一种5G信号接收机的本振合成装置

汤瑞

摘 要：5G有3個关键性能指标：更快的峰值速率、高连接数密度和更低的延迟，这些关键指标的实现需要更高的频率和更大的带宽。接收机需要更高频率和更宽带宽的本地振荡器才能实现对5G信号的精确分析。介绍一种利用宽带压控振荡器实现满足3GPP R16版本要求的5G FR1信号接收机的本振合成装置。

关键词：频率合成器；5G；接收机；宽带

5G一直被称为是行业应用的5G，5G有三大应用场景，分别是eMBB（增强型移动宽带）、URLLC（超高可靠低时延）、mMTC（海量机器类终端通信）。5G技术的发展离不开高性能5G信号接收机和发射机的支持。随着5G的不断演进和5G垂直行业应用的不断深入，5G相关指标和技术不断更新，这些变化都对5G信号接收装置提出了新的要求，需要更大的带宽、更快的响应速度、更精确的解调精度等[1-3]。本文采用宽带VCO、鉴相器、分频器、预分频器等组成的锁相环方案，实现了一种可以覆盖3GPP R16版本要求的5G FR1频段的5G接收机本振发生装置。

1 方案设计

5G信号接收机，一般由本振模块、接收通道模块、高速信号传输模块、数字信号分析模块、工控控制模块等部分组成，本文介绍了一种可以覆盖3GPP R16版本规定5G FR1频段（410～7 125）MHz无线频率范围新要求的本振装置。

采用基于宽带高性能VCO（ADI公司HMC773LC4B） 的本振模块，输出（10～20）GHz的本振信号是5G信号分析仪整机射频电路的核心模块，其功能块包括：参考环电路、鉴相电路、Σ-Δ调制、预分频电路、耦合反馈回路及FPGA控制电路等。HMC983LP5E功能框图如图1所示，其工作频率为DC～7 GHz，因此需要在锁相环反馈回路中添加预置四分频器HMC447LC3，将频率变为（2.5～5）GHz。

方案中的各个模块原理图及功能简介如下：图2为100 MHz参考环路模块，通过HMC1031MS8E鉴相比较，实现10 MHz锁定100 MHz参考环路；图3为宽带锁相环路模块，通过HMC983LP5E分频器、HMC984LP4E鉴相器、有源环路滤波器、宽带耦合微带电路、预分频电路实现（10～20）GHz的宽带锁相环路。

2 实验过程

本文研制过程中的一种5G信号接收机的本振合成装置的原理图和PCB绘制使用的是Altium Design工具。按照1中的方案描述，使用Altium Design工具绘制了对应原理图和PCB，使用SMT将元器件焊接在板上，完成本振合成装置。接口方面，有为整机提供的10 MHz参考输入；100 MHz参考输出，为整机点频第二、第三本振提供参考；（10～20）GHz本振输出，为接收通道混频模块提供激励本振源，完成频率变换；FPGA下载接口用于在线调试和bit文件烧写；96芯接插件为本振合成装置与整机母板之间的电源、数据线、地址线、控制线提供通路。图4为完成的本振合成装置正面图片。红色部分为FPGA控制模块的主要本振频率控制功能；蓝色部分为10 MHz外部参考，锁定到100 MHz，用于（10～20）GHz锁相环的参考和整机其他模块；黄色部分为本振合成装置的供电模块，为FPGA、VCO、放大器、开关、分频器、鉴相器等提供+5 V、+15 V、+30 V、-15 V等电源；紫色部分为本振装置的核心模块，包括鉴相器、小数分频器、宽带耦合器、宽带压控振荡器、微带带通滤波器、预置4分频器等，完成100 MHz参考输入实现（10～20）GHz宽带信号输出，为5G信号接收机提供本振源。

3 测试结果

将本方案的本振合成装置接入有接收通道装置、频谱分析装置、宽带信号分析装置、键盘控制装置、工控接口装置、显示装置、二/三本振装置、时钟参考装置等的5G信号接收机中，配合驱动程序、硬件控制程序、显示程序等组成完整的5G信号接收机，通过对5G FR1 100 MHz带宽的标准5G信号分析能够呈现本振合成装置的性能。使用射频线缆连接矢量信号源与装入本振合成装置的5G信号接收机，信号源发射1 GHz中心频点的100 MHz带宽上行PUSCH信号，5G信号接收机配置对应参数，解析界面如图5所示。解调结果表明，EVM均值为1.49%，频率误差为-4.94 Hz，IQ_offset为-36.55 dB。

4 结束语

通过宽带VCO的锁相环实现高频宽带、高性能的本振方案，可以满足5G信号接收装置的需求，依照本方案设计的本振合成装置成功应用到了5G信号接收机，正移植到5G信号发生器中。

参考文献：

[1] 远坂俊昭.锁相环（PLL）电路设计与应用[M].何希才，译.北京：科学出版社，2006.

[2] 杜勇.锁相环技术原理及FPGA实现[M].北京：电子工业出版社， 2016.

[3] 陈山枝，胡金玲，等.蜂窝车联网（C-V2X）.[M].北京：人民邮电出版社，2020.

[4] Hittite Microwave Corporation.HMC984LP4E DIGITAL PHASE-FREQUENCY DETECTOR[Z].Chelmsford：Hittite.

[5] Hittite Microwave Corporation.HMC983LP5E DC-7 GHZ FRACTIONAL-N DIVIDER AND FREQUENCY SWEEPER[Z].Chelmsford：Hittite.