概述

通用軟件無線電外設（USRP）設備是用于射頻應用的軟件定義無線電 (SDR)，USRP收發器可以發送和接收低于6GHz的射頻信號，可以廣泛應用于多種應用中，包括5G無線通信研究、雷達探測、算法開發等，來進行對無線信號傳輸和接收分析。

但USRP無法支持商業化的更高頻率的5G毫米波通信技術，購買一臺新的毫米波儀器是非常昂貴的，所以需要考慮是否可以將現有的USRP進行升級，讓現有的USRP用戶，可以繼續使用原有的軟件開發資源。

毫米波儀器的高成本和獲取難度對其研究構成了障礙，虹科USRP毫米波解決方案可以解決這一問題。通過使用現有的低頻儀器升級到毫米波解決方案，毫米波研究人員可以用經濟的成本和更短的時間幫助推動和實現毫米波5G通信的全面普及。

如下圖所示，一個完整的毫米波系統分為三部分，分別是基帶、上下變頻器和波束成形器。與sub 6通信系統不同，波束成形器已集成到整個通信系統架構中，因為當使用毫米波頻段作為通信頻率時，信號在空中衰減非常快，這就需要使用波束成形技術來增加信號強度，因此，波束成形器是毫米波通信的必要組成部分。

波束成形器也稱為封裝天線（AiP），它是一種可以在特定方向上進行波束成形的天線，通常包含了陣列天線、PA、LNA、開關和移相器。根據電磁波理論，通過調整天線元的相位輸出，可以在特定方向產生最大的電磁波能量傳輸，這就是波束成形的原理，如下圖所示。

將下圖USRP架構圖和前面的毫米波系統架構圖進行對比，可以發現USRP能夠作為一個完整的基帶硬件使用，此時USRP的RF端口就是毫米波儀器的中頻（IF）端口。使用虹科TMKTEK UD Box 5G作為輔助上下變頻器，經過中頻信號到毫米波頻段的上下變頻，再加上波束成形器，就構成了完整的毫米波硬件架構。

但僅有的功能是不夠的，還需要確認毫米波系統收發端的信號質量，以確保它可以用于各種場景中，這里需要使用誤差矢量幅度（EVM）作為信號質量指標。EVM用于量化無線電發射器或接收器性能，由理想發射器發送或由接收器接收的信號將在理想位置具有星座點。然而，各種問題都可能導致實際星座點偏離理想位置，EVM是衡量偏離理想位置多遠的指標，噪聲、失真、雜散信號和相位噪聲都會降低EVM，因此，EVM提供了無線電接收器或發射器全方位的質量測量。

解決方案

根據前面提到的概念，將所使用USRP和虹科上/下變頻器進行構建和測試。如下圖所示：

硬件安裝

虹科雙通道上/下變頻器有4個端口，兩個IF和兩個RF端口。這里把USRP射頻看成一個中頻信號，所以將USRP的發射端和接收端分別接在UD Box 5G的IF口上。由于UD Box 5G是雙向的，所以無需關注哪個端口連接Tx，哪個端口連接Rx。

接下來，將UD Box 5G的兩個RF端口連接到波束成形器上，完成基本的硬件架構連接，最后，將二者連接到計算機上，如下圖所示，可以下載并安裝配套軟件，來通過GUI來配置設置。

軟件安裝

下載控制軟件并進行安裝，安裝完成后繼續配置硬件設備，不需要運行多個配置窗口，因為軟件可以控制和配置多個UD Box設備。點擊“Scan Local Device”中的UD Box圖標，進入UD Box 5G的配置設置。

需要確認信號亮紅燈，表示UD Box 5G的PLL被鎖定，然后配置RF頻率、IF頻率（USRP的收發器頻率）、LO頻率（這里可以選擇 High-Side injection (HIS) 或 Low-Side injection (LSI) ①）和帶寬②，然后保存配置。

注：

① 由于LO和RF的頻率范圍均為24-44GHz，當RF設置為最大值和最小值時，可能只能使用單側注入；

② 此設置幫助我們計算是否會出現諧波干擾，出現干擾時會以黃色字體表示警告；

③ UD Box 5G高級設置——參考源：100 MHz時鐘源，通道控制：開/關，參考控制：時鐘開/關，輸出電壓：開/關。

測試

首先啟動USRP收發器，以查看集成上下變頻器和波束成形器后的信號質量，運行LabVIEW，在項目名稱“LTE Design USRP RIO v19.5”下創建一個模板，然后單擊創建。

在出現的LTE Application Framework操作界面里設置USRP“RF TX Power”為5dBm，經過上下變頻器的信號衰減、波束成形器的信號增益、空中衰減后，信號強度約為35dBm，星座圖和EVM都表明信號強度良好。

一旦測量并確認信號準備就緒，就可以控制波束成形器的波束成形角度，觀察并記錄信號強度和EVM的變化。這里的初始狀態，發射器和接收器之間的夾角為0°，GUI也設置為0°。

如果將發射器轉動-30°，會發現信號強度變弱，EVM也變差：

這是因為發射端的能量沒有指向接收端，不是無線通信的理想狀態。使用波束形成器改變發射機的發射角度，將信號強度和EVM測量恢復到原始信號質量：

總結

通過這個簡單的測試，證明了這樣的毫米波升級方案是可行的，并且具有良好的信號質量。此外，還可以使用波束成形器改變角度來提高無線通信的質量，可以利用這套毫米波設備來模擬5G通信可能遇到的問題，比如波束管理、波束算法、信道噪聲等。