一文了解NI毫米波收發(fā)器系統(tǒng)硬件

無線技術(shù)已無所不在。 現(xiàn)在能連接無線的新型無線設(shè)備越來越多，其消耗的數(shù)據(jù)量與日俱增。 無線設(shè)備的數(shù)量與數(shù)據(jù)消耗量每年都以指數(shù)級(jí)增加。 為了滿足此類需求，許多機(jī)構(gòu)都在研究新型無線技術(shù)，以完善現(xiàn)有的無線架構(gòu)。 為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，世界各地的無線標(biāo)準(zhǔn)化組織共同展開了一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，那就是定義新一代無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也稱為5G。 5G網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)用情境包含： 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）與超可靠機(jī)器通信（uRMTC）。

上述三大應(yīng)用情境可分別用于滿足不同的需求，例如eMBB的重點(diǎn)在于峰值數(shù)據(jù)傳輸率，而uRMTC則側(cè)重于降低延遲。 由于需求十分多樣，單一特定技術(shù)無法滿足全部需求，因此5G將會(huì)是多種全新技術(shù)的合體。 尤其是對于eMBB應(yīng)用場景，研究人員需要將峰值數(shù)據(jù)傳輸速率提高到4G網(wǎng)絡(luò)的100倍以上，而6 GHz以下的可用頻譜已經(jīng)極其有限了。 經(jīng)實(shí)踐證明，數(shù)據(jù)速率與可用頻譜直接相關(guān)，而根據(jù)香農(nóng)定理指出，容量是帶寬（即頻譜）和信道噪聲的函數(shù)。 因?yàn)? GHz以下的頻譜幾乎已分配完畢，所以針對eMBB的應(yīng)用情境，研究人員必須轉(zhuǎn)向6 GHz以上的頻譜，研究毫米波領(lǐng)域。

1. 毫米波軟件無線電（SDR）的需求

世界各地的服務(wù)運(yùn)營商為了服務(wù)客戶，已在頻譜上花費(fèi)了數(shù)十億美元。 6 GHz以下頻譜居高不下的拍賣價(jià)格，便凸顯了市場的高度競爭與珍貴資源的缺乏。 如先前所述，根據(jù)香濃定理，數(shù)據(jù)傳輸速率與容量的提升均受頻譜所限。 頻譜范圍越廣，數(shù)據(jù)傳輸率也越高，這樣服務(wù)運(yùn)營商不僅能服務(wù)更多用戶，還能提供更一致的移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)傳輸體驗(yàn)。 而毫米波頻譜不僅非常充裕，而且只需稍微經(jīng)過授權(quán)就能使用，因此世界各地的運(yùn)營商都能夠利用毫米波。 而采用mmWave所面臨的挑戰(zhàn)，主要在于此頻譜還有許多未知內(nèi)容，沒有經(jīng)過完整研究，還有尚未解決的技術(shù)問題。

為了利用毫米波來實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)，研究人員必須開發(fā)新的技術(shù)、算法和通信協(xié)議，因?yàn)楹撩撞ㄐ诺赖幕拘再|(zhì)與當(dāng)前的蜂窩模型截然不同，并且是相對未知的。 建立毫米波原型的重要性再怎么強(qiáng)調(diào)都不過分，尤其是在時(shí)間如此緊迫的情況下。 建立毫米波系統(tǒng)原型可演示某項(xiàng)技術(shù)或概念的可行性，這是仿真無法做到的。 毫米波原型能夠在多種情境下進(jìn)行無線實(shí)時(shí)通信，有助于揭開毫米波信道的神秘面紗，并推動(dòng)該技術(shù)的應(yīng)用與普及。

圖1： 3GPP與IMT 2020所定義的三種高級(jí)5G應(yīng)用場景

為了達(dá)成此項(xiàng)目標(biāo)，NI推出全球首臺(tái)實(shí)時(shí)毫米波原型驗(yàn)證系統(tǒng)，旨在幫助工程師與研究人員快速對毫米波系統(tǒng)進(jìn)行原型驗(yàn)證。 NI毫米波收發(fā)器系統(tǒng)結(jié)合了靈活的模塊化硬件與強(qiáng)大的應(yīng)用軟件，是一款適用于毫米波應(yīng)用的SDR。 由于毫米波收發(fā)器是一款完整的SDR，軟硬件都具有完整功能與模塊化特性，因此研究人員能夠快速布署他們的設(shè)計(jì)，并使用軟件進(jìn)行快速迭代，不斷優(yōu)化其設(shè)計(jì)。

