NI毫米波收发器系统硬件介绍

无线技术已无所不在。 现在能连接无线的新型无线设备越来越多,其消耗的数据量与日俱增。 无线设备的数量与数据消耗量每年都以指数级增加。 为了满足此类需求,许多机构都在研究新型无线技术,以完善现有的无线架构。 为了达成这个目标,世界各地的无线标准化组织共同展开了一项艰巨的任务,那就是定义新一代无线网络系统,也称为5G。 5G网络的三大应用情境包含: 增强型移动宽带(eMBB)、大规模机器通信(mMTC)与超可靠机器通信(uRMTC)。

上述三大应用情境可分别用于满足不同的需求,例如eMBB的重点在于峰值数据传输率,而uRMTC则侧重于降低延迟。 由于需求十分多样,单一特定技术无法满足全部需求,因此5G将会是多种全新技术的合体。 尤其是对于eMBB应用场景,研究人员需要将峰值数据传输速率提高到4G网络的100倍以上,而6 GHz以下的可用频谱已经极其有限了。 经实践证明,数据速率与可用频谱直接相关,而根据香农定理指出,容量是带宽(即频谱)和信道噪声的函数。 因为6 GHz以下的频谱几乎已分配完毕,所以针对eMBB的应用情境,研究人员必须转向6 GHz以上的频谱,研究毫米波领域。

1. 毫米波软件无线电(SDR)的需求
世界各地的服务运营商为了服务客户,已在频谱上花费了数十亿美元。 6 GHz以下频谱居高不下的拍卖价格,便凸显了市场的高度竞争与珍贵资源的缺乏。 如先前所述,根据香浓定理,数据传输速率与容量的提升均受频谱所限。 频谱范围越广,数据传输率也越高,这样服务运营商不仅能服务更多用户,还能提供更一致的移动宽带数据传输体验。 而毫米波频谱不仅非常充裕,而且只需稍微经过授权就能使用,因此世界各地的运营商都能够利用毫米波。 而采用mmWave所面临的挑战,主要在于此频谱还有许多未知内容,没有经过完整研究,还有尚未解决的技术问题。

为了利用毫米波来实现5G网络,研究人员必须开发新的技术、算法和通信协议,因为毫米波信道的基本性质与当前的蜂窝模型截然不同,并且是相对未知的。 建立毫米波原型的重要性再怎么强调都不过分,尤其是在时间如此紧迫的情况下。 建立毫米波系统原型可演示某项技术或概念的可行性,这是仿真无法做到的。 毫米波原型能够在多种情境下进行无线实时通信,有助于揭开毫米波信道的神秘面纱,并推动该技术的应用与普及。

图1: 3GPP与IMT 2020所定义的三种高级5G应用场景

图1: 3GPP与IMT 2020所定义的三种高级5G应用场景

为了达成此项目标,NI推出全球首台实时毫米波原型验证系统,旨在帮助工程师与研究人员快速对毫米波系统进行原型验证。 NI毫米波收发器系统结合了灵活的模块化硬件与强大的应用软件,是一款适用于毫米波应用的SDR。 由于毫米波收发器是一款完整的SDR,软硬件都具有完整功能与模块化特性,因此研究人员能够快速布署他们的设计,并使用软件进行快速迭代,不断优化其设计。

2. 毫米波通信系统原型验证
创建完整的mmWave通信原型时会面临多种难题。 假设有一个可处理数GHz通道的基带子系统。 目前多数LTE实现皆使用10 MHz通道(最高20 MHz),而计算负荷会随着带宽线性增加。 换句话说,计算能力必须以100倍甚至更多的倍数增加才能解决5G数据速率需求。 LTE涡轮解码器所使用的算法不仅需要大量的计算资源,还需要高性能计算软件才能实时处理数据。 FPGA为这些计算提供了理想的硬件解决方案,对于超宽带涡轮解码,FPGA是不可或缺。

尽管FPGA是毫米波原型验证系统的核心元件,但设计出能处理数GHz通道的多FPGA系统将使系统更加复杂。 为了解决系统复杂度与软件挑战,NI提供了毫米波物理层的源代码,涵盖了毫米波系统基带的基本原理,并且抽象了在多个FPGA之间移动和处理数据的过程,从而简化了工作难度。

FPGA仅为毫米波原型验证系统的一部分。 数据必须能够在数字域之间移动,以便进行处理,还需要在模拟域之间移动,以便信号能够无线收发。 DAC与ADC技术的发展使得目前已能捕获1至2GHz的信号。 市场上有些毫米波频率的IC。 这些IC可连接至毫米波收发器系统的ADC与DAC进行评估,然后执行原型验证工作。 然而,RFIC无法提供信道探测或通信原型验证所需的高功率输出或RF品质。 为了集成更高的功率与更高品质的RF,需要通过IF级将信号上变频至12 GHz。 最后再将毫米波无线电站连接至IF模块。 如果想要从头开始,开发原型验证系统的各个部分需要掌握各种设计专业知识以及拥有大量的工程资源。 每个部分的硬件设计都不容易,另外还需要开发用于控制与同步各级硬件的软件,这进一步增加了自定义设计的复杂性。 毫米波收发器系统提供了完整的原型验证解决方案,能够帮助工程师更快速从概念和算法设计过渡到原型验证。

