無線技術已無所不在。 現在能連接無線的新型無線設備越來越多，其消耗的數據量與日俱增。 無線設備的數量與數據消耗量每年都以指數級增加。 為了滿足此類需求，許多機構都在研究新型無線技術，以完善現有的無線架構。 為了達成這個目標，世界各地的無線標準化組織共同展開了一項艱巨的任務，那就是定義新一代無線網絡系統，也稱為5G。 5G網絡的三大應用情境包含： 增強型移動寬帶（eMBB）、大規模機器通信（mMTC）與超可靠機器通信（uRMTC）。

上述三大應用情境可分別用于滿足不同的需求，例如eMBB的重點在于峰值數據傳輸率，而uRMTC則側重于降低延遲。 由于需求十分多樣，單一特定技術無法滿足全部需求，因此5G將會是多種全新技術的合體。 尤其是對于eMBB應用場景，研究人員需要將峰值數據傳輸速率提高到4G網絡的100倍以上，而6 GHz以下的可用頻譜已經極其有限了。 經實踐證明，數據速率與可用頻譜直接相關，而根據香農定理指出，容量是帶寬（即頻譜）和信道噪聲的函數。 因為6 GHz以下的頻譜幾乎已分配完畢，所以針對eMBB的應用情境，研究人員必須轉向6 GHz以上的頻譜，研究毫米波領域。

1. 毫米波軟件無線電（SDR）的需求

世界各地的服務運營商為了服務客戶，已在頻譜上花費了數十億美元。 6 GHz以下頻譜居高不下的拍賣價格，便凸顯了市場的高度競爭與珍貴資源的缺乏。 如先前所述，根據香濃定理，數據傳輸速率與容量的提升均受頻譜所限。 頻譜范圍越廣，數據傳輸率也越高，這樣服務運營商不僅能服務更多用戶，還能提供更一致的移動寬帶數據傳輸體驗。 而毫米波頻譜不僅非常充裕，而且只需稍微經過授權就能使用，因此世界各地的運營商都能夠利用毫米波。 而采用mmWave所面臨的挑戰，主要在于此頻譜還有許多未知內容，沒有經過完整研究，還有尚未解決的技術問題。

為了利用毫米波來實現5G網絡，研究人員必須開發新的技術、算法和通信協議，因為毫米波信道的基本性質與當前的蜂窩模型截然不同，并且是相對未知的。 建立毫米波原型的重要性再怎么強調都不過分，尤其是在時間如此緊迫的情況下。 建立毫米波系統原型可演示某項技術或概念的可行性，這是仿真無法做到的。 毫米波原型能夠在多種情境下進行無線實時通信，有助于揭開毫米波信道的神秘面紗，并推動該技術的應用與普及。

圖1： 3GPP與IMT 2020所定義的三種高級5G應用場景

為了達成此項目標，NI推出全球首臺實時毫米波原型驗證系統，旨在幫助工程師與研究人員快速對毫米波系統進行原型驗證。 NI毫米波收發器系統結合了靈活的模塊化硬件與強大的應用軟件，是一款適用于毫米波應用的SDR。 由于毫米波收發器是一款完整的SDR，軟硬件都具有完整功能與模塊化特性，因此研究人員能夠快速布署他們的設計，并使用軟件進行快速迭代，不斷優化其設計。

2. 毫米波通信系統原型驗證

創建完整的mmWave通信原型時會面臨多種難題。 假設有一個可處理數GHz通道的基帶子系統。 目前多數LTE實現皆使用10 MHz通道（最高20 MHz），而計算負荷會隨著帶寬線性增加。 換句話說，計算能力必須以100倍甚至更多的倍數增加才能解決5G數據速率需求。 LTE渦輪解碼器所使用的算法不僅需要大量的計算資源，還需要高性能計算軟件才能實時處理數據。 FPGA為這些計算提供了理想的硬件解決方案，對于超寬帶渦輪解碼，FPGA是不可或缺。

盡管FPGA是毫米波原型驗證系統的核心元件，但設計出能處理數GHz通道的多FPGA系統將使系統更加復雜。 為了解決系統復雜度與軟件挑戰，NI提供了毫米波物理層的源代碼，涵蓋了毫米波系統基帶的基本原理，并且抽象了在多個FPGA之間移動和處理數據的過程，從而簡化了工作難度。

FPGA僅為毫米波原型驗證系統的一部分。 數據必須能夠在數字域之間移動，以便進行處理，還需要在模擬域之間移動，以便信號能夠無線收發。 DAC與ADC技術的發展使得目前已能捕獲1至2GHz的信號。 市場上有些毫米波頻率的IC。 這些IC可連接至毫米波收發器系統的ADC與DAC進行評估，然后執行原型驗證工作。 然而，RFIC無法提供信道探測或通信原型驗證所需的高功率輸出或RF品質。 為了集成更高的功率與更高品質的RF，需要通過IF級將信號上變頻至12 GHz。 最后再將毫米波無線電站連接至IF模塊。 如果想要從頭開始，開發原型驗證系統的各個部分需要掌握各種設計專業知識以及擁有大量的工程資源。 每個部分的硬件設計都不容易，另外還需要開發用于控制與同步各級硬件的軟件，這進一步增加了自定義設計的復雜性。 毫米波收發器系統提供了完整的原型驗證解決方案，能夠幫助工程師更快速從概念和算法設計過渡到原型驗證。

