基于数字基带延时的多通道移相算法实现

孙博 周保奎 张良

摘要：5G网络中MIMO（多输入多输出）和Beamforming（波束成形）是实现数据高速率传输的关键，这里面多通道数字基带信号产生和相位调节非常关键，为了解决传统模拟移相器需要外接器件和精度不高的问题，提出了一种利用多基带信号生成，在基带信号通过添加可变延时的方法实现相位的偏移。通过5225D多通道综测仪和3672矢量网络分析仪进行了算法的精度验证，该方法具有相位偏移精度高、成本低、控制简单等特点，可用于5G测试中MIMO测试验证。

关键词：5G;MIMO;Beamforming;数字移相;基带。

0 引言

移动通信网络以十年一代的更新速度不断改变我们的生活方式，2019年中国正式实现5G网络的商用，5G相较于4G带来数十倍的传输速率提升，更低的传输时延，更多的连接数目，实现万物的互联。为了实现更高的传输速率，一方面是提高通信的传输带宽，另一方面是通过波束成形来将多天线的能量向用户集中，这就需要对5G基站的天线进行动态调整，通过改变天线发送单元的角度来实现在特定位置区域的信号的增强，这就需要高精度的数字移相技术。

最早的移相是通过移相器来改变输出信号的相位，这种方式需要添加额外的控制电路，并且只能对模拟信号进行移相，精度和工作频率都比较有限，多用在大型的相控阵雷达、卫星天线等上面，后面随着电子技术的发展多采用数字移相方式，工作原理是先将模拟信号或者移相角转变为对应的数字，通过电子转换方式进行对应的角度偏移或者时间延迟在将得到的数字信号转化为模拟信号，这种移相方式虽然具有较高的可实现性，但是输出信号的频率分辨率不高，无法实现高频率下的相位角度偏移。

结合移动通信和数字基带技术，提出一种利用矢量调制技术在数字基带上面对信号添加固定延时的算法实现相位的固定偏移，并通过在多通道综测仪和矢量网络分析仪进行测试，验证了方法的功能和精度。

1 数字基带延时移相方法

在进行数字信号生成中，矢量调制信号分为I路、Q路，常见的调制方式有QPSK、QAM等，信号中就含有载波相位信息，因此 在信号生成过程中设置信号的频率、采样率、相位信息既可以得到对应频率、相位角度的信号，这个信号作为基信号，通过计算得到，待偏移信号与基信号偏移角度对应的延时，在基带信号添加上这个延时即可得到对应相位偏移的信号，实现步骤如下：

设置初始基带信号载频fc、采样率fs，t为插值得到的阶乘次数，为了保证相位的偏移精度，fs为360倍的fc

生成初始基带信号，偏移角度为0

计算角度对应的延时，偏移角度为x的情况下延时dt =（x/360*2*pi）/（2*pi*fc）*fs;

生成偏移信号，对应的Q路信号为cos（2*pi*fc*（t-dt）/fs），对应的I路信号为1i*sin（2*pi*fc*（t-dt）/fs），从而得到偏移角度x的I、Q两路信号，相较于原始的基带信号偏转角度为x.

2 仿真与实现

通过将数字数字基带延时移相方法利用Matlab实现，从而得到同一频率下不同角度的波形文件，将波形文件导入到5252D 多通道综测仪进行2个通道的信号同时发出，通过3672矢量网络分析仪计算2个通道的相位，操作步骤如下：

将5252D多通道综测仪的2路输出连接至3672B矢量网络分析仪的R1输入和端口1;选择矢量网络分析仪的相位测试功能，校准矢网，设置5252D 多通道综测仪频率为1GHz，功率-10dBm，通道1、通道2均输出基带相位0度调制数据，利用矢网进行归一化后得到相位数据，记录;将5252D多通道综测仪的通道2进行相位偏转，分别偏转1度、2度、5度直到180度，进行结果统计，将测试数据统计如下表：

3 结束语

在数字移相和数字基带调制的基础上，针对矢量调制信号本身带有一定的相位信息实现了一种数字基带移相方法，克服了传统移相器或数字电路的移相精度、頻率限制，实现了高频率的信号移相，并通过用5252D 多通道综测仪和3672矢量网络分析仪验证了通过数字基带延时移相方法生成的信号的相位的准确性，该方法具有移相频率高、操作简单、不需外加电路等特点，对5G网络中MIMO和Beamforming实现有重要意义。

参考文献：

[1]张煜.MIMO波束赋形测试技术研究[j]电子测量与仪器学报，2018，32（7）：122-130

[2] 3GPP TS 36. 331 V11. 11. 0 Technical specification group radio access network; evolved universal terrestrial radio access （ E-UTRA ） ; radio resource control （ RRC ） protocol specification[S]. 2015-03

[3] 吴曼青，王炎，靳学明，收发全数字波束形成相控阵雷达关键技术研究[j]，2001，04：45-47

[4] 李会勇，宽带数字阵列波束形成算法及应用研究[D] 电子科技大学

[5]唐洪军.数字相控阵天线中的波束合成实现方法[J].计算机仿真，2017，34（5）：213-216

作者简介：孙博，1990年6月生，男，汉族，河南省驻马店人，硕士研究生学历，助理工程师，现主要从事5G 通信测试仪表研发工作

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