60 GHz无线收发实验平台的探究

 覃远年，邹川，滕召字

 （桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）

摘  要：详细介绍了一种60 GHz无线收发实验平台设计方案，由改进后的NI USRP（收发模块）、Net FPGA（数据处理模块）和PC（主控模块）组成，NI USRP与Net FPGA通过吉比特网口连接，Net FPGA依靠PCI与PC连接，实验平台工作在Linux系统上，并辅以Lab VIEW做编程和测试分析，能实现1 Gbit/s以上的理论传输速率。该实验平台方案的收发模块和数据处理模块均可编程，L mux通过PCI对数据流进行捕获、分类、限速等操作，整个平台具有较好的开放性和拓展性，为进一步研究60 GHz通信中的信道建模、时隙分析、多址接入算法等问题提供了便利。

关键词：无线通信；60  GHz；NI  USRP；Net FPGJA；实验平台

中图分类号：TN925doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016052

1  引言

 现代移动通信的高速发展，使中低频段的频谱资源趋于饱和。我国的5G无线技术构架已明确指出，6～100 GHz高频新空口是实现1 Gbit/s用户体验速率、数十Gbit/s峰值速率和数十Gbit/(s．km2)流量密度的主要技术挑战。

 60 GHz毫米波通信凭借其大带宽、免许可、高速率、小干扰等优势，引起国内外学者的研究热情。各个国家和地区对60 GHz频段划分有所区别，美国、加拿大和韩国分配的频谱范围为57～64 GHz，欧洲为57～66 GHz．日本为59～66 GHz，中国为59～64 GHz。IEEE 802.llad标准将频谱范嗣划分为若干个子信道，每个子信道的标准带宽为2.16 GHz。在单载波(SC)模式下，可实现1～5 Gbit/s的高速传输，在低功耗单载波( LPSC)模式下，可实现1～2.5 Gbit/s的低速传输。IEEE 802.llad制定的关于60 GHz的标准，国际上获得了较多研究人员的认可。我国在2008年成立了中国无线个域网(CWPAN)标准工作组，参照IEEE 802.llad协议，制定符合我国需求的下一代无线局域网标准。表1为IEEE 802.llad的信道划分方案。

 对于60 GHz无线通信系统的研究，必须有合适的实验开发平台。60 GHz无线实验平台对于收发器的物理层(physical layer，PHY)和介质接入控制(media access control，MAC)层提出了非常高的挑战，而且要求实验平台具有一定的开放性和可扩展性，方便研究者直观快捷地获取实验数据，并能及时做出调整改进。本文针对这个问题，提出一种60 GHz无线收发实验平台设计方案，由改进后的NI USRP(national instruments USRP)（收发模块）、NetFPGA (net

6eld-programmable gate array)（数据处理模块）和PC(personal computer)（主控模块）组成，实验平台的灵活度较高，理论传输速率达到吉比特以上。此方案可以为研究人员提供一定参考。

2 60 GHz无线实验平台的发展现状

 60 GHz无线收发系统主要包括PHY和MAC，PHY规定了收发机的基本工作模式，MAC定义了不同设备之间的通信协议，涉及多址技术、无线资源管理和Q oS等。

 芯片方面，总体来看，基于CMOS技术的PHY集成芯片已经达到了比较好的性能，2011年日本东京工业大学在ISSCC发布了16QAM直接转换收发机，采用65 nm CMOS工艺，配置阵列天线时最大数据速率10 Gbit/s（QPSK调制下）、16 Gbit/s（16QAM调制下）；发射和接收功率分别为181 m W和138 m W。而PHY和MAC全集成的IC（集成电路）．目前的报道相对较少，比如2012年日本东芝公司在固态电路期刊上发表的短距离点对点全集成芯片组，PHY速率为2.62 Gbit/s，MAC速率为2.07 Gbit/s，能量比特比为651 pj/bit。国内PHY集成芯片的研发已经取得了一定的进展，中国科学院微电子研究所于2011年在《集成电路设计与应用》上公布的90 nm CMOS工艺的60 CHz射频前端电路，转换增益为17 dB，接收功耗为38.4 m W。许多企业、高校和科研院所正致力于PHY和MAC全集成芯片组的研究。

 实验平台方面，德国R＆S公司于2015年4月在《电信网技术》上发表的5G系统测试解决方案，在外接模拟I/Q输入下，通过高频矢量信号发生器SMW200A和外部混频模块，可实现最高频率100 GHz、最大带宽2 GHz的信号输出；在信号接收方面，FSW型号的矢量信号分析仪可输入信号的最高频率为67 GHz，外接混频模块可输入最高频率100 GHz，带宽500 MHz。2015年5月，美国是德科技（原安捷伦电子测量事业部）在《电信网技术》发文，其宽带任意波形发生器M8190A和微波矢量信号源E8267D PSG能产生带宽2 GHz、频率250 kHz~44 GHz的信号，同时，其信号分析仪N9040B的输入信号频率范围为3 Hz^，26.5 GHz．I/Q解调带宽为510 MHz，90000系列信号分析仪可输入最高信号频率为63 GHz。