NI提供4種現成的毫米波原型驗證系統配置，下面將會詳細介紹。 毫米波收發器系統基于PXIe平臺，包含2 GHz帶寬的基帶處理子系統、2 GHz帶寬的濾波中頻（IF）級與LO模塊，以及位于機箱外部的模塊化毫米波無線電站。 系統框圖如圖2所示。

圖2： 毫米波系統框圖

模塊化方法可通過增加或移除模塊來滿足各種通道和配置需求，從而實現了靈活的硬件平臺。 用戶可以選擇使用完整的NI毫米波解決方案，或將將自己的射頻設備集成至NI IF或基帶系統。 用戶還可使用相同的系統以及相同的IF和基帶軟硬件來開發不同頻帶的原型。 此系統還可從單向SISO系統擴展到雙向MIMO系統，因而不僅適用于信道探測，也可進行并行收發來實現完整的雙通道雙向通信鏈路。 下面我們將進一步介紹各種系統組件與配置。 本文件不討論針對特定應用的軟件。

3. 毫米波收發器系統硬件

毫米波收發器系統是一個SDR平臺，適用于構建毫米波應用，包含系統原型驗證。 該系統為用戶提供了靈活的硬件平臺與應用軟件來執行實時無線毫米波通信研究。 軟件對用戶開放，可根據研究需求變化進行調整，因此設計可以反復迭代和優化來滿足特定目標或目的。

NI毫米波收發器系統內含PXIe機箱、控制器、時鐘分配模塊、FlexRIO FPGA模塊、高速DAC與ADC、LO與IF模塊和毫米波無線電臺。 此模塊可組裝成不同的配置來滿足不同毫米波應用的需求，例如信道探測、MIMO通信鏈路原型驗證等等。 本文詳細介紹了毫米波收發器系統所用的硬件，以及模塊之間的交互。 如需詳細的性能規格，請查看毫米波收發器系統的數據表。

PXI Express機箱

原型驗證系統以PXIe-1085機箱為基礎。 機箱包含不同的處理模塊，并提供電源、互連功能以及定時和同步基礎設施。 這款18槽機箱的每個插槽均搭載了PCI Express（PCIe）第3代技術，適用于高吞吐量和低延遲應用。 機箱可提供4 GB/s的單槽帶寬和24 GB/s的系統帶寬。 PXIe-1085采用雙開關背板架構，正如圖3系統圖所示。由于靈活的PXI設計，在創建高通道數系統時，多個機箱可通過菊花鏈方式或星形配置連接在一起。

圖3： 18槽PXIe-1085機箱（a）與系統圖（b）

高性能可重配置FPGA處理模塊

所有SDR均需要軟件與計算元件來組成物理層。 這款毫米波原型驗證系統采用單槽FlexRIO模塊，為PXIe機箱中添加了靈活的高性能處理模塊，該模塊可使用LabVIEW進行編程。 PXIe-7976R FlexRIO FPGA模塊可獨立運行，提供了可自定義的大型Xilinx Kintex-7 410T，通過PCI Express Generation 2 x8 連接至PXI Express背板。 此毫米波收發器系統可根據不同的配置，將不同處理任務分配給不同的FPGA，配置可通過軟件進行設定。

圖4： PXIe-7976R FlexRIO模塊（a）與系統框圖（b）

用于高傳吞吐量應用的高性能 FPGA

NI PXIe-7902 FPGA模塊是基于Xilinx Virtex 7 485T構建的功能強大的處理模塊。 大型FPGA適用于處理計算密集型應用，例如毫米波物理層。 此模塊能以PCIe gen 2x8的速度在PXIe機箱的背板之間傳輸數據。 對于需要更快數據傳輸率的應用，PXIe-7902 還提供了由 24 個GB級收發器 （MGT）組成的6 個miniSAS HD 前端面板連接器。 MGT可連接至其他PXIe-7902或其他DAC/ADC模塊，使多信道基帶信號具有高達2 GHz的實時寬帶。

圖5： PXIe-7902R FPGA模塊（a）與系統框圖（b）

超寬帶DAC與ADC

圖6為 PXIe-3610 DAC，圖7為PXIe-3630 ADC。兩者均可通過4個MCX前面板接頭來連接模擬基帶差分I/Q對。 這些模塊可連接起來，組成一個基帶環回測試系統，并連接至 PXIe-3620 IF模塊或第三方基帶硬件。 表1為基本性能信息。如需查看詳細的性能信息，請查看毫米波收發器系統數據表。