2. 毫米波通信系統(tǒng)原型驗(yàn)證

創(chuàng)建完整的mmWave通信原型時(shí)會(huì)面臨多種難題。 假設(shè)有一個(gè)可處理數(shù)GHz通道的基帶子系統(tǒng)。 目前多數(shù)LTE實(shí)現(xiàn)皆使用10 MHz通道（最高20 MHz），而計(jì)算負(fù)荷會(huì)隨著帶寬線性增加。 換句話說，計(jì)算能力必須以100倍甚至更多的倍數(shù)增加才能解決5G數(shù)據(jù)速率需求。 LTE渦輪解碼器所使用的算法不僅需要大量的計(jì)算資源，還需要高性能計(jì)算軟件才能實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)。 FPGA為這些計(jì)算提供了理想的硬件解決方案，對于超寬帶渦輪解碼，F(xiàn)PGA是不可或缺。

盡管FPGA是毫米波原型驗(yàn)證系統(tǒng)的核心元件，但設(shè)計(jì)出能處理數(shù)GHz通道的多FPGA系統(tǒng)將使系統(tǒng)更加復(fù)雜。 為了解決系統(tǒng)復(fù)雜度與軟件挑戰(zhàn)，NI提供了毫米波物理層的源代碼，涵蓋了毫米波系統(tǒng)基帶的基本原理，并且抽象了在多個(gè)FPGA之間移動(dòng)和處理數(shù)據(jù)的過程，從而簡化了工作難度。

FPGA僅為毫米波原型驗(yàn)證系統(tǒng)的一部分。 數(shù)據(jù)必須能夠在數(shù)字域之間移動(dòng)，以便進(jìn)行處理，還需要在模擬域之間移動(dòng)，以便信號(hào)能夠無線收發(fā)。 DAC與ADC技術(shù)的發(fā)展使得目前已能捕獲1至2GHz的信號(hào)。 市場上有些毫米波頻率的IC。 這些IC可連接至毫米波收發(fā)器系統(tǒng)的ADC與DAC進(jìn)行評(píng)估，然后執(zhí)行原型驗(yàn)證工作。 然而，RFIC無法提供信道探測或通信原型驗(yàn)證所需的高功率輸出或RF品質(zhì)。 為了集成更高的功率與更高品質(zhì)的RF，需要通過IF級(jí)將信號(hào)上變頻至12 GHz。 最后再將毫米波無線電站連接至IF模塊。 如果想要從頭開始，開發(fā)原型驗(yàn)證系統(tǒng)的各個(gè)部分需要掌握各種設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)以及擁有大量的工程資源。 每個(gè)部分的硬件設(shè)計(jì)都不容易，另外還需要開發(fā)用于控制與同步各級(jí)硬件的軟件，這進(jìn)一步增加了自定義設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。 毫米波收發(fā)器系統(tǒng)提供了完整的原型驗(yàn)證解決方案，能夠幫助工程師更快速從概念和算法設(shè)計(jì)過渡到原型驗(yàn)證。

NI提供4種現(xiàn)成的毫米波原型驗(yàn)證系統(tǒng)配置，下面將會(huì)詳細(xì)介紹。 毫米波收發(fā)器系統(tǒng)基于PXIe平臺(tái)，包含2 GHz帶寬的基帶處理子系統(tǒng)、2 GHz帶寬的濾波中頻（IF）級(jí)與LO模塊，以及位于機(jī)箱外部的模塊化毫米波無線電站。 系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2： 毫米波系統(tǒng)框圖

