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新一代移动通信标准致力于大幅提高数据传输速率

发布时间:2016/12/9 16:36:09 访问次数:10308

面向5g 移动通信系统的本振技术研究关键词:5g移动通信系统

时间:2016-12-09 13:55:46      来源:网络1 

51电子网公益库存:
74HCT4051D
74LVC1G175DBVTG4
74LVC1G175GN132
74HCT107D652
74HCT107D-Q100J
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74HC4051/74HC4052/74HC4053
74HC132D653
74F125D
74HC107DB112
74HC107DB118
74HC107D-Q100J

参考文献

[1] wilkinson e. an n-way hybrid power divider[j]. microwave theory and techniques, ire transactions on, 1960, 8(1):116 118.

[2] wu y, liu y, xue q, et al. analytical design method of multiway dual-band planar power dividers with arbitrary power division[j].

microwave theory and techniques, ieee transactions on, 2010, 58(12): 3832-3841.

[3] sironen m, qian y, itoh t. a subharmonic self-oscillating mixer with integrated antenna for 60-ghz wireless applications[j].

microwave theory and techniques, ieee transactions on, 2001, 49(3): 442-450.

引言新一代移动通信标准致力于大幅提高数据传输速率,大规模mimo 是5g 通信的关键技术之一,具有广阔的研究前景。在大规模mimo 应用场景下,利用数百根天线阵列使大量的终端用户同时共享频率资源,系统中存在多路收发信道,需要多路本振信号,对本振有了些额外的要求,因此本振系统的研究成为关键之一,设计是一个难点。如果本振与收发电路设计在一块电路板上,会加重本振泄露、射频串扰等问题,针对大规模mimo 系统的多通道设计,还会明显的增加电路板图尺寸与器件成本,为了提高性能、降低成本,我们研究外置的本振系统。本设计采用并行分配输出16 路射频本振信号,使得本振输出通道之间的隔离度高,输出信号一致性良好、相位噪声性能优异,特别是相位的一致,对于大规模mimo 技术做波束成型很有意义。

2 本振系统设计

本设计采用锁相环频率合成技术,pll 是一个负反馈环路,是可以实现相位自动锁定的控制系统,其输出信号与参考信号相位同步,由图1 可知pll 主要由鉴频鉴相器( pfd )、环路滤波器(lpf)和压控振荡器(vco)组成。

在环路带宽内,相位噪声主要取决于参考信号(ref)、分频器和pfd 的噪声,在环路带宽外,输出总的噪声主要取决于vco 自身的噪声特性。


较小的环路带宽能有效抑制杂散,抑制本振近端的相位噪声,但同时会增加锁相环的锁定时间,并且环路带宽外的相位噪声也有一定程度的恶化。值得注意的是,当环路带宽过大达到鉴相频率的1/10~1/5 时,锁相环会出现失锁现象。另外,当分频系数增加、鉴相频率降低时,近端相位噪声将会大大增加,因此减小分频系数、提高鉴相频率也是改善相位噪声特性的方法之一。

本设计采用adi 公司的频率合成器adf4113,为了得到更好的相位噪声特性,选用外置的vco — mini-circuits 公司的ros2536c-119+,它的频率输出范围和相位噪声均满足我们的要求。在pll 的设计中,为了获得稳定的vco 凋谐电压,lpf 起到了维持环路稳定性、控制环路带内外噪声、防止vco 调谐电压控制线上电压突变、抑制参考边带杂散干扰等重要作用,是pll 设计与调试的关键,本设计选用4 阶低通滤波器,设计为25khz 环路带宽。

功率分配器可将信号功率按照一定比例分配为几路信号,设计功分器首先要明确频率范围、功率容量、损耗以及隔离度等。多路等分wilkinson 功分器有两种实现的思路, 第一种方案是根据wilkinson 提出的n 路功分器方案[1],直接将一路

输入分成多路输出,在输出端跨接隔离电阻。这种方案在微带结构中并没有得到广泛的应用,因为隔离电阻需要跨接,这在平面电路形式制作上产生困难。第二种方案是采用阶梯式多节结构,即将二等分wilkinson 功分器串接在一起分成2n 路输出。为了得到更好的隔离效果,本设计功分器采用二等分wilkinson 功分器级联形式实现16 路分配。在版图设计中,重点对λ / 4微带线的形状、与50Ω特性阻抗线连接处的过渡进行了优化,实际上50Ω隔离电阻的位置也影响功分器的隔离度。

