5G通信信號處理系統(tǒng)設計技術(shù)的實現(xiàn)

胡 霞

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410015）

0 引 言

5G時代，通信速率越來越快且通信需求趨于多樣化，使得人們對5G通信信號處理系統(tǒng)設計質(zhì)量提出了更高的要求。雖然5G天線和波束成型3D-MIMO等技術(shù)的運用大幅提升了5G的通信速率和通信質(zhì)量，但是也提高了通信設備的設計難度。要想確保設備體積和集成度等能夠充分滿足5G通信要求，進一步提升通信儀器儀表的性能及核心處理能力，需要各儀器儀表生產(chǎn)企業(yè)加大自身的技術(shù)創(chuàng)新力度。

1 5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)設計分析

1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的架構(gòu)設計主要以模塊化設計為主。它的硬件系統(tǒng)包括高性能AD/DA模塊、高性能FPGA+DSP+CPU模塊以及獨立本振模塊。這些模塊數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的硬件和軟件平臺上不僅可以接受不同的測試，而且在單機情況下能支持5G通信測試和向下兼容的多種通信制式測試，因此高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應用性能十分突出。相關(guān)實踐證明，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、一致性以及可擴展性等都比傳統(tǒng)通信系統(tǒng)高很多。但是，該系統(tǒng)在架構(gòu)設計過程中存在一定的操作難點。第一，系統(tǒng)在大帶寬運行環(huán)境中，需確保群時延特性、帶外抑制設計指標以及信號的頻率響應等都能達到相應的標準要求。第二，要確保系統(tǒng)的中頻信號能夠通過解調(diào)的方式提升IQ數(shù)據(jù)流的精確性。第三，為充分滿足5G通信的帶寬要求，系統(tǒng)在高速采樣的情況下，應確保自身的各項技術(shù)指標和可靠性達到設計標準要求。第四，5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的FPGA外圍電路接口主要包括光纖模塊、加載模塊、DDR模塊、AD9516提供的時鐘模塊以及電源模塊等。其中，時鐘模塊設計應確保系統(tǒng)信號時鐘與本地時鐘保持一致。另外，系統(tǒng)采用Xilinx公司生產(chǎn)的XC7VX690T芯片作為FPGA的主要設計材料，能夠提升外圍電路接口功能，滿足5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩1]。

1.2 獨立本振模塊設計

該模塊設計的關(guān)鍵點在于第一本振設計。只有確保第一本振設計質(zhì)量，才能使5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的相噪指標符合5G通信標準要求。以往通信系統(tǒng)設計過程中，只要第一本振的相噪指標高于-90 dBc/Hz@10 kHz，就可滿足系統(tǒng)的長期運行需求。5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計需要提前分析天線矢量圖和多通道信號賦形增益，且對相位和時延的要求比較嚴格。新的5G通信標準和技術(shù)方案對射頻通路的信號質(zhì)量提出了更高的要求，規(guī)定其相噪必須達到-133 dBc/Hz@10 kHz的標準。因此，變頻的第一本振信號的相噪設計要符合該標準，以避免測試的額外誤差和不確定性。此外，獨立本振模塊設計的難點主要集中在高指標的射頻模塊設計和微波濾波器設計兩個方面。按照相應的設計要求，射頻模塊的頻率應盡量保持在400～6 000 MHz范圍內(nèi)，且要兼容5G測試頻段和其他通信制式。為了確保5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠滿足IEEE 802.11 a/b/g/n/ac測試要求，提升OFDMA/SC-FDMA信號質(zhì)量，需合理設計射頻信號帶寬，使其能夠超過160 MHz，且要具有較小的平坦度，盡量低于0.5 dB[2]。

2 高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O計與實現(xiàn)

2.1 接收通道設計

對于5G通信信號處理系統(tǒng)而言，高速數(shù)據(jù)接收通道設計的最終目的在于能夠確保400 MHz～6 000 GHz范圍內(nèi)的射頻信號可以順利實現(xiàn)變頻，進而與適宜的中頻頻率相融合，更好地增強系統(tǒng)的寬帶中頻處理功能和信號分析處理功能。設計過程中，在系統(tǒng)中布置低噪聲放大器和程控步進衰減器，不僅能夠進一步提升系統(tǒng)小信號接收靈敏度，還可以合理調(diào)節(jié)信號電平的衰減量，從而保證數(shù)據(jù)接收通道設計能夠與后端電路處理要求相吻合。當5G通信數(shù)據(jù)經(jīng)過低通濾波器時，濾波器會自動過濾超出測量頻率范圍外的信號，以免這些信號影響系統(tǒng)的正常運行。此外，獨立本振模塊的第一本振設計必須要保障本振信號帶寬屬于高寬帶標準，且在經(jīng)過相位環(huán)路時可以自動鎖定10 MHz頻率的參考鑒相。同時，混頻后應利用帶通濾波器有效排除信號中的雜散信號，并將帶寬設定為320 MHz，保證過濾后的信號能夠與固定本振頻率信號在第二混頻器中混頻，同時實現(xiàn)第一中頻信號的變頻。采取帶通濾波器處理和控制其中存在的雜散信號，使其長久固定在第二中頻頻率中，進而順利傳遞給信號分析模塊，真正達到5G通信信號高速傳輸效果。

