1.1 研究目的及意义

随着智能终端的普及以及视频流媒体、物联网等新业务需求的持续增长，无线数据传输需求呈指数增长，目前的4G移动通信系统难以满足未来移动应用的需求。为此，第五代移动通信（5G）应运而生，将重点支持连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠等多个主要技术场景，有望满足人们在居住、工作、休闲和交通等各种领域的多样化业务需求。

面临5G对射频接收机的带宽、效率、集成度等方面的要求，全数字接收机有望克服传统模拟接收机的不足。它利用现代数字信号处理技术来处理射频信号，可以在高速FPGA内实现射频信号的量化、数字下变频、精准的数字相位控制，还提高了集成度。相比模拟接收机，全数字接收机具有独特的优势：（1）采用直接采样架构，减少模拟器件的使用，有利于实现软件定义无线电；（2）可利用数字电路的灵活性通过软件方式来修改接收机参数以适配不同需求；（3）工作频率、带宽可在很宽的范围内配置；（4）可使用数字信号处理来提高采集信号的质量等。

传统数字接收机采用模拟射频、数字中频的架构实现，如ADI公司的AD9371，输入带宽最高6GHz，通过模拟变频的方式完成下变频，再由低速ADC对信号做采样，采样带宽为100MHz，仅满足4G通信的带宽需求，是目前最常见的集成方案。这种接收器还会输出高速数据流，一般需要FPGA等芯片做接口转换和信号处理，系统复杂度增加，不利于减小设备的功耗和体积。

基于FPGA的全数字接收机采用了直接射频采样的架构实现，主要通过高速收发器接口。传统的直接采样需要使用RF ADC，如AD6688，其集成的RF ADC采样速率为3GSPS，有效带宽为1.2GHz,其成本和功耗均比较高，带宽也不能满足5G通信的频段要求。然而，目前主流的FPGA集成了高速收发器，其差分输入端具有高速比较的功能，脉冲数据流高达30Gbps，结合PWM调制方法就能实现15GHz输入带宽的直接采样，得到数据流直接在FPGA内完成处理，省去昂贵的RF ADC，还具有可编程重构的优势，提高软件升级通信协议的可能。

针对全数字接收机在信噪比、工作带宽、信号动态范围等存在亟待解决的问题，本文旨在研究基于FPGA的全数字接收机中射频采样量化的关键理论与技术。如果可以在少量模拟器件的情况下提高量化信号的线性度及信噪比，就可以实现直接射频采样架构的全数字接收机。此外，如果还能在单频接收的基础上提出双频及以上的接收方案，利用两个频段同时传输信息并相互独立，那么接收机接收到的信息将比单个频段下接收的信息更多，从而满足高速率的要求。

本文将在FPGA评估板等硬件基础上搭建全数字接收链路，包括FPGA数字逻辑架构，旨在验证前面设计的射频量化结构在全数字接收系统中的实用性，突破传统射频接收系统的约束和限制，为5G通信系统的实现提供重要理论基础和技术支撑，推动5G产业的发展。

1.2 国内外研究现状

采用射频ADC替代中频ADC在射频阶段进行直接采样，在数字域进行完整的信号处理，这种方式被展望称为理想的SDR接收机^[1]。尽管目前射频ADC存在成本高、功耗大等问题，但它可以避免很多模拟方法失真和失配问题，具有高自由度和宽带宽的优点，还能实现精确的数字信号处理技术。因此，越来越多的研究机构投入到新型射频采样结构的研究当中。

近年来，为了更好地实现全数字接收机，国内外学者提出了基于脉冲转换器的射频ADC，比如DSM调制^[2]，PFM调制，PWM调制^[3][4]等，这几种ADC都是基于处理模拟信号的数字脉冲式单比特ADC。DSM调制ADC具有高分辨率的优点，通常应用在音频领域^[5]，在较低的带宽下，数兆赫兹的过采样量化可以取得很好的信噪比。近几年来，也有将DSM调制ADC应用在射频领域，比如文献[2]中实现的DSM ADC具有较高的分辨率，但存在模拟带宽小的问题，同时较大的反馈链路延迟会限制有效采样率的进一步增加。PFM调制ADC是文献[3]中提出的，基于压控振荡器来产生PFM调制信号，但是压控振荡器会产生大量不需要的非线性信号，影响性能。