3  平台要求

 笔者的目标是实现吉比特量级的传输速率，实验平台必须在信号收发和数据处理方面都具备相应的处理能力。60 GHz无线通信系统尚处在研究阶段，不可避免地会遇到各种问题，需要及时做出调整和修改，后续关于完整收发系统、时隙分配、信道及噪声估计、均衡等的研究都是探索性的，要求实验平台具有一定的开放性和可扩展性，方便研究者直观快捷地获取实验数据，并及时调整改进。模块间的接口问题也应该引起注意，PC（个人计算机）要实现对数据流的捕获、分类和速率控制等操作，就必须与实验平台有很好的数据交换能力：一方面，传统的USB、串口等接口无法支持过高的数据传输：另一方面，为了简化结构，节约成本，目标接口最好在PC主板上存在，或者经过低成本的转换得以实现。

4硬件模块分析

4.1  收发模块

 实现60 GHz无线收发的关键之一是确定收发前端结构，目前比较流行的前端结构有两种：零中频结构和超外差结构。为了方便对比零中频结构接收机与超外差结构接收机的大致性能，本文选取了国内外较具代表性的6款IC，见表2。

 (1)零中频结构接收机

 零中频结构接收机是一种直接变换接收机，射频信号经过带通滤波器后，送人低噪放大器(low noise amplifier，LNA)进行放大处理，再送入混频器，与本振信号(localoscillator，LO)混合后产生两路正交的基带信号。零中频接收机具有结构简单、线性度好、功耗低的优点，但是会产生直流偏移、I/Q通道不平衡的问题。零中频结构接收机前端结构如图1所示。

 (2)超外差结构接收机

 超外差结构接收机为分步式接收机，射频信号经过LNA放大后，进入一级混频器，得到中频(intermediatefrequency，IF)信号，再送人二级混频器得到基带信号。超外差结构接收机的优点是频率选择性好、转换增益高，但是引入了较多的谐波频率，镜像频率抑制度差。超外差接收机前端结构如图2所示。

 由于零中频结构简单，易于集成，功耗较低，且可以通过在数字化的I/Q数据流中实现直流偏移归零；由表2的6款IC性能对比可知，零中频结构也可以做到较好的转换增益和较小的噪声系数。基于以上考虑，本文采用零中频结构作为60 GHz无线收发实验平台的前端设计。

4.2数据采集模块

 在接收端，60 GHz信号经混频器转换为基带信号，根据IEEE 802.llad协议规定，每个子信道的标准带宽为2.16 GHz，按照奈奎斯特采样定理，要完整恢复原始信号．ADC（模数转换控制器）的采样率最低为4.32 GS/s（即每秒采集到的点数，G表示109），然而这样高性能的ADC价格过于昂贵，另外，ADC允许的模拟带宽应该足够大，以免在处理信号时出现严重的失真。

 为了实现较高的等效采样率，同时提供较大的模拟带宽，提出了一种基于采样变换的超宽带接收机设计方法，其数据采集部分由一个跟踪保持放大器(T/H)、一个ADC和一个可编程延时芯片组成，跟踪保持放大器使ADC的模拟带宽扩展为5 GHz，利用延时芯片和较低采样率的ADC即可实现8 GS/s的等效采样率，满足60 GHz接收机的要求。基于采样变换的超带宽接收机架构如图3所示。

USRP是美国NI公司的一款优秀的零中频射频收发器，具有两组发射／接收天线，一个吉比特网口用于与其他网络设备进行数据交换，通信范围覆盖了无线广播、数字电视、GSM蜂窝小区、GPS、IEEE 802.11 (Wi-Fi)和Zig Bee等标准频段。依托Lab VIEW较好的数据采集和分析功能以及图形化的编程语言，能较大地缩短研发周期，减少设备成本投入，但这款产品的工作频率大致在50 MHz～5.9 GHz，ADC采样率只有100 MS/s(M表示l06)，带宽20 MHz，无法适应60 GHz无线通信，市面上也鲜有适宜研究的60 GHz收发机帮助完成60 GHz无线收发实验平台的搭建，因此，本文参考了USRP的优秀电路设计，并考虑用上文所述的零中频60 GHz接收前端代替USRP的射频前端。具体的改进措施是，屏蔽USRP前端电路，取而代之的是60 GHz无线芯片组，同时，采样变换思想，重新设计USRP的ADC电路。这样，改进后的USRP可以工作在60 GHz频段，有望实现大带宽高速率的传输，Lab VIEW提供的虚拟测试仪器和可编程方案免去了购买高频矢量信号发生器、信号分析仪和其他转接设备的高昂费用．其便利性和灵活性使研究人员得以把更多的精力投入信道建模、时序分析等工作。图4是USRP改进后的硬件原理。