为了保证最后的输出功率满足系统需要,在功分网络中加入了低噪声放大器(lna)增大输出功率以满足需求,lna 按照最佳噪声匹配设计,并且需要在全频段上考虑放大器的稳定性问题。

3 测试结果与实物图

根据上面的四张实测结果图,可知频率源的相位噪声特性比较乐观,如果在电源处理上更加细致,可以进一步改善相位噪声指标。考虑到测试接的半截电缆线损,实际输出的功率约为-3dbm。实测lna 的增益稳定在13.5db 左右,四级功分插损约13.5db,基本与lna 的增益抵消,因此输出端的信号功率约为-3dbm。

该本振系统实现了16 路本振信号等功率输出,实测结果相位噪声小,功分器输出端口间隔离度高。我们使用频谱分析仪(agilent technologiesn9020a mxa)对频率源的相位噪声做了测量,参考频率源使用仪器自带的10mhz,直流稳压源采用agilent u8001a。


我们还用矢量网络分析仪( agilenttechnologies n5230a pna-l)对功分网络进行了测量,图10 为输入端的一分四功分网络实测结果,图11 为输出端的一分四功分网络实测结果。

测试方法为将输出端与后级隔开,并将三个输出端接50 欧姆负载到地,测试输入端与其中一个输出端的网络特性,由测试结果可知输入反射较小,插入损耗也让人满意,输出端的反射也较小。

为将输入端与前级隔开并接50 欧姆负载到地,选择任意两个端口接50 欧姆负载到地,测试另外两个端口的网络特性,上图所示为测试最差的一组结果,但是输出端口的隔离度仍然非常高,在大规模mimo 中,本振之间的隔离度直接影响了通道直接的干扰程度。

4 结论

本论文对本振几个关键指标进行了细致的考虑,重点部分在于降低频率源的相位噪声,提高功率分配器网络输出端口间的隔离度,保证输出信号的一致性良好。如果在收发射频板上设计4 路功分器或者8 路功分器,必要时配合低噪声放大器提高功率,可以满足64、128 路甚至更多路数的大规模mimo 系统对本振的要求。


面向5g 移动通信系统的本振技术研究关键词:5g移动通信系统

时间:2016-12-09 13:55:46      来源:网络1 

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参考文献

[1] wilkinson e. an n-way hybrid power divider[j]. microwave theory and techniques, ire transactions on, 1960, 8(1):116 118.

[2] wu y, liu y, xue q, et al. analytical design method of multiway dual-band planar power dividers with arbitrary power division[j].

microwave theory and techniques, ieee transactions on, 2010, 58(12): 3832-3841.

[3] sironen m, qian y, itoh t. a subharmonic self-oscillating mixer with integrated antenna for 60-ghz wireless applications[j].

microwave theory and techniques, ieee transactions on, 2001, 49(3): 442-450.

引言新一代移动通信标准致力于大幅提高数据传输速率,大规模mimo 是5g 通信的关键技术之一,具有广阔的研究前景。在大规模mimo 应用场景下,利用数百根天线阵列使大量的终端用户同时共享频率资源,系统中存在多路收发信道,需要多路本振信号,对本振有了些额外的要求,因此本振系统的研究成为关键之一,设计是一个难点。如果本振与收发电路设计在一块电路板上,会加重本振泄露、射频串扰等问题,针对大规模mimo 系统的多通道设计,还会明显的增加电路板图尺寸与器件成本,为了提高性能、降低成本,我们研究外置的本振系统。本设计采用并行分配输出16 路射频本振信号,使得本振输出通道之间的隔离度高,输出信号一致性良好、相位噪声性能优异,特别是相位的一致,对于大规模mimo 技术做波束成型很有意义。

2 本振系统设计

本设计采用锁相环频率合成技术,pll 是一个负反馈环路,是可以实现相位自动锁定的控制系统,其输出信号与参考信号相位同步,由图1 可知pll 主要由鉴频鉴相器( pfd )、环路滤波器(lpf)和压控振荡器(vco)组成。

