江 丹

（1.中電科思儀科技（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233050；2.電子儀器技術(shù)蚌埠技術(shù)創(chuàng)新中心，安徽 蚌埠 233050）

0 引言

隨著5G商業(yè)化進(jìn)程的進(jìn)一步推進(jìn)，人們對(duì)大帶寬高速率的需求促進(jìn)了面向毫米波通信技術(shù)的研究[1,2]。毫米波可以提供每秒數(shù)G比特的數(shù)據(jù)傳輸速率[3]，因此成為5G的高頻段關(guān)鍵候選波段[4,5]。當(dāng)前，毫米波通信關(guān)鍵器件是目前毫米波通信發(fā)展的核心與關(guān)鍵所在。毫米波通信全固態(tài)電子鏈路關(guān)鍵器件已經(jīng)在無線傳輸中得到廣泛應(yīng)用，但也存在一些不足，如工作帶寬大導(dǎo)致收發(fā)鏈路帶內(nèi)平坦度指標(biāo)惡化等，這些問題已經(jīng)成為限制其應(yīng)用的主要因素[5]。文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]提出利用均衡器粗調(diào)的方式來改善帶內(nèi)平坦度的方法，但其針對(duì)毫米波頻段平坦度的改善能力有限。

本文提出一種平坦度校正方法，該方法在訓(xùn)練模式下，通過采集發(fā)射多音信號(hào)，收集該信號(hào)獲取頻率響應(yīng)參數(shù)，并基于頻率采樣法[10]設(shè)計(jì)相應(yīng)的補(bǔ)償濾波器。補(bǔ)償模式下，將濾波器系數(shù)導(dǎo)入基帶濾波器中，可以顯著提高毫米波信號(hào)發(fā)生器平坦度的性能。

1 平坦度校正方法

帶內(nèi)平坦度ΔG指的是功率放大器增益變化的范圍，其具體定義為帶內(nèi)功率曲線的最大值Gmax與最小值Gmin的差值，其表達(dá)式為：

平坦度校正分為訓(xùn)練模式和補(bǔ)償模式兩步進(jìn)行：訓(xùn)練模式通過發(fā)射多音信號(hào)來計(jì)算帶內(nèi)頻率響應(yīng)，并計(jì)算出補(bǔ)償濾波器系數(shù)；補(bǔ)償模式利用該系數(shù)對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。圖1為平坦度校正方案整體架構(gòu)。

圖1 平坦度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方案

2 補(bǔ)償濾波器設(shè)計(jì)

2.1 多音信號(hào)設(shè)計(jì)

在200 MHz帶寬內(nèi)，設(shè)計(jì)M=63的多音信號(hào)，每個(gè)單音的頻域間隔為30 MHz，其M點(diǎn)頻率響應(yīng)Gc(k)為：

2.2 補(bǔ)償濾波器設(shè)計(jì)

將多音信號(hào)調(diào)制到25 GHz頻點(diǎn)并發(fā)射，接收端采用245 MHz采樣率進(jìn)行采樣，得到M點(diǎn)頻率響應(yīng)Hc(k)。則M點(diǎn)補(bǔ)償濾波器的頻率響應(yīng)為其中Hp(k)為理想頻率響應(yīng)。

設(shè)h(n)為M點(diǎn)補(bǔ)償濾波器的脈沖響應(yīng)，H(k)是M點(diǎn)離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT），其系統(tǒng)函數(shù)為：

式中：ω為弧度；z為復(fù)變量。取z=ejω，則有：

并有：

補(bǔ)償濾波器系數(shù)為：

2.3 平坦度補(bǔ)償

設(shè)原始寬帶信號(hào)為x，利用2.2節(jié)的計(jì)算的系數(shù)對(duì)x進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算方式為：

3 仿真與實(shí)測結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提算法的補(bǔ)償性能，本文分別從仿真和實(shí)測兩個(gè)方面對(duì)帶內(nèi)平坦度的補(bǔ)償效果進(jìn)行評(píng)估，其中發(fā)射信號(hào)采用2 GHz帶寬的正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）信號(hào)。

3.1 算法仿真

仿真參數(shù)和對(duì)應(yīng)的值如表1所示。

表1 仿真條件

誤差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）定義為：

式中：Z(t,f)為實(shí)際信號(hào)矢量；I(t,f)為理想信號(hào)矢量。

3.1.1 平坦度對(duì)比

根據(jù)2.2節(jié)生成的補(bǔ)償濾波器系數(shù)，對(duì)實(shí)際的200 MHz帶寬信號(hào)進(jìn)行算法補(bǔ)償，圖2與圖3分別給出了補(bǔ)償前后平坦度曲線對(duì)比。從中可以看出進(jìn)行算法補(bǔ)償后，在不改變時(shí)域信號(hào)功率的前提下，平坦度指標(biāo)由最初的±1 dB提升到±0.2 dB以內(nèi)。

圖2 未補(bǔ)償時(shí)域與平坦度

圖3 補(bǔ)償時(shí)域與平坦度

3.1.2 解調(diào)結(jié)果對(duì)比

采用1 000次蒙特卡羅仿真方法，對(duì)比不同信噪比下補(bǔ)償算法對(duì)解調(diào)結(jié)果的影響。

從圖4可以看出，在不同信噪比下，補(bǔ)償前后信號(hào)的解調(diào)EVM趨向一致，也就說明平坦度補(bǔ)償并不影響信號(hào)的解調(diào)精度。

圖4 補(bǔ)償前后解調(diào)EVM

3.2 平臺(tái)實(shí)測

硬件平臺(tái)采用Xlinxi FIR Compiler IP核，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行平坦度補(bǔ)償。將補(bǔ)償濾波器系數(shù)導(dǎo)入基帶，利用分析儀對(duì)平坦度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

3.2.1 平坦度對(duì)比

在25 GHz頻點(diǎn)發(fā)射帶寬為200 MHz的OFDM信號(hào)，實(shí)時(shí)采集15 ms數(shù)據(jù)，圖5與圖6分別表示補(bǔ)償前后時(shí)域信號(hào)與平坦度的實(shí)測結(jié)果。

對(duì)比圖5和圖6，可以看出，未進(jìn)行補(bǔ)償前，平坦度在±1 dB以內(nèi)波動(dòng)。補(bǔ)償以后平坦度保持在±0.2 dB以內(nèi)。

圖5 未補(bǔ)償時(shí)域與平坦度

圖6 補(bǔ)償后時(shí)域與平坦度

3.2.2 解調(diào)結(jié)果對(duì)比

基帶信號(hào)采用16QAM調(diào)制方式，在信噪比為20 dB的情況下，利用分析儀對(duì)EVM結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7和圖8所示。

從圖7與圖8實(shí)測結(jié)果可以看出，補(bǔ)償算法在修正平坦度指標(biāo)的同時(shí)對(duì)解調(diào)結(jié)果無影響。

圖7 未補(bǔ)償解調(diào)EVM與星座圖

圖8 補(bǔ)償后解調(diào)EVM與星座圖

4 結(jié)語

本文針對(duì)毫米波頻段功放非線性增益引入的平坦度指標(biāo)惡化問題，提出了一種基于頻率采樣法的幅度校正算法。該算法通過實(shí)時(shí)計(jì)算帶內(nèi)補(bǔ)償因子的方法對(duì)惡化信號(hào)進(jìn)行修正。仿真和實(shí)測結(jié)果表明，所提算法在不影響解調(diào)指標(biāo)的情況下，能夠顯著改善帶內(nèi)平坦度的性能。