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主要讲述当前网络挑战与发展趋势，以及网络总体设计和5G网络的功能特是哪个，和关键技术 。最后总结和展望未来AT-2◇21MT202056/推进组5G无线技术架构白皮书引言在过去的三十年里,移动通信经历了从语音多址技术之外,大规模天线、超密集组网和全频业务到移动宽带数据业务的飞跃式发展,不仅深谱接入都被认为是5G的关键使能技术。此外,新刻地改变了人们的生活方式,也极大地促进了社型多载波、灵活双工、新型调制编码、终端直通会和经济的飞速发展。移动互联网和物联网作为(2)、全双工(又称同时同频全双工)等也未来移动通信发展的两大上要驱动力,为第五代是潜在的5G无线关键技术。5G系统将会构建在以移动通信(5G)提供了广阔旳应用前景。面向新型多址、大规模天线、超密集组网、全频谱接2020年及未来,数据流量的千倍增长,千亿设备入为核心的技术体系之上,全面满足面向2020年连接和多样化的业务需求都将对5G系统设计提出及未来的5G技术需求。严峻挑战。与4G相比,5G将支持更加多样化的当前,5G愿景与需求已基明确,概念与技场景,融合多种无线接入方式,并充分利用低频术路线逐步清晰,国际标准制定工作即将启动。和髙频等频谱资源。同时,5G还将满足网络灵为此,迫切需要尽快细化5G技术路线,整合各种活部署和高效运营维护的需求,大幅提升频谱效无线关键技术,形成5G无线技术框架并推动达成率、能源效率和成本效率,实现移动通信网络的产业共识,以指导5G国际标准及后续产业发展。可持续发展传统的移动通信升级换代都是以多址接入技术为主线,5G的无线技术创新来源将更加丰富。除了稀疏码分多址(SCMA)、图样分割多址(PDMA)、多用户共享接入(MUSA)等新型AT-292◇MT2020(5G)推进组5G无线技术架构白皮书场景与技术需求与以往移动通信系统相比,5G需要满足更加低功耗大连接场景主要面向环境监测、智多样化的场景和极致的性能挑战。归纳未来移动能农业等以传感和数据采集为目标的应用互联网和物联网主要场景和业务需求特征,可提场景,具有小数据包、低功耗、低成本炼出连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠海量连接的特点,要求支持百万/平方公里和低功耗大连接四个5G主要技术场景。连接数密度。·连续广域覆盖玚景是移动通信最基本的覆总之,5G的技术挑战主要包括盖方式,在保证用户移动性和业务连续性0.1-1GbDs的用广体验速率,数十Gbps的的前提下,无论在静止还是高速移动,覆峰值速率,数十Tbυs/km的流量密度,1盖中心还是覆盖边缘,用户都能够随时随百万/平方公里的连接数密度,毫秒级的地获100Mbps以上的体验速率。端到端时延,以及百倍以上能效提升和单热点高容量场景:要面向室内外局部热点位比特成本降低。区域,为用户提供极高的数据传输速率,满足网络极高的流量密度需求。要技术挑战包括 1Gbps用户休验速率、数|Gbps峰值速率和数十Tbps/km的流量密度低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等物联网及垂直行业的特殊应用需求,为用户提供亳秒级的端到端时延和或接近100%的业务可靠性保证。AT-2◇2M-2020(56推进组5G无线技术架构白皮书5G无线技术路线面对5G场景和技术需求,需要选择合适的5G将通过工作在较低频段的新空口来满足无线技术路线,以指导5G标進化及产业发展。大覆盖、高移动性场景下的用户体验和海量设综合考虑需求、技术发展趋势以及网络平滑演备连接。同时,需要利用高频段丰富的频谱资进等因素,5G空口技术路线可由5G新空口(含源,来满足热点区域极高的用户体验速率和系低频空口与高频空口)和4G演进两部分组成。统容量需求。综合考虑国际频谱规划及频段传LTE/LTE一 Advanced技术作为事实上的播特性,5G应当包含工作在6GHz以下频段的统一4G标准,已在全球范围内大规模部署。为低频新空口以及工作在6GHz以上频段的高频了持续提升4G用户体验并支持网络平滑演进新空口。需要对4G技术进一步增强。在保证后向兼容的5G低频新空口将采用全新的空口设计,前提下,4G演进将以LE/LTE- advanced技引入大规模天线、新型多址、新波形等先进技术梹架为基础,在传统移动通信频段引入增强术,攴持更短的帧结构,更精简的信令流程,技术,进一步提升4G系统的速率、容量、连接更灵活的双工方式,有效满足广覆盖、大连接数、时延等空口性能指标,在一定程度上满足及髙速等多数场景下的体验速率、时延、连接5G技术需求。数以及能效等指标要求。在系统设计时应当构受现有4G技术框架的约東,大规模天线建统一的技术方案,通过灵活配置技术模块及超密集组阏等增強技术的潜力难以完仝发挥,参数来淸足不同场景差异化的技术需求。全频谱接入、部分新型多址等先进技术难以在5G高频新空口需要考虑高频信道和射频器现有技术框架下采用,4G演进路线无法满足5G件的影响,并针对波形、调制编码、天线技术极致的性能需求。因此,5G需要突破后向兼容等进行相应的优化。同时,高频频段跨度大的限制,设计全新的空口,充分挖掘各种先进候选频段多,从标准、成本及运维角度考虑,技术的潜力,以全面满足5G性能和效率指标要应当尽可能采用统一的空口技术方案,通过参求,新空口将是5G主要的演进方向,4G演进将数调整来适配不同信道及器件的特性。是有效补充。髙频段覆盖能力弱,难以实现全网覆盖,需要与低频段联合组网。由低频段形成有效的3AT-22MT2020(5G)推进组5G无线技术架构白皮书网络覆盖,对用户进行控制、管理,并保证基本的数据传输能力;高频段作为低频段的有效补充,在信道条件较好情况下,为热点区域用户提供高速数据传输。5G无线技术路线主要场景连续广域覆盖6-100GHZ5G高频新空口冷热点高容量5G低频新空口低时延高可靠

