32通道MIMO数字电路关键技术研究与验证

发布时间：2020-08-26 10:17

【摘要】：MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)凭借在信道容量和传输速率方面的巨大优势,在民用5G通信和军用阵列雷达中都有着广泛的应用前景。论文使用5G标准下3300～3600MHz频段,根据MIMO硬件电路的需求,对幅度和相位一致性等关键技术指标进行分析,完成32通道MIMO数字电路的设计与实现,为大规模MIMO无线通信系统提供了一种数字中频硬件平台。主要内容如下:第一、根据MIMO硬件电路的需求,确定了32通道数字中频电路的关键技术指标。首先,调研了MIMO芯片和硬件平台的研发现状,分析了常用MIMO参考平台的体系架构,结合现有的应用场景确定了收发中频频率、信噪比、无杂散动态范围、通道间一致性等指标的具体需求。然后,详细论证了时钟抖动与模数/数模转换器的信噪比之间的关系,具体说明了时钟同步性能对通道间一致性的影响。最后,对电路的收发通道的关键技术指标进行分析,明确了对器件采样率和高速串行接口传输速率的要求。第二、设计和实现32通道MIMO数字中频电路。首先,完成整体硬件结构设计和模块划分,根据指标要求完成核心器件的选型。然后,对通道的同步性能进行预算,对电路中的关键器件进行分析,完成对巴伦和时钟电路的仿真和优化。最后,根据器件选型设计通道间同步接收和同步发射方案,确定电路的配置方式、时钟网络和总体功耗,完成具体电路的设计。第三、搭建硬件测试平台,围绕硬件电路收发通道的技术指标展开测试和分析。首先,验证信号处理单元和控制单元的功能,测试高速串行接口的性能。然后,测量时钟、模数/数模转换器的关键性能指标。最后,制定通道间幅度相位测量方案,完成通道间幅度和相位一致性进行测试,根据指标预算分析测试结果。本文设计实现了一种32通道MIMO数字中频电路,该电路支持32路收发,100MHz带宽,可实现收发通道间幅度一致性优于0.25dB、相位稳定度优于5°。满足高速率和波束成形的实际应用需求,对MIMO无线通信硬件平台的设计具有一定的参考意义。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN79
【图文】：

测试通道间的幅度相位一致性和相位稳定度。逡逑第六章是结束语。总结全文，为今后的工作提出建议。逡逑详细结构如图１－１所示。逡逑３２通道ＭＩＭＯ数字电路逡逑关键技术研究与验证逡逑逦邋邋逦：邋［逦邋逦逦逡逑｜无线通信和ＭＩＭＯ技背[x弓＾＇Ｖ…Ｉ为大规模ＭＩＭＯ原理｜逡逑：术发展的相互影响｜逦：验证提供硬件平台！逡逑ｆ逦，逦—逦ｆ逦，逡逑Ｉ邋ＭＩＭＯ无线通信的发丨！邋ＭＩＭＯ芯片和硬件平｜逡逑：逦展概况逦丨－…ｑ展概述与研究现５＞－－；台研发现状｜逡逑…－逦ｉｕ逦逡逑！数字中频电路的总体ｉ逦辛卡！拔｜、驱此的、刑｜逡逑丨架构和关谢旨标ｉ？…ｔ姞分析核心器件的选型！逡逑二：：：：：：：：：：：：：：N二：：：：：：：：：：：：：：：二逡逑ｉ通道间收发同步方案丨＾案制定￣＾＾邋＇邋ａ／＊由欧仕的：逡逑Ｉ册与指标预算＿设ｉ十＾具体电路结构头现丨逡逑＂邋１

，ｃｅｒｇｏｓ平台，该平台包含６４个天线单元，用于验证大规模天线系统的可行性，Ａｒｇｏｓ测逡逑试平台利用波束成形将原１２．７ｂｐｓ／Ｈｚ的频谱利用率提升到３８ｂｐｓ／Ｈｚ，同时能够将逡逑发射能量降低为原来的１／６４［２２］。２０１４年，Ｌｕｎｄ大学和美国国家一起公司（ＮＩ）联逡逑合构建了大规模ＭＩＭＯ天线测试平台（ＬｕＭａＭｉ邋），该平台基于软件无线电系统实逡逑现，具有通用性和可扩展性，包含１２８根天线，为实现实时处理大规模数据，该逡逑验证平台使用了高吞吐量ＰＣＩ邋Ｅｘｐｒｅｓｓ总线，传输速率最高可达３２ＧＢ／Ｓ［２３］。逡逑２．４大规模ＭＩＭＯ对硬件平台的要求逡逑ＭＩＭＯ系统在波束成形为目标的应用中，其核心在于找到一个最优的加权矩逡逑阵Ｗ。在ＭＩＭＯ的早期研究中，并不涉及“空间波束”的概念，而是“空时编码”逡逑的概念。但是，在５Ｇ大规模ＭＩＭＯ研究中，“空间波束”的概念被广泛应用。逡逑在波束成形中，通过特定的调整过程，可以将发射端或接收端的多个天线用逡逑于形成一个完整的波束形态，从而使目标接收／发射方向上的总体天线增益（或能逡逑量）最大化，或者用于抑制特定的干扰，从而获得波束赋形增益。逡逑控相位差！

由图２－２可知，幅相误差会导致主瓣电平下降，旁瓣电平升高，造成波束指向逡逑出现一定的偏差，集成波束的性能降低。幅度误差只会导致旁瓣电平升氋，不会逡逑影响波束的指向，相位误差（包括通道间相位差和通道随机扰动相位）不仅会影逡逑响波束的指向还会影响旁瓣电平，二者都可以由通道校正进行补偿［２７］。逡逑通道校正的目的并不是保证每个通道的绝对信道值一致，而是要保证和参考逡逑天线相对关系相同。通道校正有两种方式，一种是有源校正，另一种是自校正［２８］。逡逑有源校正算法复杂度低实现容易，但会造成器件的浪费；自校正不需要占用额外逡逑的通道，但算法复杂度高实现困难，占用更多的逻辑运算资源。逡逑而且通道间的相位差会因温度、器件老化发生偏移，需要每隔一段时间校正逡逑一次。当通道误差中通道随机扰动相位波动范围过大时，通道校正无法完全校逡逑正，经通道校正后通道误差仍存在。降低幅相误差参数，重复上述实验过程，得逡逑到不同幅相误差对应的波束图像。逡逑３５逦ｊ邋｜逦３５逦ｊ邋＊逦｜逦｜邋ｊ逡逑，0逦逦＾逦森…．丨一无幅相＂ｉｌｌ．．逦逦Ｌ逦逦—无幅相误差逡逑逦有幅相误差逦ｊ逦／｜＼邋邋有幅相误差逡逑

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本文编号：2805045