4.3数据处理模块

 解决了收发前端的问题，接下来要考虑实验平台数据处理部分的硬件要求。吉比特的数据流要求设备具有快速的处理能力，FPGA凭借其主频高、读取快和并行执行能力，成为了60 GHz无线接收实验平台的数据处理芯片的理想选择。Net FPGA的具体硬件参数请参看《Net FPGA用户手册》。它的4组1 Gbit/s标准以太网口和PCI (peripheral component interconnect)总线接口保证了吉比特速率的数据传输。

4.4操作系统和测控软件

 Linux操作系统优秀的网络性能和稳定性、安全性是各大公司选择其作为服务器系统的主要原因，60 GHz无线通信系统对网络性能、稳定性等有较高的要求，因此，选择Linux作为上位机系统，实现数据分组的捕获、归类以及数据流的限速、加解密等操作。Lab VIEW是科学研究和工程领域主要的图形编程开发环境，广泛应用于仿真、数据采集、仪器控制、测量分析及嵌入式应用系统的开发。Lab VIEW对NI USRP编程，并辅助NI USRP完成数据收发、采集、检测和分析。

4.5模块间的接口

 实验平台主要由3个模块组成，分别为NI USRP、Net FPGA和PC．在接口方面，如上文所述，NI USRP和Net FPGA都具有吉比特以太网口，可以通过该端口进行数据交换：Net FPGA自带PCI，而PCI插槽几乎存在于所有的PC主板，因此．Net FPGA与PC通过PCI互连。

 基于以上考虑，确定以改进后的NI USRP作无线收发模块，Net FPGA作数据处理模块，借助Linux的网络性能和Lab VIEW的辅助测试，通过以太网口和PCI把各模块有机组合，搭建了60 GHz无线收发实验平台。

5无线收发实验平台设计与仿真

 60 GHz无线收发实验平台的模型如图5所示。下面简要介绍系统的数据收发过程。

 发射端：Linuxl将用户数据封装为PCAP格式的数据分组(packet)，通过PCI送至Net FPGAl并存储于SRAM。同时，Net FPGAl对数据分组进行时隙分配、波速控制和QoS管理等处理。借助Net FPGA Kernel Driver，可以在Linux上对数据分组的发送个数、发送时延、发送速率做出精确配置，指定发送的端口，也可以统计数据发送所用时间、总字节数和标记时间戳等信息。上述配置完成后，数据分组经由特定网络端口（假设从端口0）发出，进入NI USRP1的数据缓冲控制器，数据缓冲控制器与上变频器和DAC模块一起完成数模转换工作，通过

Lab VIEW的图形化编程实现MASK/MFSK/MPSK/MDPSK等多种调制，经过OFDM（或其他方式）后，调制到60 GHz频段，调用虚拟仪器可以获取信号在各个节点的频谱、相位等信息。接着，信号经过滤波和相位修正后，由天线发射出去。

 接收端：NI USRP2接收到信号后，经过相位修正、滤波、解调，得到原数据分组，送人接收缓冲控制器，经由高速网络端口进入NetFPGA2，解码、解密后交给Linux2进行相应的处理。

 至此，系统完成了一次数据的发送和接收工作。图6是Linux终端显示以太网口的数据监测，它统计了某一时段收到的数据分组个数、总字节数以及传输速率，图6中显示端口1的数据传输速率为967.23 Mbit/s，如果4个端口同时传送数据，那么其理论的极限速率将达到4 Gbit/s。图7是对图6时段内数据分组的捕获，并统计分组丢失率，图7中显示该段时间捕获的数据分组个数与图6发送的个数基本一致，分组丢失率接近0。

 由于NI USRP和Net FPGA都具有可编程能力，借助相应软件可以获取实时数据分析，研究人员可以在此平台上进行信道建模、时隙分析、多址接入算法等研究，该平台具有较好的开放性和拓展性。

6结束语

 本文介绍了各国家和地区对60 GHz频段的划分，指出60 GHz技术将在未来5G架构的高频新空口应用中扮演重要角色，详细分析了搭建“NI USRP+ NetFP GA+PC”作为60 GHz无线通信实验平台的理论依据，并对NI USRP的前端结构数据采集部分进行合理改进，实验表明该实验平台的单个端口数据传输速率接近1 Gbit/s，若4个端口同时传输数据，其理论极限速率将达到4 Gbit/s。该实验平台具有较高的开放性和扩展性，为进一步研究60 GHz通信中的信道建模、时隙分析、多址接人算法等问题提供了便利。