5G通信信号处理系统设计技术的实现

胡 霞

（湖南邮电职业技术学院，湖南 长沙 410015）

0 引 言

5G时代，通信速率越来越快且通信需求趋于多样化，使得人们对5G通信信号处理系统设计质量提出了更高的要求。虽然5G天线和波束成型3D-MIMO等技术的运用大幅提升了5G的通信速率和通信质量，但是也提高了通信设备的设计难度。要想确保设备体积和集成度等能够充分满足5G通信要求，进一步提升通信仪器仪表的性能及核心处理能力，需要各仪器仪表生产企业加大自身的技术创新力度。

1 5G通信高速数据传输系统架构设计分析

1.1 系统硬件构成

5G通信高速数据传输系统的架构设计主要以模块化设计为主。它的硬件系统包括高性能AD/DA模块、高性能FPGA+DSP+CPU模块以及独立本振模块。这些模块数据在统一的硬件和软件平台上不仅可以接受不同的测试，而且在单机情况下能支持5G通信测试和向下兼容的多种通信制式测试，因此高速数据传输系统的应用性能十分突出。相关实践证明，该系统的稳定性、一致性以及可扩展性等都比传统通信系统高很多。但是，该系统在架构设计过程中存在一定的操作难点。第一，系统在大带宽运行环境中，需确保群时延特性、带外抑制设计指标以及信号的频率响应等都能达到相应的标准要求。第二，要确保系统的中频信号能够通过解调的方式提升IQ数据流的精确性。第三，为充分满足5G通信的带宽要求，系统在高速采样的情况下，应确保自身的各项技术指标和可靠性达到设计标准要求。第四，5G通信高速数据传输系统的FPGA外围电路接口主要包括光纤模块、加载模块、DDR模块、AD9516提供的时钟模块以及电源模块等。其中，时钟模块设计应确保系统信号时钟与本地时钟保持一致。另外，系统采用Xilinx公司生产的XC7VX690T芯片作为FPGA的主要设计材料，能够提升外围电路接口功能，满足5G通信高速数据传输的要求[1]。

1.2 独立本振模块设计

该模块设计的关键点在于第一本振设计。只有确保第一本振设计质量，才能使5G通信高速数据传输系统的相噪指标符合5G通信标准要求。以往通信系统设计过程中，只要第一本振的相噪指标高于-90 dBc/Hz@10 kHz，就可满足系统的长期运行需求。5G通信高速数据传输系统设计需要提前分析天线矢量图和多通道信号赋形增益，且对相位和时延的要求比较严格。新的5G通信标准和技术方案对射频通路的信号质量提出了更高的要求，规定其相噪必须达到-133 dBc/Hz@10 kHz的标准。因此，变频的第一本振信号的相噪设计要符合该标准，以避免测试的额外误差和不确定性。此外，独立本振模块设计的难点主要集中在高指标的射频模块设计和微波滤波器设计两个方面。按照相应的设计要求，射频模块的频率应尽量保持在400～6 000 MHz范围内，且要兼容5G测试频段和其他通信制式。为了确保5G通信高速数据传输系统能够满足IEEE 802.11 a/b/g/n/ac测试要求，提升OFDMA/SC-FDMA信号质量，需合理设计射频信号带宽，使其能够超过160 MHz，且要具有较小的平坦度，尽量低于0.5 dB[2]。

2 高速数据传输的设计与实现

2.1 接收通道设计

对于5G通信信号处理系统而言，高速数据接收通道设计的最终目的在于能够确保400 MHz～6 000 GHz范围内的射频信号可以顺利实现变频，进而与适宜的中频频率相融合，更好地增强系统的宽带中频处理功能和信号分析处理功能。设计过程中，在系统中布置低噪声放大器和程控步进衰减器，不仅能够进一步提升系统小信号接收灵敏度，还可以合理调节信号电平的衰减量，从而保证数据接收通道设计能够与后端电路处理要求相吻合。当5G通信数据经过低通滤波器时，滤波器会自动过滤超出测量频率范围外的信号，以免这些信号影响系统的正常运行。此外，独立本振模块的第一本振设计必须要保障本振信号带宽属于高宽带标准，且在经过相位环路时可以自动锁定10 MHz频率的参考鉴相。同时，混频后应利用带通滤波器有效排除信号中的杂散信号，并将带宽设定为320 MHz，保证过滤后的信号能够与固定本振频率信号在第二混频器中混频，同时实现第一中频信号的变频。采取带通滤波器处理和控制其中存在的杂散信号，使其长久固定在第二中频频率中，进而顺利传递给信号分析模块，真正达到5G通信信号高速传输效果。

