]。

二是系统1dB压缩点测试。在实际测试时，文章采用采用信号源E8267D产生一个功率較低的射频信号，再用与信号源E8257D产生一个能够使系统正常工作的本振信号，然后在信号分析仪N9030A帮助下在中频段观察整个接收机前端系统的增益。通过不断射频输入信号的功率一直到系统增益与刚开始小信号输入时的系统增益差1dB，此时的射频输入信号即为输入1dB压缩点。通过采用上述测试方法，在射频频率为42GHz、本振频率为19.4GHz的条件下输入1dB压缩点进行测试，具体测试结果如图一所示。从图中我们能够认识到在射频输入信号频率为42GHz、本振频率为19.4GHz的条件下，1dB压缩出现在射频信号源输出功率-3.2dBm。

结束语：综上所述，在物联网技术的发展过程中，离不开5G移动通信技术的支持，如今随着很多5G关键技术逐渐应用成熟，比如毫米波技术、MIMO技术等，从而使得5G进入商用成为可能。文章在简单介绍了与5G相关的关键技术后，对毫米波大规模MIMO接收机前端系统设计与实现进行了讨论分析，并对系统部分指标进行了测试，希望能够为相关研究提供一定的参考。

参考文献：

[1]袁涛. 毫米波5G移动通信系统射频接收前端研究[J]. 信息通信， 2019（008）：200-201.

[2]蓝骥. 宽带毫米波通信接收前端的研究[D]. 2015.

[3]朱月月. 毫米波5G移动通信系统射频发射前端研究[D]. 2016.

[4]陈继新. Q波段5G毫米波射频前端研究[C]// 2017年全国微波毫米波会议论文集（中册）. 2017.