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Clarify the various ways of this synthesis technology of frequency andtechnical comparison, and direct digital frequency synthesis technology is selected toresearch(2)Introduce the hardware design in this system structure and the realization offunction, and a detailed description is given about system components. The singlechip microcomputer is chosen as control module, we use FPga as the coretechnology to realize DDs. The periphery of the circuit design and interfacetechnology is analyzed(3) This paper analyses the working principle, characteristics and technical indexesof the DDS. The design is based on EP1C3T144C8 FPGA chips. Realize DDSfunction through the use of phase accumulator and waveform RoM, and apply enablemodule and the determinant keyboard to present the flexible output of variouswaveform(4) The system test data is given. The reason caused by stray and noise influencingthe spectral purity is analyzedKEY WORDS: Electronic measurement; arbitrary waveform generator; DDS; SCM; FPGA华南师范大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。论文作者签名:日期:29年6月5日学位论文使用授权声明本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版,允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存、汇编学位论文。(保密的论文在解密后遵守此规定)保密论文注释:本学位论文属于保密范围,在年后解密适用本授权书。非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书论文作者签名:导师签名+1期:10年6月5日日期:22)年b月S日第一章绪论本章主要介绍任意波形发生器的研究意义,以及发展的概况与趋势,并介绍本设计所需要做的软硬件工作,提出设计需要实现的目标。11任意波形发生器的研究意义任意波形发生器( Arbitrary Waveform Generator,AWG)实际上是一种多波型的信号发生器,它不仅能产生正弦波、方波、三角波、斜波和指数波等常规波形,也可以表现出载波调制的多样化,如:产生调频、调幅、调相和脉冲调制等。更可以通过计算机软件实现波形的编辑,从而生成用户所需要的各种任意波形,来满足各种实验研究的需要随着科学技术的飞速发展,电子测量技术被广泛应用在电子、机械、医疗、测控及航天等各个领域。许多电子系统,甚至电子器件只有在一定的电信号作用下,其性能才能显露出来。另一方面,一些电器设备在研究和生产过程中也少不了信号源,它们借助信号源通过测量来鉴定其性能的优劣。所以许多现代电子设备和系统的功能如何,都直接的取决于信号源质量的高低,如何产生高稳定度、高准确度的信号是任意波形发生器研制的关键。因此,信号发生器的表现就至关重要。我国的电子测量技术起步较晚,虽然在一些领域也取得了许多突破性进展,但是与世界先进水平相比,仍然存在着很大的差距。因此提高国内电子测量仪器的研制水平,加强核心技术的研发,对我国电子测量技术的发展,有着非常重要的意义。12任意波形发生器的发展概况最早的信号发生器主要采用RC构成振荡电路。