模塊化方法可通過增加或移除模塊來滿足各種通道和配置需求，從而實(shí)現(xiàn)了靈活的硬件平臺(tái)。 用戶可以選擇使用完整的NI毫米波解決方案，或?qū)⒆约旱?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/105/" target="_blank">射頻設(shè)備集成至NI IF或基帶系統(tǒng)。 用戶還可使用相同的系統(tǒng)以及相同的IF和基帶軟硬件來開發(fā)不同頻帶的原型。 此系統(tǒng)還可從單向SISO系統(tǒng)擴(kuò)展到雙向MIMO系統(tǒng)，因而不僅適用于信道探測，也可進(jìn)行并行收發(fā)來實(shí)現(xiàn)完整的雙通道雙向通信鏈路。 下面我們將進(jìn)一步介紹各種系統(tǒng)組件與配置。 本文件不討論針對特定應(yīng)用的軟件。

3. 毫米波收發(fā)器系統(tǒng)硬件

毫米波收發(fā)器系統(tǒng)是一個(gè)SDR平臺(tái)，適用于構(gòu)建毫米波應(yīng)用，包含系統(tǒng)原型驗(yàn)證。 該系統(tǒng)為用戶提供了靈活的硬件平臺(tái)與應(yīng)用軟件來執(zhí)行實(shí)時(shí)無線毫米波通信研究。 軟件對用戶開放，可根據(jù)研究需求變化進(jìn)行調(diào)整，因此設(shè)計(jì)可以反復(fù)迭代和優(yōu)化來滿足特定目標(biāo)或目的。

NI毫米波收發(fā)器系統(tǒng)內(nèi)含PXIe機(jī)箱、控制器、時(shí)鐘分配模塊、FlexRIO FPGA模塊、高速DAC與ADC、LO與IF模塊和毫米波無線電臺(tái)。 此模塊可組裝成不同的配置來滿足不同毫米波應(yīng)用的需求，例如信道探測、MIMO通信鏈路原型驗(yàn)證等等。 本文詳細(xì)介紹了毫米波收發(fā)器系統(tǒng)所用的硬件，以及模塊之間的交互。 如需詳細(xì)的性能規(guī)格，請查看毫米波收發(fā)器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表。

PXI Express機(jī)箱

原型驗(yàn)證系統(tǒng)以PXIe-1085機(jī)箱為基礎(chǔ)。 機(jī)箱包含不同的處理模塊，并提供電源、互連功能以及定時(shí)和同步基礎(chǔ)設(shè)施。 這款18槽機(jī)箱的每個(gè)插槽均搭載了PCI Express（PCIe）第3代技術(shù)，適用于高吞吐量和低延遲應(yīng)用。 機(jī)箱可提供4 GB/s的單槽帶寬和24 GB/s的系統(tǒng)帶寬。 PXIe-1085采用雙開關(guān)背板架構(gòu)，正如圖3系統(tǒng)圖所示。由于靈活的PXI設(shè)計(jì)，在創(chuàng)建高通道數(shù)系統(tǒng)時(shí)，多個(gè)機(jī)箱可通過菊花鏈方式或星形配置連接在一起。

圖3： 18槽PXIe-1085機(jī)箱（a）與系統(tǒng)圖（b）

高性能可重配置FPGA處理模塊

所有SDR均需要軟件與計(jì)算元件來組成物理層。 這款毫米波原型驗(yàn)證系統(tǒng)采用單槽FlexRIO模塊，為PXIe機(jī)箱中添加了靈活的高性能處理模塊，該模塊可使用LabVIEW進(jìn)行編程。 PXIe-7976R FlexRIO FPGA模塊可獨(dú)立運(yùn)行，提供了可自定義的大型Xilinx Kintex-7 410T，通過PCI Express Generation 2 x8 連接至PXI Express背板。 此毫米波收發(fā)器系統(tǒng)可根據(jù)不同的配置，將不同處理任務(wù)分配給不同的FPGA，配置可通過軟件進(jìn)行設(shè)定。

