基于simulink使用混合波束成形对射频毫米波发射器进行建模

一、前言

本例说明了一种使用66元件混合波束成形天线对32 GHz QPSK射频发射和接收系统进行系统级建模和仿真的方法。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器，可校正系统损伤和消息解码。天线波束形成方向使用方位角和仰角定义，并使用根音乐DOA算法在RF接收天线中进行估计。

二、型号说明

此示例的顶层由五个子系统块、一个用于控制发射器和接收器之间相对角度的模块和 2 个显示器组成：

• QPSK基带发射器对消息“Hello World ###”进行编码。

• 具有 IQ 调制、混频、放大和混合波束成形功能的射频发射器，带有控制电路。射频发射器模型包括射频缺陷，如噪声、非线性效应和天线元件耦合。

• 具有自由空间路径损耗模型衰减传输信号的理想通道。

• 具有两个窄带接收阵列天线、接收器增益和 SNR、具有有限动态范围的 12 位 ADC 以及两个根 MUSIC 算法的射频接收器，用于沿方位角和仰角估计到达角。

• QPSK接收器，包括载波和帧同步、解调和数据解码。

• 用户在其中设置发射器和接收器之间的相对角度的块。

• 频谱分析仪示波器比较归一化发射和接收信号以及接收消息的显示。

三、QPSK变送器

QPSK发射器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升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。每帧包含 26 个标头位，后跟 174 位的有效负载、消息“Hello world ####”的 105 位和 69 个随机位。有效载荷经过加扰，以保证接收器模型中定时恢复操作的零和一的平衡分布。

四、射频发射器

射频发射器由三部分组成：阵列波束成形器、混合波束成形天线和窄带发射阵列模块。32元件混合波束成形天线分为4个子阵列。每个子阵列由 8 个工作频率为 66 GHz 的射频发射器组成。天线是微带补丁。

远场天线阵列增益是用相控阵系统工具箱™窄带发射阵列模块计算的。计算出的辐射图是由孤立的微带斑块产生的场的叠加。

五、发射阵列波束成形器

发射阵列转向接收器估计的方向。出于演示目的，使用两种不同的波束成形算法来计算应用于四个子阵列和每个子阵列的元素的权重。

子阵列权重是使用 MVDR 波束成形器计算的。MVDR波束成形器中的复杂乘法结合了发射信号和子阵列权重，沿方位角方向引导发射信号。锥形用于减少光栅瓣的影响。

应用于八个子阵列单元的相移是用移相器波束形成算法计算的。四个子阵列应用相同的相移，引导发射器沿仰角方向。

六、传输子阵列

四个发射子阵列是相同的。每个子阵列使用正交调制器和66 GHz本振执行上变频至5 GHz，然后使用由61 GHz本振、镜像滤波器和通道选择滤波器组成的超HET调制器。噪声、I/Q不平衡、LO泄漏和非线性等损伤包含在相应的子阵列组件中。非线性功率放大器增加了发射器增益，Wilkinson 型 1 至 8 功率分配器后跟可变移相器将 PA 连接到 8 根天线。八个可变移相器用于控制光束。天线子阵列的负载和天线元件之间的耦合由其 S 参数建模。

七、接收阵列

与发射器相比，接收器在更高的抽象级别上建模。接收器使用两个正交线性阵列，每个阵列有四个各向同性天线元件。这些阵列用于为识别到达角提供空间多样性。接收器不实现任何波束成形算法。

接收器有限增益和SNR针对每个接收信号进行建模，然后是具有有限动态范围的12位ADC，包括饱和和量化效应。

两个根MUSIC算法用于使用线性阵列信号估计到达方向。每种算法都在一个维度上运行，因此可以一起根据方位角和仰角来估计发射器位置。

八、QPSK接收器

• AGC控制和稳定接收到的信号幅度，这会影响载波符号同步器的精度。

• 升余弦接收滤波器为发射波形提供匹配的滤波。

• 载波同步器模块执行精细频率补偿。

• 帧同步器块使用已知的帧标头（QPSK 调制的 Barker 代码）与接收到的 QPSK 符号相关联，以查找帧标头的位置。块使用此帧位置信息来对齐帧边界。块的第二个输出是一个布尔标量，指示第一个输出是否是具有所需标头的有效帧，如果是，则使数据解码子系统能够运行。

• 支持数据解码的子系统执行相位模糊解析、解调和文本消息解码。

九、程序

使用Matlab R2022b版本，点击打开。（版本过低，运行该程序可能会报错）

打开下面的“Example.m”文件，点击运行，就可以看到上述效果。

程序下载：https://download.csdn.net/download/weixin_45770896/87666483