5G通信信號處理系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的實現(xiàn)

胡 霞

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)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(shè)備的設(shè)計難度。要想確保設(shè)備體積和集成度等能夠充分滿足5G通信要求，進(jìn)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(shè)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(shè)計主要以模塊化設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)計指標(biāo)以及信號的頻率響應(yīng)等都能達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)確保自身的各項技術(shù)指標(biāo)和可靠性達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計應(yīng)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(shè)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(shè)計

該模塊設(shè)計的關(guān)鍵點在于第一本振設(shè)計。只有確保第一本振設(shè)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(biāo)符合5G通信標(biāo)準(zhǔn)要求。以往通信系統(tǒng)設(shè)計過程中，只要第一本振的相噪指標(biāo)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(shè)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(yán)格。新的5G通信標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到-133 dBc/Hz@10 kHz的標(biāo)準(zhǔn)。因此，變頻的第一本振信號的相噪設(shè)計要符合該標(biāo)準(zhǔn)，以避免測試的額外誤差和不確定性。此外，獨立本振模塊設(shè)計的難點主要集中在高指標(biāo)的射頻模塊設(shè)計和微波濾波器設(shè)計兩個方面。按照相應(yīng)的設(shè)計要求，射頻模塊的頻率應(yīng)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(shè)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(shè)計與實現(xiàn)

2.1 接收通道設(shè)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(shè)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(jìn)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(shè)計過程中，在系統(tǒng)中布置低噪聲放大器和程控步進(jìn)衰減器，不僅能夠進(jìn)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(shè)計能夠與后端電路處理要求相吻合。當(dāng)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(shè)計必須要保障本振信號帶寬屬于高寬帶標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)利用帶通濾波器有效排除信號中的雜散信號，并將帶寬設(shè)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(jìn)而順利傳遞給信號分析模塊，真正達(dá)到5G通信信號高速傳輸效果。

2.2 發(fā)射通道設(shè)計

發(fā)射通道設(shè)計的最終目的是能夠以基帶發(fā)生器模塊為基礎(chǔ)，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(shè)計發(fā)射通道，可以保證系統(tǒng)的下行鏈路以LTE-Advcanced為主，進(jìn)而能夠利用OFDM技術(shù)的應(yīng)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(shè)計要想確保系統(tǒng)帶寬能夠達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xué)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(jìn)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(yù)編碼。在這一過程中，應(yīng)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(yīng)的增強技術(shù)適當(dāng)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(yīng)盡量采用ZF預(yù)編碼技術(shù)增加信號中的人工噪聲，并適當(dāng)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(biāo)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(jìn)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(yù)判階段的增強技術(shù)的實現(xiàn)

信道預(yù)判階段中，應(yīng)將信道劃分為多個訓(xùn)練過程，并明確相應(yīng)的導(dǎo)頻序列進(jìn)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(xué)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(dǎo)頻發(fā)射序列，避免人工噪聲給導(dǎo)頻訓(xùn)練造成不良影響。當(dāng)信號接收端完成信道預(yù)判工作后，要及時將預(yù)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(zhǔn)性。這一環(huán)節(jié)中，要想確保反饋結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須保證導(dǎo)頻訓(xùn)練序列長度與預(yù)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(dǎo)頻功率下反復(fù)驗證CSI的精準(zhǔn)性，并制定科學(xué)合理的導(dǎo)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(dá)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(yīng)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(jìn)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(wù)是要按照新的通信標(biāo)準(zhǔn)要求，全面優(yōu)化相應(yīng)的信號處理系統(tǒng)設(shè)計。實際運行過程中，相關(guān)設(shè)計人員不僅要重視系統(tǒng)硬件設(shè)計和獨立本振模塊設(shè)計，全面掌握數(shù)據(jù)接收通道與數(shù)據(jù)發(fā)射通道設(shè)計要點，還要采用先進(jìn)的增強技術(shù)提升數(shù)據(jù)發(fā)射階段和信道預(yù)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(shè)計質(zhì)量，從而為我國全面邁進(jìn)5G通信時代打下良好的基礎(chǔ)。