2.2 發(fā)射通道設計

發(fā)射通道設計的最終目的是能夠以基帶發(fā)生器模塊為基礎，為現(xiàn)階段調(diào)制系統(tǒng)提供可靠的基帶信號，并安全發(fā)送RF源調(diào)制電路的載波，使其轉(zhuǎn)變成為400～6 000 MHz的OFDMA數(shù)字調(diào)制信號，以滿足5G通信信號的高速發(fā)射要求。第一，采用OFDM多址方式設計發(fā)射通道，可以保證系統(tǒng)的下行鏈路以LTE-Advcanced為主，進而能夠利用OFDM技術(shù)的應用優(yōu)勢有效分配頻率資源，使其成為具有獨立單位的子載波。第二，發(fā)射通道設計要想確保系統(tǒng)帶寬能夠達到100 MHz，一方面要利用R12版本的載波聚合技術(shù)有機整合多個29 MHz單元載波，另一方面要采用MAC技術(shù)的高速FPGA單元來優(yōu)化DDC/DUC算法，進而實現(xiàn)大量載波的聚合，使其在不同載波的頻譜下能夠合理進行位置配置與后續(xù)處理。第三，由于發(fā)射通道中的400～6 000 MHz的載波信號是通過射頻合成器模塊產(chǎn)生的，因此可直接利用MIMO 8×4信號對其進行處理，并在處理后將其傳遞給IQ調(diào)制器的LO端口，而中頻基帶模塊的調(diào)制器信號則要傳遞給基帶信號輸入端口。第四，發(fā)射通道要將調(diào)制器RF輸出端口作為400～6 000 MHz之間的下行調(diào)制信號，將多波段射頻濾波器組和數(shù)字穩(wěn)幅電路作為媒介，真正將信號高效、快速以及安全地輸送到天線中。可見，寬帶IQ調(diào)制器既可以科學調(diào)制400～6 000 MHz之間的信號，明確系統(tǒng)發(fā)射通道的功率范圍，使其處在-140～15 dBm，又能采用大容量的DDR3接口實現(xiàn)射頻調(diào)制信號的高速輸出，進而充分體現(xiàn)FPGA與DDR3之間的信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪耘c有效性。

3 物理層安全信號增強技術(shù)的實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)發(fā)射階段的增強技術(shù)的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)發(fā)射階段的增強技術(shù)主要是優(yōu)化配置和集中整合5G通信信號處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，使其能夠有效傳遞信息給天線，最終形成波束賦形。這些數(shù)據(jù)流經(jīng)過某一矩陣處理轉(zhuǎn)換成可以發(fā)射的信號，再通過天線變換成完整的預編碼。在這一過程中，應保證波束賦形的簡潔性與可行性，并且為全面保證信號安全，避免其被監(jiān)聽者竊聽，還要采取相應的增強技術(shù)適當增加信號中的人工噪聲。由于這種增強方式容易給信號發(fā)射端和接收端造成一定的干擾，影響用戶的通信效果，因此應盡量采用ZF預編碼技術(shù)增加信號中的人工噪聲，并適當增加發(fā)射端，從而減少對用戶正常通信的影響，避免出現(xiàn)信號被監(jiān)聽的現(xiàn)象。另外，精確計算基于安全數(shù)據(jù)和安全中斷概率的性能指標的近似值，提出新的功率配置方法，優(yōu)化人工噪聲與數(shù)據(jù)信號之間的數(shù)據(jù)配置，進一步提升系統(tǒng)的安全性能，從而使其更加符合5G通信安全信號傳輸要求[3]。

3.2 信道預判階段的增強技術(shù)的實現(xiàn)

信道預判階段中，應將信道劃分為多個訓練過程，并明確相應的導頻序列進行信號發(fā)射。在發(fā)射過程中，信號接收端會第一時間接收到一個正確的校正信號，以便利用該信號科學評估整個信道，并將評估結(jié)果直接反饋給發(fā)射端。發(fā)射系統(tǒng)要適量增加發(fā)射端信號中的人工噪聲，并重新安排導頻發(fā)射序列，避免人工噪聲給導頻訓練造成不良影響。當信號接收端完成信道預判工作后，要及時將預判信息反饋給發(fā)射端，最終由發(fā)射端整合和分析反饋結(jié)果，以切實提高CSI的精準性。這一環(huán)節(jié)中，要想確保反饋結(jié)果的準確性，必須保證導頻訓練序列長度與預測精度之間的關(guān)系為正相關(guān)系。此外，為了避免人工噪聲投入給信號傳輸帶來不利的影響或給監(jiān)聽信號造成干擾，要在較低的導頻功率下反復驗證CSI的精準性，并制定科學合理的導頻雙向校正方案，使信號校正過程能夠固定在信號接收端達到雙向校正信號的目的，從而最大化提高信號傳輸速率。如今，這種增強技術(shù)一般應用在基于工時分多址系統(tǒng)和載頻分多址系統(tǒng)的強化過程中。一方面，基于時分多址系統(tǒng)的強化可以大幅提升雙向信道之間的交互性，從根本上保證信號接收速率和接收效果，但卻無法有效區(qū)分信號監(jiān)聽來源，因此需要增加信號中斷的人工噪聲。另一方面，基于載頻分多址系統(tǒng)的強化是指在雙向信道中增加一個校正過程，以便可以隨時校正廣播信號，從而更好地增強信道的交互性[4]。

4 結(jié) 論

5G時代中要想進一步提高我國移動通信信號處理速率，保障信號傳輸安全，首要任務是要按照新的通信標準要求，全面優(yōu)化相應的信號處理系統(tǒng)設計。實際運行過程中，相關(guān)設計人員不僅要重視系統(tǒng)硬件設計和獨立本振模塊設計，全面掌握數(shù)據(jù)接收通道與數(shù)據(jù)發(fā)射通道設計要點，還要采用先進的增強技術(shù)提升數(shù)據(jù)發(fā)射階段和信道預判階段信號的安全性，以切實保證信號通信安全，突出5G信號處理系統(tǒng)設計質(zhì)量，從而為我國全面邁進5G通信時代打下良好的基礎。