如何升级通用软件无线电外设到高频5G毫米波频段？

概述

通用软件无线电外设（USRP）设备是用于射频应用的软件定义无线电 (SDR)，USRP收发器可以发送和接收低于6GHz的射频信号，可以广泛应用于多种应用中，包括5G无线通信研究、雷达探测、算法开发等，来进行对无线信号传输和接收分析。

但USRP无法支持商业化的更高频率的5G毫米波通信技术，购买一台新的毫米波仪器是非常昂贵的，所以需要考虑是否可以将现有的USRP进行升级，让现有的USRP用户，可以继续使用原有的软件开发资源。

毫米波仪器的高成本和获取难度对其研究构成了障碍，虹科USRP毫米波解决方案可以解决这一问题。通过使用现有的低频仪器升级到毫米波解决方案，毫米波研究人员可以用经济的成本和更短的时间帮助推动和实现毫米波5G通信的全面普及。

如下图所示，一个完整的毫米波系统分为三部分，分别是基带、上下变频器和波束成形器。与sub 6通信系统不同，波束成形器已集成到整个通信系统架构中，因为当使用毫米波频段作为通信频率时，信号在空中衰减非常快，这就需要使用波束成形技术来增加信号强度，因此，波束成形器是毫米波通信的必要组成部分。

波束成形器也称为封装天线（AiP），它是一种可以在特定方向上进行波束成形的天线，通常包含了阵列天线、PA、LNA、开关和移相器。根据电磁波理论，通过调整天线元的相位输出，可以在特定方向产生最大的电磁波能量传输，这就是波束成形的原理，如下图所示。

将下图USRP架构图和前面的毫米波系统架构图进行对比，可以发现USRP能够作为一个完整的基带硬件使用，此时USRP的RF端口就是毫米波仪器的中频（IF）端口。使用虹科TMKTEK UD Box 5G作为辅助上下变频器，经过中频信号到毫米波频段的上下变频，再加上波束成形器，就构成了完整的毫米波硬件架构。

但仅有的功能是不够的，还需要确认毫米波系统收发端的信号质量，以确保它可以用于各种场景中，这里需要使用误差矢量幅度（EVM）作为信号质量指标。EVM用于量化无线电发射器或接收器性能，由理想发射器发送或由接收器接收的信号将在理想位置具有星座点。然而，各种问题都可能导致实际星座点偏离理想位置，EVM是衡量偏离理想位置多远的指标，噪声、失真、杂散信号和相位噪声都会降低EVM，因此，EVM提供了无线电接收器或发射器全方位的质量测量。

解决方案

根据前面提到的概念，将所使用USRP和虹科上/下变频器进行构建和测试。如下图所示：

硬件安装

虹科双通道上/下变频器有4个端口，两个IF和两个RF端口。这里把USRP射频看成一个中频信号，所以将USRP的发射端和接收端分别接在UD Box 5G的IF口上。由于UD Box 5G是双向的，所以无需关注哪个端口连接Tx，哪个端口连接Rx。

接下来，将UD Box 5G的两个RF端口连接到波束成形器上，完成基本的硬件架构连接，最后，将二者连接到计算机上，如下图所示，可以下载并安装配套软件，来通过GUI来配置设置。

软件安装

下载控制软件并进行安装，安装完成后继续配置硬件设备，不需要运行多个配置窗口，因为软件可以控制和配置多个UD Box设备。点击“Scan Local Device”中的UD Box图标，进入UD Box 5G的配置设置。

需要确认信号亮红灯，表示UD Box 5G的PLL被锁定，然后配置RF频率、IF频率（USRP的收发器频率）、LO频率（这里可以选择 High-Side injection (HIS) 或 Low-Side injection (LSI) ①）和带宽②，然后保存配置。

注：

① 由于LO和RF的频率范围均为24-44GHz，当RF设置为最大值和最小值时，可能只能使用单侧注入；

② 此设置帮助我们计算是否会出现谐波干扰，出现干扰时会以黄色字体表示警告；

③ UD Box 5G高级设置——参考源：100 MHz时钟源，通道控制：开/关，参考控制：时钟开/关，输出电压：开/关。

测试

首先启动USRP收发器，以查看集成上下变频器和波束成形器后的信号质量，运行LabVIEW，在项目名称“LTE Design USRP RIO v19.5”下创建一个模板，然后单击创建。

在出现的LTE Application Framework操作界面里设置USRP“RF TX Power”为5dBm，经过上下变频器的信号衰减、波束成形器的信号增益、空中衰减后，信号强度约为35dBm，星座图和EVM都表明信号强度良好。

一旦测量并确认信号准备就绪，就可以控制波束成形器的波束成形角度，观察并记录信号强度和EVM的变化。这里的初始状态，发射器和接收器之间的夹角为0°，GUI也设置为0°。

如果将发射器转动-30°，会发现信号强度变弱，EVM也变差：

这是因为发射端的能量没有指向接收端，不是无线通信的理想状态。使用波束形成器改变发射机的发射角度，将信号强度和EVM测量恢复到原始信号质量：

总结

通过这个简单的测试，证明了这样的毫米波升级方案是可行的，并且具有良好的信号质量。此外，还可以使用波束成形器改变角度来提高无线通信的质量，可以利用这套毫米波设备来模拟5G通信可能遇到的问题，比如波束管理、波束算法、信道噪声等。