5G毫米波信号发生器平坦度校正算法*
2022-07-12江丹
江 丹
（1.中电科思仪科技（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233050；2.电子仪器技术蚌埠技术创新中心，安徽 蚌埠 233050）
0 引言
随着5G商业化进程的进一步推进，人们对大带宽高速率的需求促进了面向毫米波通信技术的研究[1,2]。毫米波可以提供每秒数G比特的数据传输速率[3]，因此成为5G的高频段关键候选波段[4,5]。当前，毫米波通信关键器件是目前毫米波通信发展的核心与关键所在。毫米波通信全固态电子链路关键器件已经在无线传输中得到广泛应用，但也存在一些不足，如工作带宽大导致收发链路带内平坦度指标恶化等，这些问题已经成为限制其应用的主要因素[5]。文献[6]、文献[7]、文献[8]和文献[9]提出利用均衡器粗调的方式来改善带内平坦度的方法，但其针对毫米波频段平坦度的改善能力有限。
本文提出一种平坦度校正方法，该方法在训练模式下，通过采集发射多音信号，收集该信号获取频率响应参数，并基于频率采样法[10]设计相应的补偿滤波器。补偿模式下，将滤波器系数导入基带滤波器中，可以显著提高毫米波信号发生器平坦度的性能。
1 平坦度校正方法
带内平坦度ΔG指的是功率放大器增益变化的范围，其具体定义为带内功率曲线的最大值Gmax与最小值Gmin的差值，其表达式为：
平坦度校正分为训练模式和补偿模式两步进行：训练模式通过发射多音信号来计算带内频率响应，并计算出补偿滤波器系数；补偿模式利用该系数对宽带信号进行实时补偿。图1为平坦度校正方案整体架构。
图1 平坦度补偿实现方案
2 补偿滤波器设计
2.1 多音信号设计
在200 MHz带宽内，设计M=63的多音信号，每个单音的频域间隔为30 MHz，其M点频率响应Gc(k)为：
2.2 补偿滤波器设计
将多音信号调制到25 GHz频点并发射，接收端采用245 MHz采样率进行采样，得到M点频率响应Hc(k)。则M点补偿滤波器的频率响应为其中Hp(k)为理想频率响应。
设h(n)为M点补偿滤波器的脉冲响应，H(k)是M点离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT），其系统函数为：
式中：ω为弧度；z为复变量。取z=ejω，则有：
并有：
补偿滤波器系数为：
2.3 平坦度补偿
设原始宽带信号为x，利用2.2节的计算的系数对x进行补偿，计算方式为：
3 仿真与实测结果分析
为了验证所提算法的补偿性能，本文分别从仿真和实测两个方面对带内平坦度的补偿效果进行评估，其中发射信号采用2 GHz带宽的正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）信号。
3.1 算法仿真
仿真参数和对应的值如表1所示。
表1 仿真条件
误差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）定义为：
式中：Z(t,f)为实际信号矢量；I(t,f)为理想信号矢量。
3.1.1 平坦度对比
根据2.2节生成的补偿滤波器系数，对实际的200 MHz带宽信号进行算法补偿，图2与图3分别给出了补偿前后平坦度曲线对比。从中可以看出进行算法补偿后，在不改变时域信号功率的前提下，平坦度指标由最初的±1 dB提升到±0.2 dB以内。
图2 未补偿时域与平坦度
图3 补偿时域与平坦度
3.1.2 解调结果对比
采用1 000次蒙特卡罗仿真方法，对比不同信噪比下补偿算法对解调结果的影响。
从图4可以看出，在不同信噪比下，补偿前后信号的解调EVM趋向一致，也就说明平坦度补偿并不影响信号的解调精度。
图4 补偿前后解调EVM
3.2 平台实测
硬件平台采用Xlinxi FIR Compiler IP核，对基带信号进行平坦度补偿。将补偿滤波器系数导入基带，利用分析仪对平坦度指标进行对比。
3.2.1 平坦度对比
在25 GHz频点发射带宽为200 MHz的OFDM信号，实时采集15 ms数据，图5与图6分别表示补偿前后时域信号与平坦度的实测结果。
对比图5和图6，可以看出，未进行补偿前，平坦度在±1 dB以内波动。补偿以后平坦度保持在±0.2 dB以内。
图5 未补偿时域与平坦度
图6 补偿后时域与平坦度
3.2.2 解调结果对比
基带信号采用16QAM调制方式，在信噪比为20 dB的情况下，利用分析仪对EVM结果进行对比，如图7和图8所示。
从图7与图8实测结果可以看出，补偿算法在修正平坦度指标的同时对解调结果无影响。
图7 未补偿解调EVM与星座图
图8 补偿后解调EVM与星座图
4 结语
本文针对毫米波频段功放非线性增益引入的平坦度指标恶化问题，提出了一种基于频率采样法的幅度校正算法。该算法通过实时计算带内补偿因子的方法对恶化信号进行修正。仿真和实测结果表明，所提算法在不影响解调指标的情况下，能够显著改善带内平坦度的性能。