圖4： PXIe-7976R FlexRIO模塊（a）與系統(tǒng)框圖（b）

用于高傳吞吐量應(yīng)用的高性能 FPGA

NI PXIe-7902 FPGA模塊是基于Xilinx Virtex 7 485T構(gòu)建的功能強(qiáng)大的處理模塊。 大型FPGA適用于處理計(jì)算密集型應(yīng)用，例如毫米波物理層。 此模塊能以PCIe gen 2x8的速度在PXIe機(jī)箱的背板之間傳輸數(shù)據(jù)。 對于需要更快數(shù)據(jù)傳輸率的應(yīng)用，PXIe-7902 還提供了由 24 個(gè)GB級(jí)收發(fā)器 （MGT）組成的6 個(gè)miniSAS HD 前端面板連接器。 MGT可連接至其他PXIe-7902或其他DAC/ADC模塊，使多信道基帶信號(hào)具有高達(dá)2 GHz的實(shí)時(shí)寬帶。

圖5： PXIe-7902R FPGA模塊（a）與系統(tǒng)框圖（b）

超寬帶DAC與ADC

圖6為 PXIe-3610 DAC，圖7為PXIe-3630 ADC。兩者均可通過4個(gè)MCX前面板接頭來連接模擬基帶差分I/Q對。 這些模塊可連接起來，組成一個(gè)基帶環(huán)回測試系統(tǒng)，并連接至 PXIe-3620 IF模塊或第三方基帶硬件。 表1為基本性能信息。如需查看詳細(xì)的性能信息，請查看毫米波收發(fā)器系統(tǒng)數(shù)據(jù)表。

表1： PXIe-3610與PXIe-3630的基本性能規(guī)格

圖6： DAC模塊與程序框圖

圖7： ADC模塊與與程序框圖

12 GHz IF模塊

PXIe-3620 LO/IF模塊能以高達(dá)2 GHz的帶寬分別處理一組傳輸鏈與一組接收鏈。 NI PXIe-3620通過將輸入信號(hào)與集成式LO組合，可將基帶信號(hào)上變頻10.5至12 GHz之間的軟件可編程IF。 針對接收部分，NI PXIe-3620可接收10.5至12 GHz的輸入IF ，并將其轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)。 該模塊具有內(nèi)部增益控制功能，并可傳輸高達(dá)7 dBm的信號(hào)和接收20 dBm的信號(hào)。 PXIe-3620 還提供適用于NI 3647與 NI 3657毫米波電站的LO參考信號(hào)。 LO/IF模塊可接受外部LO信號(hào)，也可針對其他IF模塊驅(qū)動(dòng)LO信號(hào)，以在 MIMO 拓?fù)渲型蕉鄠€(gè)發(fā)射器/接收器數(shù)據(jù)流。 差分I/Q可通過設(shè)備前面板的MXC連接器訪問。

圖8： PXIe-3620 IF模塊

毫米波電站

NI 3647與NI 3657模塊化發(fā)射與接收無線電站能為NI毫米波收發(fā)器系統(tǒng)提供高品質(zhì)的RF信號(hào)。 NI 3647毫米波電站發(fā)射器的工作頻率范圍為 71 - 76 GHz；輸出功率高達(dá) 25 dBm * 與寬帶高達(dá)2 GHz RF。 此發(fā)射器可與71 - 76 GHz 的 NI 3657毫米波接收器搭配使用。 這兩個(gè)設(shè)備的前端均具備 WR-12 波導(dǎo)端口，可連接至用戶提供的天線，例如號(hào)角天線或相位陣列天線。 NI 3647發(fā)射無線電站可作為倍頻器來執(zhí)行上變頻操作。 無線電站包含的衰減器與放大器可用于最大化增益控制和降低噪聲系數(shù)。 如需毫米波收發(fā)器系統(tǒng)的詳細(xì)RF規(guī)格，請查看產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。

圖9： 71至76 GHz的毫米波無線電站

*部分地區(qū)并未提供25 dBm輸出功率版本。 全球提供的是20 dBm輸出功率版本。

4. 系統(tǒng)配置選項(xiàng)

NI毫米波收發(fā)器系統(tǒng)是一個(gè)靈活的硬件平臺(tái)，能夠滿足各種通信需求。 除了可通過添加或移除系統(tǒng)硬件來創(chuàng)建各種系統(tǒng)外，該平臺(tái)還針對最常見的應(yīng)用場景提供了4種基本配置：

