设计应用
esign & Application
D
A local oscillation synthesis device for 5G signal receivers
汤 瑞 （中电科思仪科技（安徽）有限公司移动通信测试事业部；
电子测量仪器技术蚌埠市技术创新中心，安徽 蚌埠233010）
摘 要：5G有3个关键性能指标：更快的峰值速率、高连接数密度和更低的延迟，这些关键指标的实现需要更高的频率和更大的带宽。接收机需要更高频率和更宽带宽的本地振荡器才能实现对5G信号的精确分析。介绍一种利用宽带压控振荡器实现满足3GPP R16版本要求的5G FR1信号接收机的本振合成装置。关键词：频率合成器；5G；接收机；宽带 5G 一直被称为是行业应用的5G ，5G 有三大应用场景，分别是eMBB （增强型移动宽带）、URLLC （
超高可靠低时延）、mMTC （海量机器类终端通信）。5G 技术的发展离不开高性能5G 信号接收机和发射机的支持。随着5G 的不断演进和5G 垂直行业应用的不断深入，5G 相关指标和技术不断更新，这些变化都对5G 信号接收装置提出了新的要求，需要更大的带宽、更快的响应速度、更精确的解调精度等[1-3]。本文采用宽带VCO 、鉴相器、分频器、预分频器等组成的锁相环方案，实现了一种可以覆盖3GPP R16版本要求的5G FR1频段的5G 接收机本振发生装置。
1 方案设计
5G 信号接收机，一般由本振模块、接收通道模块、高速信号传输模块、数字信号分析模块、工控控制模块等部分组成，本文介绍了一种可以覆盖3GPP R16版本规定5G FR1频段（410~7 125）MHz 无线频率范围新要求的本振装置。 采用基于宽带高性能VCO （ADI 公司HMC773LC4B ） 的本振模块，输出（10~20）GHz 的本振信号是5G 信号分析仪整机射频电路的核心模块，其功能块包括：参考环电路、鉴相电路、Σ-Δ调制、预分频电路、耦合反馈回路及FPGA 控制电路等。HMC983LP5E 功能框图如图1所示，其工作频率为DC ~7 GHz ，因此需要在锁
相环反馈回路中添加预置四分频器HMC447LC3，将频率变为（2.5~5）GHz
三维景点
。
图１ ＨＭＣ９８３的功能框图
方案中的各个模块原理图及功能简介如下：图2为100 MHz 参考环路模块，通过HMC1031MS8E 鉴相比较，实现10 MHz 锁定100 MHz 参考环路；图3为宽带锁相环路模块，通过HMC983LP5E 分频器、HMC984LP4E 鉴相器、有源环路滤波器、宽带耦合微带电路、预分频电路实现（10~20）GHz 的宽带锁相环路。
2 实验过程
本文研制过程中的一种5G信号接收机的本振合成装置的原理图和PCB绘制使用的是Altium Design工具。按照1中的方案描述，使用Altium Design工具绘制了对应原理图和PCB，使用SMT将元器件焊接在板上，完成本振合成装置。接口方面，有为整机提供的10 MHz参考输入；100 MHz参考输出，为整机点频第二、第三本振提供参考；（10~20）GHz本振输出，为接收通道混频模块提供激励本振源，完成频率变换；FPGA 下载接口用于在线调试和bit文件烧写；96芯接插件为本振合成装置与整机母板之间的电源、数据线、地址线、控制线提供通路。图4为完成的本振合成装置正面图片。红部分为FPGA控制模块的主要本振频率控制功能；蓝部分为10 MHz外部参考，锁定到100 MHz，用于
（10~20）GHz锁相环的
参考和整机其他模块；黄制钢
部分为本振合成装置
的供电模块，为FPGA、
VCO、放大器、开关、
分频器、鉴相器等提供
+5 V、+15 V、+30 V、-fe光模块
15 V等电源；紫部分
为本振装置的核心模块，
包括鉴相器、小数分频
器、宽带耦合器、宽带压
控振荡器、微带带通滤波
器、预置4分频器等，完
成100 MHz参考输入实
现（10~20）GHz宽带信
号输出，为5G信号接收
机提供本振源。
图４ 本振合成装置
防静电控制器
3 测试结果
将本方案的本振合成装置接入有接收通道装置、频谱分析装置、宽带信号分析装置、键盘（下转第８２页）
图２ １０ ＭＨｚ锁定１００ ＭＨｚ参考环路图３ 宽带锁相环路
（ｄ）２６４ Ｖ ＆ ５０ Ｈｚ，垂直图８ 使用图６驱动电路的ＥＭＩ测试结果
（上接第７６页）控制装置、工控接口装置、显示装置、二/三本振装置、时钟参考装置等的5G 信号接收机中，配合驱动程序、硬件控制程序、显示程序等组成完整的5G 信号接收机，通过对5G FR1 100 MHz 带宽的标准5G 信号分析能够呈现本振合成装置的性能。使用射频线缆连接矢量信号源与装入本振合成装置的5G 信号接收机，信号源发射1 GHz 中心频点的100 MHz 带宽上行PUSCH 信号，5G 信号接收机配置对应参数，解析界面如图5所示。解调结果表明，EVM 均值为1.49%，频率误差为-4.94 Hz ，IQ _offset 为-36.55 dB
。
图５ １００ ＭＨｚ ５Ｇ ＰＵＳＣＨ信号解调图
4 结束语
通过宽带VCO 的锁相环实现高频宽带、高性能的本振方案，可以满足5G 信号接收装置的需求，依照本方案设计的本振合成装置成功应用到了5G 信号接收机，正移植到5G 信号发生器中。
参考文献：
[1] 远坂俊昭.锁相环(PLL)电路设计与应用[M].何希才，译.北京：科学出版社,2006.
[2] 杜勇.锁相环技术原理及FPGA实现[M].北京：电子工业出版社,2016.
[3] 陈山枝，胡金玲，等.蜂窝车联网(C-V2X).[M].北京：人民邮电出版社,2020.
[4] Hittite Microwave Corporation.HMC984LP4E DIGITAL PHASE-FREQUENCY DETECTOR[Z].Chelmsford:Hittite.[5] Hittite Microwave Corporation.HMC983LP5E DC-7 GHZ FRACTIONAL-N DIVIDER AND FREQUENCY SWEEPER[Z].Chelmsford:Hittite.
4 结束语
超结结构功率MOSFET 的Coss 和Crss 电容更强烈的非线性导致更快的开关速度，产生EMI 的设计问题。去除常用的栅极下拉快速关断三极管，增加外部电容，超结结构功率MOSFET 的开关特性可以较好实现开关速度、开关损耗和EMI 的平衡。
参考文献：
[1] 刘业瑞，刘松.超结结构的功率MOSFET输出电容特性[J].电子产品世界,2020(8):82-84.
[2] 刘业瑞，刘松.功率MOSFET输出电容的非线性特性[J].电子产品世界,2020(10):70-71.
[3] 刘松.再谈米勒平台和线性区：为什么传统计算公式对超结MOSFET开关损耗无效[J].今日电子,2018(5):38-40.
[4] 刘松.超结型高压功率MOSFET结构工作原理[J].今日电子,2013(11):30-31.
摇摇棒震动开关
[5] 刘松，孙国营.快充次级同步整流MOSFET对EMI辐射干扰的影响[J].今日电子,2017(8) :32-33.来访登记系统
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