如1928年美国先后生产出的调幅信号发生器与调频信号发生器。20世纪40年代许多国家已经开始研究脉冲信号发生器。1962年美国 Wavetek公司在RC电路的基础上,又推出了函数发生器产品。在60年代初,起源于通信领域的频率合成技术也引用到信号源上,出现了合成信号发生器。自80年代以来人们又将微机技术引入信号源,出现了任意波形发生器。早期的信号发生器主要采用模拟电子技术,电路结构复杂,工艺不够成熟,因此存在着如:漂移较大,输岀波形的幅度稳定性差,模拟器件构成的电路尺寸大、价格贵、功耗大等缺点。80年代以后,现代电子、计算机和信号处理等技术的发展,极大的促进了数字化技术在电子测量仪器的应用。高集成化微处理器的出现,增大了更复杂波形产生与波形稳定的操控性。这时期的波形发生器多以软件为主,实质是采用微处理器对DAC的程序控制,从而得到各种所需波形。任意波形发生器的实现方案主要有程序控制输出、DMA输出、可变时钟计数器寻址和直接数字频率合成等多种方式2。目前任意波形发生器的研制主要基于DDS(直接数字频率合成)技术,与传统的频率合成器相比,DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点,广泛使用在通信、测量与电子仪器领域,是实现设备全数字化的一个关键技术。近20年发展迅速,因此许多国家都在进行DDS专用芯片的研制。其中AD公司较为突出,如常见的AD9852、AD9858等产品,现在又推出了性能更强大的AD9952、AD9958、AD9912。其中AD9912包含可提供谐波杂散抑制的辅助低功耗DDS内核,以及48位频率调谐字和内置比较器,具有1GSPS内部时钟速率和高达400MHz直接输出。基于DDS技术的任意波形发生器的发展也同步进行,目前的任意波形发生器的产品结构形式主要有三种:独立仪器结构形式、PC总线插卡式和VⅪI模块式。近几年国际任意波形发生器技术主要发展,除了输出波形频率的提高和更方便的波形输入外,便是与ⅴX资源的结合。在测量和产生复杂的任意波形时,VXI系统资源在这些应用中具有较为明显的优势,尤其对自动测试系统(ATE特别有用。任意波形发生器在商业研发生产中,以 Agilent公司和 Tektronix公司最具有代表性,其任意波形发生器产品已经形成相当的市场占有率,并以优异的产品技术,引领着该领域的发展。如: Agilent公司的N6030A任意波形发生器,它拥有15位的垂直分辨率,125GS/s的采样频率,500MH的输出频率。 Tektronixκ公司更是于2008年推出了性能与速度更为优异的产品:AWG700。采样频率高达24GS/s,也可以做到96GHz有效RF频率输出。不仅如此,该产品还提供了高达10位的垂直分辨率:10位(无标记输出)或8位(带有两个标记输出);高达64M(64:80000点的记录长度,提供了更长的数据流;低至100f分辨率的边沿定时位移控制;16000步序列功能,创建无穷大波形循环、跳转和条件分支。能够生成高速串行信号、多电平信号、为存储设备测试生成信号、宽带RF信号。我国从90年代才开始研制任意波形发生器,比较有代表性的产品有北京普源精电科技有限公司生产的DG3121A,它拥有14位的垂直分辨率、300MSa/的采样率和120MHz的最高频率输出。它是业界第一个具备了数字逻辑输出功能的任意波形发生器。指标在国产的函数/任意波形发生器中处于优势地位,在同类产品中,具有最完备的通信接口,具备RS232,USB,GPIB,LAN。但比起同类产品 Agilent公司的33250A在脉冲频率和频率稳定度等方面还有很大差距。不过普源还是在技术长有不少的创新,比如研制出了业界首台混合信号任意波形发生器。北京凯弘仪器生产的基于DDS的函数发生器就很有特色,由于内置了衰减器,能够实现最小01mVpp的输出和00ldB的分辨率。总体而言,国产任意波形发生器自研制以来取得了巨大的进步,但是在最高采样率,最大输出频率、频率稳定度和准确度等指标上和世界先进水平还存在着较大的差距1.3发展趋势由于电子测量技术及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展,促使信号发生器种类日益增多,性能日益提高,尤其随着70年代微处理器的出现,更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在,许多信号发生器除了带有微处理器,因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能外,还带有IEE488或RS232总线,可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便地构成自动测试系统。今后,任意波形发生器在较高的取样率,分辨率,记录长度和线性等方面功能会更强,任意波形发生器在射频和无线测试领域将会获得部分市场。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能方向发展14本文的主要工作硬件设计●电源模块电路的设计:各部件工作电压不同,有5V、3.3V、1.5V三种情况,因此须设计出满足各部件正常工作的电源模块。