表1： PXIe-3610與PXIe-3630的基本性能規格

圖6： DAC模塊與程序框圖

圖7： ADC模塊與與程序框圖

12 GHz IF模塊

PXIe-3620 LO/IF模塊能以高達2 GHz的帶寬分別處理一組傳輸鏈與一組接收鏈。 NI PXIe-3620通過將輸入信號與集成式LO組合，可將基帶信號上變頻10.5至12 GHz之間的軟件可編程IF。 針對接收部分，NI PXIe-3620可接收10.5至12 GHz的輸入IF ，并將其轉換為基帶信號。 該模塊具有內部增益控制功能，并可傳輸高達7 dBm的信號和接收20 dBm的信號。 PXIe-3620 還提供適用于NI 3647與 NI 3657毫米波電站的LO參考信號。 LO/IF模塊可接受外部LO信號，也可針對其他IF模塊驅動LO信號，以在 MIMO 拓撲中同步多個發射器/接收器數據流。 差分I/Q可通過設備前面板的MXC連接器訪問。

圖8： PXIe-3620 IF模塊

毫米波電站

NI 3647與NI 3657模塊化發射與接收無線電站能為NI毫米波收發器系統提供高品質的RF信號。 NI 3647毫米波電站發射器的工作頻率范圍為 71 - 76 GHz；輸出功率高達 25 dBm * 與寬帶高達2 GHz RF。 此發射器可與71 - 76 GHz 的 NI 3657毫米波接收器搭配使用。 這兩個設備的前端均具備 WR-12 波導端口，可連接至用戶提供的天線，例如號角天線或相位陣列天線。 NI 3647發射無線電站可作為倍頻器來執行上變頻操作。 無線電站包含的衰減器與放大器可用于最大化增益控制和降低噪聲系數。 如需毫米波收發器系統的詳細RF規格，請查看產品數據表。

圖9： 71至76 GHz的毫米波無線電站

*部分地區并未提供25 dBm輸出功率版本。 全球提供的是20 dBm輸出功率版本。

4. 系統配置選項

NI毫米波收發器系統是一個靈活的硬件平臺，能夠滿足各種通信需求。 除了可通過添加或移除系統硬件來創建各種系統外，該平臺還針對最常見的應用場景提供了4種基本配置：

單向SISO

單向2x2 MIMO

雙向SISO

雙向2x2 MIMO

單向系統

上述2個單向系統均由2個PXIe機箱組成，其中一個機箱配備發射器，另一個機箱則配備接收器。 該配置非常適用于信道探測測量。 在這種配置下，用戶可將發射與接收子系統分開來，并在各種環境中執行信道探測測量。 由于PXIe架構系統的模塊化特性，用戶可以輕松添加額外的硬件來滿足不同的研究需求，例如增加通道數量來提升測量到達角的準確性。 如果要實現并行接收或并行發射與接收外，除了增加接收通道數量這一方法外，用戶也可以將外部開關添加至SISO系統。 這種靈活性可允許研究人員選擇最能滿足其測量速度與配置需求的硬件配置。 因為毫米波收發器系統專為MIMO架構設計，因此各通道之間可輕松共享 LO 信號來實現相位相干。 圖10與圖11為SISO與2x2 MIMO的系統程序框圖。

圖10： 單向SISO配置

圖11： 單向MIMO配置

雙向系統

兩種雙向系統配置均包含2個PXIe機箱，一個配備發射器，另一個配備接收器。 這些系統專為通信原型驗證而設計，能夠為研究人員提供所需的硬件來創建實時雙向通信鏈路。 毫米波通信研究仍有存在許多未知。 確定毫米波信道內的信號行為非常重要。 完整定義的信道模型雖然對算法開發人員頗有幫助，但實時通信鏈路最終仍須經過原型驗證才能確定其在新頻段的性能。 無論是要驗證新的物理層與無線接口，還是要了解現有的LTE物理層如何能夠適應2 GHz等超寬帶寬，均可使用NI毫米波系統來實時驗證其性能。 結合NI毫米波系統、FPGA處理功能與LabVIEW之后，便有可能在2 GHz寬帶下進行實時調制、解調、編碼與渦輪解碼。 這些系統可做為研究人員開發與測試通信協議的平臺。 不同于6 GHz以下頻譜的通信，毫米波信號具有高度的方向性，因此協議必須能夠確保2個或多個節點能夠相互定位。 節點間必須能夠互相交換控制與測量信息，例如波束控制或隨機接入協議。 圖11與12為兩種雙向系統的配置圖。

圖12： 單向SISO配置

圖13： 單向MIMO配置

5. 總結

NI毫米波收發器系統是一系列模塊化硬件的組合，適用于信道探測、實時雙向通信系統原型驗證等多種應用。 該系統以PXI平臺為架構，并提供靈活的模塊組合，可提供多種不同的配置來滿足不斷變化的研究需求。 毫米波無線電站本身具備模塊化特性，而且可用其他RF前端來替代，因而可在使用相同軟硬件組合的情況下研究多種不同的頻率，從而節省工程設計的時間、大幅提升系統的重復使用率。 該硬件結合LabVIEW的強大功能，為毫米波通信原型驗證提供了極佳的平臺，并幫助工程師更快速創新。