2.2 发射通道设计

发射通道设计的最终目的是能够以基带发生器模块为基础，为现阶段调制系统提供可靠的基带信号，并安全发送RF源调制电路的载波，使其转变成为400～6 000 MHz的OFDMA数字调制信号，以满足5G通信信号的高速发射要求。第一，采用OFDM多址方式设计发射通道，可以保证系统的下行链路以LTE-Advcanced为主，进而能够利用OFDM技术的应用优势有效分配频率资源，使其成为具有独立单位的子载波。第二，发射通道设计要想确保系统带宽能够达到100 MHz，一方面要利用R12版本的载波聚合技术有机整合多个29 MHz单元载波，另一方面要采用MAC技术的高速FPGA单元来优化DDC/DUC算法，进而实现大量载波的聚合，使其在不同载波的频谱下能够合理进行位置配置与后续处理。第三，由于发射通道中的400～6 000 MHz的载波信号是通过射频合成器模块产生的，因此可直接利用MIMO 8×4信号对其进行处理，并在处理后将其传递给IQ调制器的LO端口，而中频基带模块的调制器信号则要传递给基带信号输入端口。第四，发射通道要将调制器RF输出端口作为400～6 000 MHz之间的下行调制信号，将多波段射频滤波器组和数字稳幅电路作为媒介，真正将信号高效、快速以及安全地输送到天线中。可见，宽带IQ调制器既可以科学调制400～6 000 MHz之间的信号，明确系统发射通道的功率范围，使其处在-140～15 dBm，又能采用大容量的DDR3接口实现射频调制信号的高速输出，进而充分体现FPGA与DDR3之间的信号数据传输的便捷性与有效性。

3 物理层安全信号增强技术的实现

3.1 数据发射阶段的增强技术的实现

数据发射阶段的增强技术主要是优化配置和集中整合5G通信信号处理系统的数据流，使其能够有效传递信息给天线，最终形成波束赋形。这些数据流经过某一矩阵处理转换成可以发射的信号，再通过天线变换成完整的预编码。在这一过程中，应保证波束赋形的简洁性与可行性，并且为全面保证信号安全，避免其被监听者窃听，还要采取相应的增强技术适当增加信号中的人工噪声。由于这种增强方式容易给信号发射端和接收端造成一定的干扰，影响用户的通信效果，因此应尽量采用ZF预编码技术增加信号中的人工噪声，并适当增加发射端，从而减少对用户正常通信的影响，避免出现信号被监听的现象。另外，精确计算基于安全数据和安全中断概率的性能指标的近似值，提出新的功率配置方法，优化人工噪声与数据信号之间的数据配置，进一步提升系统的安全性能，从而使其更加符合5G通信安全信号传输要求[3]。

3.2 信道预判阶段的增强技术的实现

信道预判阶段中，应将信道划分为多个训练过程，并明确相应的导频序列进行信号发射。在发射过程中，信号接收端会第一时间接收到一个正确的校正信号，以便利用该信号科学评估整个信道，并将评估结果直接反馈给发射端。发射系统要适量增加发射端信号中的人工噪声，并重新安排导频发射序列，避免人工噪声给导频训练造成不良影响。当信号接收端完成信道预判工作后，要及时将预判信息反馈给发射端，最终由发射端整合和分析反馈结果，以切实提高CSI的精准性。这一环节中，要想确保反馈结果的准确性，必须保证导频训练序列长度与预测精度之间的关系为正相关系。此外，为了避免人工噪声投入给信号传输带来不利的影响或给监听信号造成干扰，要在较低的导频功率下反复验证CSI的精准性，并制定科学合理的导频双向校正方案，使信号校正过程能够固定在信号接收端达到双向校正信号的目的，从而最大化提高信号传输速率。如今，这种增强技术一般应用在基于工时分多址系统和载频分多址系统的强化过程中。一方面，基于时分多址系统的强化可以大幅提升双向信道之间的交互性，从根本上保证信号接收速率和接收效果，但却无法有效区分信号监听来源，因此需要增加信号中断的人工噪声。另一方面，基于载频分多址系统的强化是指在双向信道中增加一个校正过程，以便可以随时校正广播信号，从而更好地增强信道的交互性[4]。

4 结 论

5G时代中要想进一步提高我国移动通信信号处理速率，保障信号传输安全，首要任务是要按照新的通信标准要求，全面优化相应的信号处理系统设计。实际运行过程中，相关设计人员不仅要重视系统硬件设计和独立本振模块设计，全面掌握数据接收通道与数据发射通道设计要点，还要采用先进的增强技术提升数据发射阶段和信道预判阶段信号的安全性，以切实保证信号通信安全，突出5G信号处理系统设计质量，从而为我国全面迈进5G通信时代打下良好的基础。