在环路带宽内,相位噪声主要取决于参考信号(ref)、分频器和pfd 的噪声,在环路带宽外,输出总的噪声主要取决于vco 自身的噪声特性。


较小的环路带宽能有效抑制杂散,抑制本振近端的相位噪声,但同时会增加锁相环的锁定时间,并且环路带宽外的相位噪声也有一定程度的恶化。值得注意的是,当环路带宽过大达到鉴相频率的1/10~1/5 时,锁相环会出现失锁现象。另外,当分频系数增加、鉴相频率降低时,近端相位噪声将会大大增加,因此减小分频系数、提高鉴相频率也是改善相位噪声特性的方法之一。

本设计采用adi 公司的频率合成器adf4113,为了得到更好的相位噪声特性,选用外置的vco — mini-circuits 公司的ros2536c-119+,它的频率输出范围和相位噪声均满足我们的要求。在pll 的设计中,为了获得稳定的vco 凋谐电压,lpf 起到了维持环路稳定性、控制环路带内外噪声、防止vco 调谐电压控制线上电压突变、抑制参考边带杂散干扰等重要作用,是pll 设计与调试的关键,本设计选用4 阶低通滤波器,设计为25khz 环路带宽。

功率分配器可将信号功率按照一定比例分配为几路信号,设计功分器首先要明确频率范围、功率容量、损耗以及隔离度等。多路等分wilkinson 功分器有两种实现的思路, 第一种方案是根据wilkinson 提出的n 路功分器方案[1],直接将一路

输入分成多路输出,在输出端跨接隔离电阻。这种方案在微带结构中并没有得到广泛的应用,因为隔离电阻需要跨接,这在平面电路形式制作上产生困难。第二种方案是采用阶梯式多节结构,即将二等分wilkinson 功分器串接在一起分成2n 路输出。为了得到更好的隔离效果,本设计功分器采用二等分wilkinson 功分器级联形式实现16 路分配。在版图设计中,重点对λ / 4微带线的形状、与50Ω特性阻抗线连接处的过渡进行了优化,实际上50Ω隔离电阻的位置也影响功分器的隔离度。

为了保证最后的输出功率满足系统需要,在功分网络中加入了低噪声放大器(lna)增大输出功率以满足需求,lna 按照最佳噪声匹配设计,并且需要在全频段上考虑放大器的稳定性问题。

3 测试结果与实物图

根据上面的四张实测结果图,可知频率源的相位噪声特性比较乐观,如果在电源处理上更加细致,可以进一步改善相位噪声指标。考虑到测试接的半截电缆线损,实际输出的功率约为-3dbm。实测lna 的增益稳定在13.5db 左右,四级功分插损约13.5db,基本与lna 的增益抵消,因此输出端的信号功率约为-3dbm。

该本振系统实现了16 路本振信号等功率输出,实测结果相位噪声小,功分器输出端口间隔离度高。我们使用频谱分析仪(agilent technologiesn9020a mxa)对频率源的相位噪声做了测量,参考频率源使用仪器自带的10mhz,直流稳压源采用agilent u8001a。


我们还用矢量网络分析仪( agilenttechnologies n5230a pna-l)对功分网络进行了测量,图10 为输入端的一分四功分网络实测结果,图11 为输出端的一分四功分网络实测结果。

测试方法为将输出端与后级隔开,并将三个输出端接50 欧姆负载到地,测试输入端与其中一个输出端的网络特性,由测试结果可知输入反射较小,插入损耗也让人满意,输出端的反射也较小。

为将输入端与前级隔开并接50 欧姆负载到地,选择任意两个端口接50 欧姆负载到地,测试另外两个端口的网络特性,上图所示为测试最差的一组结果,但是输出端口的隔离度仍然非常高,在大规模mimo 中,本振之间的隔离度直接影响了通道直接的干扰程度。

4 结论

本论文对本振几个关键指标进行了细致的考虑,重点部分在于降低频率源的相位噪声,提高功率分配器网络输出端口间的隔离度,保证输出信号的一致性良好。如果在收发射频板上设计4 路功分器或者8 路功分器,必要时配合低噪声放大器提高功率,可以满足64、128 路甚至更多路数的大规模mimo 系统对本振的要求。


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