NI提供4种现成的毫米波原型验证系统配置,下面将会详细介绍。 毫米波收发器系统基于PXIe平台,包含2 GHz带宽的基带处理子系统、2 GHz带宽的滤波中频(IF)级与LO模块,以及位于机箱外部的模块化毫米波无线电站。 系统框图如图2所示。

图2: 毫米波系统框图

图2: 毫米波系统框图

模块化方法可通过增加或移除模块来满足各种通道和配置需求,从而实现了灵活的硬件平台。 用户可以选择使用完整的NI毫米波解决方案,或将将自己的射频设备集成至NI IF或基带系统。 用户还可使用相同的系统以及相同的IF和基带软硬件来开发不同频带的原型。 此系统还可从单向SISO系统扩展到双向MIMO系统,因而不仅适用于信道探测,也可进行并行收发来实现完整的双通道双向通信链路。 下面我们将进一步介绍各种系统组件与配置。 本文件不讨论针对特定应用的软件。

3. 毫米波收发器系统硬件
毫米波收发器系统是一个SDR平台,适用于构建毫米波应用,包含系统原型验证。 该系统为用户提供了灵活的硬件平台与应用软件来执行实时无线毫米波通信研究。 软件对用户开放,可根据研究需求变化进行调整,因此设计可以反复迭代和优化来满足特定目标或目的。
NI毫米波收发器系统内含PXIe机箱、控制器、时钟分配模块、FlexRIO FPGA模块、高速DAC与ADC、LO与IF模块和毫米波无线电台。 此模块可组装成不同的配置来满足不同毫米波应用的需求,例如信道探测、MIMO通信链路原型验证等等。 本文详细介绍了毫米波收发器系统所用的硬件,以及模块之间的交互。 如需详细的性能规格,请查看毫米波收发器系统的数据表。

PXI Express机箱
原型验证系统以PXIe-1085机箱为基础。 机箱包含不同的处理模块,并提供电源、互连功能以及定时和同步基础设施。 这款18槽机箱的每个插槽均搭载了PCI Express(PCIe)第3代技术,适用于高吞吐量和低延迟应用。 机箱可提供4 GB/s的单槽带宽和24 GB/s的系统带宽。 PXIe-1085采用双开关背板架构,正如图3系统图所示。由于灵活的PXI设计,在创建高通道数系统时,多个机箱可通过菊花链方式或星形配置连接在一起。

图3: 18槽PXIe-1085机箱(a)与系统图(b)

图3: 18槽PXIe-1085机箱(a)与系统图(b)

高性能可重配置FPGA处理模块
所有SDR均需要软件与计算元件来组成物理层。 这款毫米波原型验证系统采用单槽FlexRIO模块,为PXIe机箱中添加了灵活的高性能处理模块,该模块可使用LabVIEW进行编程。 PXIe-7976R FlexRIO FPGA模块可独立运行,提供了可自定义的大型Xilinx Kintex-7 410T,通过PCI Express Generation 2 x8 连接至PXI Express背板。 此毫米波收发器系统可根据不同的配置,将不同处理任务分配给不同的FPGA,配置可通过软件进行设定。

图4: PXIe-7976R FlexRIO模块(a)与系统框图(b)

图4: PXIe-7976R FlexRIO模块(a)与系统框图(b)

用于高传吞吐量应用的高性能 FPGA
NI PXIe-7902 FPGA模块是基于Xilinx Virtex 7 485T构建的功能强大的处理模块。 大型FPGA适用于处理计算密集型应用,例如毫米波物理层。 此模块能以PCIe gen 2x8的速度在PXIe机箱的背板之间传输数据。 对于需要更快数据传输率的应用,PXIe-7902 还提供了由 24 个GB级收发器 (MGT)组成的6 个miniSAS HD 前端面板连接器。 MGT可连接至其他PXIe-7902或其他DAC/ADC模块,使多信道基带信号具有高达2 GHz的实时宽带。

图5: PXIe-7902R FPGA模块(a)与系统框图(b)

图5: PXIe-7902R FPGA模块(a)与系统框图(b)

超宽带DAC与ADC
图6为 PXIe-3610 DAC,图7为PXIe-3630 ADC。两者均可通过4个MCX前面板接头来连接模拟基带差分I/Q对。 这些模块可连接起来,组成一个基带环回测试系统,并连接至 PXIe-3620 IF模块或第三方基带硬件。 表1为基本性能信息。如需查看详细的性能信息,请查看毫米波收发器系统数据表。

