毫米波5G接收机多速率数据设计与研究

摘 要：针对5G毫米波通信宏基站、微基站等设备的研发、生产、预认证、维修保障等测试需求，设计一款可应用于“5G新基建”通信设备产业链多环节所需仪表的高效多速率信号接收机处理模块。采用先进的并行多相滤波技术和任意速率比FFT处理技术，基于FPGA算法平台实现毫米波5G接收机多路信号接收时域/频域并行变速率处理逻辑电路，提高5G复杂波形接收机信号解析的实时性。实验结果表明，该电路能高效完成5G复杂波形接收机信号的时域/频域解析，适合作为毫米波5G接收机多速率数据处理实施方案，满足毫米波5G接收机的功能设计要求。

关键词：FPGA；5G；毫米波；接收机

目前，在毫米波5G分析仪方面，主要以罗德与施瓦茨（R&S）、是德科技等为代表，其频率范围可达到43.5 GHz以上，带宽2 GHz，以超外差变频方式产生模拟中频信号输出，EVM指标优于3.0%，其基带数字信号处理方式以高性能嵌入式硬件加速器为主。国内毫米波5G测试仪以中电科思仪为代表，频率范围、分析带宽、EVM解调指标与国外水平相当，但其基带数字信号处理方式以FPGA处理平台为主。以国家“5G新基建”政策为引领，为推动国产关键核心器件、基站、终端等设备功能、性能、可靠性等指标进一步提高，依据行业标准和厂家测试需求，研究毫米波5G信号测试方法，在毫米波5G技术验证、通信器/部件研发、5G基站外场测试等领域填补了国内空白，实现了国产化毫米波5G测试仪开拓性创新。[1-2]

1 方案设计

本设计的“并行多相技术和任意深度FFT处理技术”方案[3-4]主要完成目标是：

1） 实现5G NR大带宽信号数据速率高效转换；

2） 采用“任意处理深度”FFT频域信号分析。

1.1 多速率采样原理方案[5- 6]

1.2 多速率重采样原理方案[7- 8]

数字信号的重采样即多速率信号处理，其定义为把1个数字信号采样率从某个固定采样率变换成另一种不同采样率的过程。在5G NR大带宽接收机设计过程中，由于物理层时频资源配置不同会导致信号BWP带宽不同，必然会采用重采样技术进行数字信号处理。其中，信号抽取定义为降低信号采样率；信号插值定义为提高信号采样率。

一般来说，5G NR大带宽信号A/D采样带宽远远超过实际OFDM信号处理带宽，此时基带信号严重处于过采样状态，为满足后级解调处理，通常采用抽取来降低数据采样率，进而降低信号信息的冗余度以便后级处理。当釆样率刚好是信号传输速率的整数倍时，通过整数倍抽取就可以降低数据率，这种结构的实现相对容易。但当采样率不是信号传输速率的整数倍时，就涉及到一个分数倍重采样的问题了。此时，需要构建分数倍重采样滤波器组，即先插值后抽取。由插值和抽取级联构成的分数倍抽取方案，如图2所示。

综上所述，在数字信号处理中改变数字采样率，采用先进行插值后进行抽取，可以避免造成频率混叠。抽取时原始信号的频谱被周期拓展，如果原始信号最高频率大于抽取之后采样率的50%就会发生混疊。插值也会让频谱周期拓展，但由于输出信号点数增多，所以频率分量只是周期存在，不会发生混叠。为此，无论是抽取还是插值，后面都需要进行1次数字滤波。根据插值、抽取等效变换，可以节省1个重采样滤波器。

1.3 基于FPGA分数倍抽取实现方案

根据以往所掌握的知识和技术，基于直接型数字滤波器的采样率转换器尽管可显著降低运算复杂度，但由于其具有以较高的采样率对延时状态变量寄存器进行控制，导致插值运算器中必须用较高的运算频率，增加FPGA的功耗同时也带来电路的不稳定。为解决这一难题，我们采用改进的S/P和P/S转换器构建FPGA的多项数字滤波架构。具体架构图如图4所示。

该转换器（数字滤波器）具有如下特点：

● 全部与零的加法、乘法全部省略；

● 系统运算都是以低于输入或输出采样率进行计算；

● 全部信号处理采用块运算架构；

● 数据计算潜伏时间最小。

1.4 任意深度FFT实现方案

2 测试结果

基于5252D基站测试仪硬件平台进行数据采集处理，对比测试仪器R&S FSW宽带矢量信号分析仪。

FSW为对标仪器，验证本文的方案可行性，图6为测试验证环境，对ACLR、SEM等核心5G接收指标进行测试。

表1表示5252D基站测试仪硬件平台和FSW宽带矢量信号分析仪在ACLR和SEM等技术指标的对比测试。

图9为构建的毫米波接收机测试验证环境，激励信号源为R&S SMW200A矢量信号发生器，该仪表最高支持频率44 GHz毫米波频段，带宽2 GHz。测试时SMW200A发送5G NR PDSCH信号，5252D和FSW同时进行ACLR和SEM指标测试。

图7、图8分别为5252D和FSW在5G NR PDSCH 100 MHz信号信道带宽ACLR测试准确度的对比。

图9为5252D的频域SEM计算数据实测结果（含全扫宽）与图10 FSW实测结果在5G NR PUSCH 100 MHz信号信道带宽SEM测试准确度的对比。

3 结束语

电路方案设计基于多速率采样原理、多速率信号重采样原理、FPGA平台分数倍抽取方案和任意深度FFT处理方案，采用多相并行FPGA滤波数字信号处理技术和改进的基带FPGA逻辑电路，基于大带宽、高采样率A/D和高性能FPGA芯片，設计一款满足毫米波5G接收机的功能信号分析装置，为研制提供了一种崭新的可实施方案。

参考文献：

[1] 白宝明，马啸，陈文，等.面向B5G/6G的信息传输与接入技术专题序言[J].西安电子科技大学学报，2020，47（6）：1-4.

[2] 张黎明.毫米波5G NR信号OFDM技术研究与实现[J].电子测量技术，2020，43（22）：146-149.

[3] 李恩琦，龚小竞， 朱卫华，等.基于FPGA的分数倍抽取滤波器的改进设计与应用[J].南华大学学报（自然科学版），2020，34（1）：52-59.

[4] 都赟赟，程敏敏，卢圣龙等.基于FPGA的毫米波数据传输系统的实现[J].通信技术，2020，53（7）：1645-1651.

[5] 黄世锋，陈章友，张兰等.多通道雷达数字接收机数字下变频设计[J].电子技术应用，2016，42（6）：46-48；55.

[6] 刘晟.数字变频链路中多采样率滤波器研究[J].通信技术，2019， 52（9） ：2081-2086.

[7] 李飞，冯晓东，李华会，等.可变带宽数字下变频的设计与FPGA实现[J].电子技术应用，2016，42（4）：35-38.

[8] 谢海霞，孙志雄.多速率信号处理系统设计与实现[J].电子设计工程，2018，26（18）：132-135.