基于应用于天线阵列的软件定义无线电（SDR）技术的灵活性，本文提出了一种旨在在毫米波频段（28 GHz）中工作的波束成形架构，并可能在雷达和5G系统中应用。科研人员广泛描述了系统结构，包括其主要组成部分，例如射频（RF）前端模块，辐射元件以及主机上的基带处理。波束成形是通过数字控制馈送天线的信号来实现的。在消声室中进行的实验测量验证了所提出的方法。
相关论文以题为“ Software-Defined Radio Beamforming System for 5G/Radar Applications ”于北京时间2020年10月15号发表在《 Applied Sciences 》上。
新一代移动通信(5G)的推出，带来了新的挑战和机遇，并将允许创建和集成新的网络，如物联网(IoT)和车载网络，并在全球范围内不断扩大。这些系统强加了一套新的要求，如高速数据传输，低延迟，高网络容量和高连接密度，这涉及到毫米波区域。
无线电探测和测距(雷达)技术主要用于军事目的，近年来受到越来越多的关注，其应用目前广泛应用于体育、生物医学、军事或交通系统。 雷达用于监视、导航、定位、交通控制或用于武器制导。目前，随着车载网络、智慧城市等智能系统的发展，更先进的雷达技术正在发展。在不久的将来，预期将扩大雷达概念用于两个目的，即反射测量和通信。可以预见，图1的场景是由相互连接的系统共享信息组成的，并且经历了巨大的通信密度，并且具有很高的干扰风险。
图1. 多通信系统的现代环境。
雷达技术需要对环境进行过滤，更精确地聚焦于目标，以及减少来自周围环境的干扰信号。 多波束能力、波束形成、高增益、巨大的通用性和可重构性是现代雷达系统的重要方面。此外，大多数这些特性允许研究人员克服传播问题时，这些系统运行在更高的频率。因此，需要多用途的动态通信系统，能够不断调整以适应所插入的应用程序，从而最大限度地提高通信质量。加上额外的信号处理能力，自适应天线采用了新的数字结构，可以实时动态地调整阵列的辐射模式。这些系统接收信号的感知和优化他们的辐射图通过改变光束的形状和波束方向,抑制干扰通过引入null方向的干扰信号,改变侧叶,补偿硬件障碍和最后,适应的相互耦合作用,可以改变传输信号的振幅和相位。
毫米波射频系统发展迅速，在一定程度上得到了软件无线电的支持。这些系统提供了一种直接的方法来快速地与硬件交互，并测试它们的使用。因此，数字技术和通用架构的结合，加上自适应天线处理技术，允许在通信和雷达方法中使用强大的系统。
本文提出了一种通用的、可重构的4×4 SDR数字波束形成相控阵系统，该系统工作在Ka频段，工作频率为28ghz。 该系统具有电子和数字操纵和操纵天线阵列的辐射模式的能力，并根据环境进行调整，使其性能和效率最大化。除此之外，该系统还具有低复杂度的通用性，可以改变本振(LO)和中频的频率来实现毫米波(Ka波段)的通信系统和雷达，可以快速测试基于软件无线电的新解决方案。它还具有实现全双工通信的优点。这种架构有潜力在未来的许多场景中使用，如5G通信、雷达应用、物联网或监视。
系统架构
图2显示了提出的28ghz SDR系统的架构，采用数字波束形成相控阵结构。这种结构有两个互补的领域，数字和模拟，如下所述。
图2.提出的SDR波束形成系统框图。
数字组件
该系统的数字组件包括一个Ettus SDR通用软件无线电外设(USRP) N310和一个主机pc(个人计算机)。 USRP是一种网络SDR设备(使用千兆以太网接口)，有四个独立的发射和接收通道，运行频率可选择从10兆赫到6兆赫，带宽可达100兆赫。该设备负责为所需要的应用数字生成任何所需的信号，并通过射频微波载波进行调制。基带信号被数字分解成两个正交的分量，分别馈送一个相位调制器和一个正交调制器。在USRP内部执行的信号调制的框图如图3所示。在USRP输出，产生的调制中频(IF)信号被选择为3.84 GHz载波频率(fc)。对中频接收信号进行等效的反向处理。接收到的IF信号在相位和正交解调，产生I/Q样本，然后发送到一个10 GbE连接到主机pc进行处理。该设备由主机pc控制，其中开发了基于USRP硬件驱动程序(UHD)库的Python脚本。
图3.上位机与通用软件无线电外设N310的软件接口框图。
N310体系结构分为两部分，如图3所示:一对子板，每个子板基于模拟器件AD9371收发器，一个主板由一个Arm Cortex A9和一个FPGA (Kintex-7)组成。本工作从本振频率的选择、采样速率的选择、抽取/插补和适当的滤波器带宽的选择等方面对核心数字信号进行处理。其余的处理同相和正交(IQ)样本是在PC上执行。在主机PC与USRP的通信中，PC中用于控制USRP参数的UHD库如图4所示，它为通信提供了一组重要功能。图4详细介绍了在PC上开发的用于校准系统和管理波束形成的软件结构框图。编写了适用于USRP N310的Python程序，用于控制波形信号的生成和接收。在这个脚本中，创建了8个线程，每个线程独立地控制USRP的每个通道。这个过程首先从USRP请求样本，用通道号对它们进行编码，然后通过传输控制协议/Internet协议(TCP/IP)套接字发送它们。 在这种情况下，Matlab程序是客户端，它为每个通道解码样本IQ向量。校准程序也被开发出来，计算存在于射频前端通道之间的相位和振幅差异。
图4.在Python和Matlab接口期间，接收机和发射机之间的流量控制。
结论
在这项工作中，研究人员提出了一个28 GHz SDR波束形成天线系统，用于5G、雷达或物联网应用。 所有的模拟和数字模块都被适当地开发和描述，使研究人员能够获得一个在Ka波段操作的系统。USRP的使用使一个灵活和通用的体系结构成为可能，因为它的所有特性都可以数字化调整。实验结果表明，模拟的辐射图与实测的辐射图具有良好的一致性。通过USRP中每个通道的信号振幅和相位的控制，以一种简单的方式，可以验证技术来塑造阵列的波束，以及操纵波束。该系统具有很大的灵活性和可扩展性，可广泛应用于各种设备，特别是雷达、移动通信和卫星通信系统。