表1: PXIe-3610与PXIe-3630的基本性能规格

表1: PXIe-3610与PXIe-3630的基本性能规格

图6: DAC模块与程序框图

图6: DAC模块与程序框图

图7: ADC模块与与程序框图

图7: ADC模块与与程序框图

12 GHz IF模块
PXIe-3620 LO/IF模块能以高达2 GHz的带宽分别处理一组传输链与一组接收链。 NI PXIe-3620通过将输入信号与集成式LO组合,可将基带信号上变频10.5至12 GHz之间的软件可编程IF。 针对接收部分,NI PXIe-3620可接收10.5至12 GHz的输入IF ,并将其转换为基带信号。 该模块具有内部增益控制功能,并可传输高达7 dBm的信号和接收20 dBm的信号。 PXIe-3620 还提供适用于NI 3647与 NI 3657毫米波电站的LO参考信号。 LO/IF模块可接受外部LO信号,也可针对其他IF模块驱动LO信号,以在 MIMO 拓扑中同步多个发射器/接收器数据流。 差分I/Q可通过设备前面板的MXC连接器访问。

图8: PXIe-3620 IF模块

图8: PXIe-3620 IF模块

毫米波电站
NI 3647与NI 3657模块化发射与接收无线电站能为NI毫米波收发器系统提供高品质的RF信号。 NI 3647毫米波电站发射器的工作频率范围为 71 - 76 GHz;输出功率高达 25 dBm * 与宽带高达2 GHz RF。 此发射器可与71 - 76 GHz 的 NI 3657毫米波接收器搭配使用。 这两个设备的前端均具备 WR-12 波导端口,可连接至用户提供的天线,例如号角天线或相位阵列天线。 NI 3647发射无线电站可作为倍频器来执行上变频操作。 无线电站包含的衰减器与放大器可用于最大化增益控制和降低噪声系数。 如需毫米波收发器系统的详细RF规格,请查看产品数据表。

图9: 71至76 GHz的毫米波无线电站

图9: 71至76 GHz的毫米波无线电站

*部分地区并未提供25 dBm输出功率版本。 全球提供的是20 dBm输出功率版本。

4. 系统配置选项
NI毫米波收发器系统是一个灵活的硬件平台,能够满足各种通信需求。 除了可通过添加或移除系统硬件来创建各种系统外,该平台还针对最常见的应用场景提供了4种基本配置:

  • 单向SISO
  • 单向2x2 MIMO
  • 双向SISO
  • 双向2x2 MIMO
  • 单向系统
    上述2个单向系统均由2个PXIe机箱组成,其中一个机箱配备发射器,另一个机箱则配备接收器。 该配置非常适用于信道探测测量。 在这种配置下,用户可将发射与接收子系统分开来,并在各种环境中执行信道探测测量。 由于PXIe架构系统的模块化特性,用户可以轻松添加额外的硬件来满足不同的研究需求,例如增加通道数量来提升测量到达角的准确性。 如果要实现并行接收或并行发射与接收外,除了增加接收通道数量这一方法外,用户也可以将外部开关添加至SISO系统。 这种灵活性可允许研究人员选择最能满足其测量速度与配置需求的硬件配置。 因为毫米波收发器系统专为MIMO架构设计,因此各通道之间可轻松共享 LO 信号来实现相位相干。 图10与图11为SISO与2x2 MIMO的系统程序框图。

    图10: 单向SISO配置

    图10: 单向SISO配置

    图11: 单向MIMO配置

    图11: 单向MIMO配置

    双向系统
    两种双向系统配置均包含2个PXIe机箱,一个配备发射器,另一个配备接收器。 这些系统专为通信原型验证而设计,能够为研究人员提供所需的硬件来创建实时双向通信链路。 毫米波通信研究仍有存在许多未知。 确定毫米波信道内的信号行为非常重要。 完整定义的信道模型虽然对算法开发人员颇有帮助,但实时通信链路最终仍须经过原型验证才能确定其在新频段的性能。 无论是要验证新的物理层与无线接口,还是要了解现有的LTE物理层如何能够适应2 GHz等超宽带宽,均可使用NI毫米波系统来实时验证其性能。 结合NI毫米波系统、FPGA处理功能与LabVIEW之后,便有可能在2 GHz宽带下进行实时调制、解调、编码与涡轮解码。 这些系统可做为研究人员开发与测试通信协议的平台。 不同于6 GHz以下频谱的通信,毫米波信号具有高度的方向性,因此协议必须能够确保2个或多个节点能够相互定位。 节点间必须能够互相交换控制与测量信息,例如波束控制或随机接入协议。 图11与12为两种双向系统的配置图。

    图12: 单向SISO配置

    图12: 单向SISO配置

    图13: 单向MIMO配置

    图13: 单向MIMO配置

    5. 总结
    NI毫米波收发器系统是一系列模块化硬件的组合,适用于信道探测、实时双向通信系统原型验证等多种应用。 该系统以PXI平台为架构,并提供灵活的模块组合,可提供多种不同的配置来满足不断变化的研究需求。 毫米波无线电站本身具备模块化特性,而且可用其他RF前端来替代,因而可在使用相同软硬件组合的情况下研究多种不同的频率,从而节省工程设计的时间、大幅提升系统的重复使用率。 该硬件结合LabVIEW的强大功能,为毫米波通信原型验证提供了极佳的平台,并帮助工程师更快速创新。