●单片机系统与接口电路设计单片机作为控制模块,实现与上位机信息传递与通信等各种功能,须设计出单片机的控制模块与相关接口电路●D/A转换与滤波电路的设计D/A转换器与滤波是整个电路的后续处理,D/A转换器实现波形的模拟输出、滤波器则选择合适的滤波器完成对信号的修整。●基于FPGA的DDS模块电路的设计FPGA实现DDS功能是整个设计的关键部分,根据相关原理,设计适合的逻辑图。●整机PCB板设计用 PROTEL DXP2004绘制电路板。软件使用●用Kei1C51对单片机传递信息在 Keil c51环境下,编写程序,完成计算机与单片机的通讯,Kei1提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(μ vision)将这些部份组合在起,为单片机的使用提供良好的平台。●在 QuartusⅡ下对FGA进行设计在该环境下,实现FPGA的DDS电路设计实现目标波形要求:常规波形(正弦波、方波,三角波等)、任意波形存储深度:1—1024个点幅度分辨率:8位输出频率范围:1Hz1MHz(固定波形)设计目标:不仅可以生成方波、三角波、正弦波等标准波形,而且还要可以生成用户所需要的任意波形,同时输出波形的频率和幅度均可编程控制。4第二章任意波形发生器的理论分析本章首先介绍了频率合成技术的相关情况,并对三种不同形式的频率合成技术进行分析。同时系统的阐述了DDS的基本组成结构、工作原理、工作特点与技术指标,为DDS的构建打下理论基础。21频率合成技术简介频率合成是指从一个高稳定的参考频率,经过各种技术处理,生成一系列稳定的频率输出。频率合成的概念就是由一个或几个参考频率通过一些转换,产生个或多个频率信号的过程。频率合成技术一般分为直接式(DS)、间接式(PLL)和直接数字式(DDS)三种基本形式。早期的频率合成采用直接式的方式,是由一个或多个晶体震荡器经分频、倍频、混频对一个或几个基准频率进行加、减、乘、除运算产生所需要的频率信号,并通过滤波器产出,这是最早的频率合成信号源的方法。目前该方法仍在使用,主要是因为它频率转换速度、相位噪声低,比较容易实现4。但是该方式涉及的合成器体积过于庞大,而且成本较高,结构复杂、产生任意波形的可控性较低间接合成式是基于锁相环的原理,即PLL。它与前者相比,输出频率的稳定度和准确度都有明显的提高,频谱纯度等性能也有较大改善。主要是因为信号源的振荡频率被固定在频率计数器的时基上,也就是说以稳定度高的振荡器为基准。因此,锁相环的输出频率就与基准频率一致,振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为固定的常数,而且锁相环的突出优点是能够抑制叠加到输入信号上的噪声。这是直接式频率合成方法所不能达到的。PLL还有体积小、性价比较高等一系列优点。但是PLL技术也有明显的缺点,采取闭环控制,系统的输出频率改变后,重新达到稳定的时间也就比较长,一般为毫秒级,很难满足高频率分辨率与快速转换率同时具备的要求,因此也有明显瑕疵。直接数字频率合成技术从原理上实现了突破。前两种方法都是通过对基准频率进行运算得出,而DDS技术则是从相位的概念进行频率合成。它按一定的相位间隔,将待产生的波形幅度的二进制数据存储于高速存储器作为查找表,用参考频率源(一般为晶体振荡器)作为时钟,用频率控制字决定每次从查找表中取出波形数据的相位间隔,以产生不同的输出频率,对取出的波形数据通过高速D/A转换器来合成出存储在存储器内的波形。直接数字频率合成技术的主要优点是输出相位连续、相对带宽较大、频率分辨率很高、可编程、准确度和稳定度都比较高。DDS技术是利用查表法来产生波形,而通过修改存储在ROM里的数据,就可以产生任意波形。所以它不仅能产生正弦、余弦、方波、三角波和锯齿波等常见波形,而且还可以根据需要利用各种编辑手段,产生传统函数发生器所不能产生的真正意义上的任意波形。DDSDirect Digital Synthesis)的概念首先由美国学者 J.Tiemcy, C. M.Rader和B.Gold在1971年提出,但限于当时的技术和工艺水平,DDS技术仅仅限于理论研究,而没有应用到实际中去。近20年来,随着Ⅴ LSI( Very Large Scale Integration),FPGA( Field ProgrammableGates Array)以及DSP( Digital Signal Processing)的发展,这种结构独特的频率合成技术得到了飞速发展。目前该技术已经被广泛用于接收机本振、信号发生器、通信系统、雷达系统等相关领域中。22DDS的基本原理和工作特点22DDS的基本结构DDS( Direct Digital Synthesis技术设计思想是基于数值计算信号波形的抽样值来实现频率合成的。它包括数字器件与模拟器件两部分,主要有相位累加器ROM波形查询表、数模转换器组成。其基本框图如下。相位累加器波形RoMD/A转换器低通滤波器控制字K输出时钟图21DDS结构框图(1)相位累加器是DDS的核心部分。一般是由数字全加器和数字寄存器组成实现相位累加。如下图所示。N频率挖制字K加法器备存器时钟频率c图22相位累加器结构框图般DDS的累加器都釆用二进制,线性数字信号通过相位累加器实现逐级的累加。假设累加器字长为N,频率控制字为K,控制时钟频率为f,系统在同

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