基于混合波束形成的射频毫米波发射机建模

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本例说明了66 GHz QPSK射频发射和接收系统的系统级建模和仿真方法，该系统采用32元混合波束形成天线。该系统包括射频缺陷，发射阵列辐射效应，窄带接收阵列和基带接收机校正系统损伤和消息解码。天线波束形成方向由方位角和仰角定义，并在射频接收天线中使用根音乐DOA算法进行估计。

在下面的部分中，您将看到关于系统设计的更多细节。

模型描述

本例的顶层由五个子系统块组成，一个块用于控制发射机和接收机之间的相对角度，以及2个显示器:

QPSK基带发射机编码消息“Hello World ###”。
一种具有IQ调制、混合、放大和混合波束形成控制电路的射频发射机。射频发射机模型包括噪声、非线性效应和天线单元耦合等射频缺陷。
利用自由空间路径损耗模型来衰减传输信号的理想信道。
带有两个窄带接收阵列天线的射频接收机，接收增益和信噪比，动态范围有限的12位ADC，以及两种根MUSIC算法，用于沿方位角和仰角估计到达角。
一种QPSK接收机，包括载波和帧同步、解调和数据解码。
用户在其中设置发射机和接收机之间的相对角度的块。
一种频谱分析仪示波器，用于比较规范化的发射信号和接收信号以及接收消息的显示器。

模型=“simrfV2_qpsk”；open_system(模型)sim(模型)

正交相移编码发射机

QPSK发射机包括一个比特生成子系统、一个QPSK调制器模块、一个用于脉冲整形的凸起余弦发射滤波器模块和一个增益模块。位生成子系统生成帧。每一帧包含26个报头位，后面跟着一个174位的有效负载，105位用于消息“Hello world ###”，69位随机位。有效载荷被打乱，以保证接收机模型中定时恢复操作的0和1的平衡分布。

open_system([模型' / QPSK TX '),“力”）

射频发射机

射频发射机由三部分组成:阵列波束形成器、混合波束形成天线和窄带发射阵列块。32元混合波束形成天线分为4个子阵列。每个子阵列由8个工作在66 GHz的射频发射机组成。天线是微带贴片。这些天线元件和子阵列已经设计和验证了MATLAB脚本天线工具箱™。

使用相控阵系统工具箱™窄带发射阵列块计算远场天线阵列增益。计算得到的辐射图是由孤立微带斑块产生的场的叠加。

open_system([模型/发射阵列混合波束形成])

发射阵列波束形成器

发射阵列被引导到接收机估计的方向。为了演示目的，使用了两种不同的波束形成算法来计算应用于四个子阵列和每个子阵列元素的权重。

子阵列权值由MVDR波束形成器计算。MVDR波束形成器中的复杂乘法将发射信号和子阵列权重组合在一起，沿方位角方向引导发射信号。采用变细来减小光栅瓣的影响。

采用移相波束形成算法计算了八个子阵列单元的相移。四个子阵列应用相同的相移，沿仰角方向引导发射机。

open_system([模型发射阵列混合波束形成/波束形成])

传播子串

四个发射子阵列是相同的。每个子阵列使用一个正交调制器和一个5 GHz本振，然后是一个由61 GHz本振、一个图像滤波器和一个信道选择滤波器组成的超调制器来上转换到66 GHz。诸如噪声、I/Q不平衡、LO泄漏和非线性等损伤都包含在适当的子阵列组件中。非线性功率放大器增加发射机增益，威尔金森型1- 8功率分配器跟随可变移相器将PA连接到8个天线。八个可变移相器用来控制光束。天线子阵列的加载和天线单元之间的耦合由天线的s参数模拟。

open_system([模型'/发射阵列混合波束形成/subarray1'])

接收阵列

与发送器相比，接收器在更高的抽象级别上建模。接收机使用两个正交线性阵列，每个阵列有4个各向同性天线单元。该阵列用于提供空间分集，以识别到达角。接收机不执行波束形成算法。

接收器的有限增益和信噪比是为每个接收信号建模的，然后是一个12位ADC，具有有限的动态范围，包括饱和和量化效应。

采用两种根MUSIC算法对线阵信号的到达方向进行估计。每个算法在一维上操作，因此可以根据方位角和仰角来估计发射机的位置。

open_system([模型/接收阵列的])

QPSK接收机

来自通信工具箱™示例的QPSK接收器QPSK发射机和接收机(通信工具箱)在本例中使用。当信号损害不存在时，这些修改将从该接收器移除阻塞。

AGC控制和稳定接收信号的幅值，影响载波符号同步器的精度。
凸起余弦接收滤波器为传输波形提供匹配滤波。
载波同步块执行良好的频率补偿。
Preamble Detector块使用已知的帧报头(QPSK调制的巴克码)与接收到的QPSK符号相关联，以找到帧报头的位置。
帧同步器块使用来自前导检测器的帧位置信息来对齐帧边界。该块的第二个输出是一个布尔标量，表示第一个输出是否是具有所需报头的有效帧，如果是，则启用数据解码子系统运行。
支持数据解码的子系统执行相位歧义解析、解调和文本消息解码。