單向SISO

單向2x2 MIMO

雙向SISO

雙向2x2 MIMO

單向系統(tǒng)

上述2個(gè)單向系統(tǒng)均由2個(gè)PXIe機(jī)箱組成，其中一個(gè)機(jī)箱配備發(fā)射器，另一個(gè)機(jī)箱則配備接收器。 該配置非常適用于信道探測測量。 在這種配置下，用戶可將發(fā)射與接收子系統(tǒng)分開來，并在各種環(huán)境中執(zhí)行信道探測測量。 由于PXIe架構(gòu)系統(tǒng)的模塊化特性，用戶可以輕松添加額外的硬件來滿足不同的研究需求，例如增加通道數(shù)量來提升測量到達(dá)角的準(zhǔn)確性。 如果要實(shí)現(xiàn)并行接收或并行發(fā)射與接收外，除了增加接收通道數(shù)量這一方法外，用戶也可以將外部開關(guān)添加至SISO系統(tǒng)。 這種靈活性可允許研究人員選擇最能滿足其測量速度與配置需求的硬件配置。 因?yàn)楹撩撞ㄊ瞻l(fā)器系統(tǒng)專為MIMO架構(gòu)設(shè)計(jì)，因此各通道之間可輕松共享 LO 信號(hào)來實(shí)現(xiàn)相位相干。 圖10與圖11為SISO與2x2 MIMO的系統(tǒng)程序框圖。

圖10： 單向SISO配置

圖11： 單向MIMO配置

雙向系統(tǒng)

兩種雙向系統(tǒng)配置均包含2個(gè)PXIe機(jī)箱，一個(gè)配備發(fā)射器，另一個(gè)配備接收器。 這些系統(tǒng)專為通信原型驗(yàn)證而設(shè)計(jì)，能夠?yàn)檠芯咳藛T提供所需的硬件來創(chuàng)建實(shí)時(shí)雙向通信鏈路。 毫米波通信研究仍有存在許多未知。 確定毫米波信道內(nèi)的信號(hào)行為非常重要。 完整定義的信道模型雖然對算法開發(fā)人員頗有幫助，但實(shí)時(shí)通信鏈路最終仍須經(jīng)過原型驗(yàn)證才能確定其在新頻段的性能。 無論是要驗(yàn)證新的物理層與無線接口，還是要了解現(xiàn)有的LTE物理層如何能夠適應(yīng)2 GHz等超寬帶寬，均可使用NI毫米波系統(tǒng)來實(shí)時(shí)驗(yàn)證其性能。 結(jié)合NI毫米波系統(tǒng)、FPGA處理功能與LabVIEW之后，便有可能在2 GHz寬帶下進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)制、解調(diào)、編碼與渦輪解碼。 這些系統(tǒng)可做為研究人員開發(fā)與測試通信協(xié)議的平臺(tái)。 不同于6 GHz以下頻譜的通信，毫米波信號(hào)具有高度的方向性，因此協(xié)議必須能夠確保2個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠相互定位。 節(jié)點(diǎn)間必須能夠互相交換控制與測量信息，例如波束控制或隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。 圖11與12為兩種雙向系統(tǒng)的配置圖。

圖12： 單向SISO配置

圖13： 單向MIMO配置

5. 總結(jié)

NI毫米波收發(fā)器系統(tǒng)是一系列模塊化硬件的組合，適用于信道探測、實(shí)時(shí)雙向通信系統(tǒng)原型驗(yàn)證等多種應(yīng)用。 該系統(tǒng)以PXI平臺(tái)為架構(gòu)，并提供靈活的模塊組合，可提供多種不同的配置來滿足不斷變化的研究需求。 毫米波無線電站本身具備模塊化特性，而且可用其他RF前端來替代，因而可在使用相同軟硬件組合的情況下研究多種不同的頻率，從而節(jié)省工程設(shè)計(jì)的時(shí)間、大幅提升系統(tǒng)的重復(fù)使用率。 該硬件結(jié)合LabVIEW的強(qiáng)大功能，為毫米波通信原型驗(yàn)證提供了極佳的平臺(tái)，并幫助工程師更快速創(chuàng)新。