5G同频同时全双工射频技术研究*

孟 涛

（中国移动通信集团浙江有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

同频同时全双工技术是5G 通信射频关键技术之一，其虽然具有较多优势，比如能复用频谱资源，而且能在同一频段中进行同时收发，进而达到翻倍利用频谱资源的效果，但是其不足就是难以抵消自干扰。所以需要加强对其自干扰问题的研究，并加强对其的处理。

1 同频同时全双工技术的概述

最初的2G 时代是从模拟到数字的时代，主要是采取TDMA 的接入方式。而到了3G 时代，从单一的话音转移到多媒体，主要是采取CDMA 的接入方式，到了4G 时代，主要是以OFDM 和MIMO技术为载体，注重空域资源的利用，而到了当前的5G 时代，具有多址、调制、CRS、双工、高频、组网等特点，使得接入网的容量从最初的2G 时代增加了1000 倍。5G 通信技术是以演进型号技术为主与革命型技术为辅的一种集合。其中，同频同时全双工技术和高频段通信技术是革命型技术。传统的频分双工系统的上行频段与下行频段、上行时隙与下行时隙的示意图详见图1 和图2，而同频同时全双工技术则是上下行共用频段的示意图详见图3，使得同频同时全双工技术在5G 通信射频技术中得到了广泛地应用[1]。

图1 传统频分双工系统频段分配示意

图2 传统时分双工系统时隙分配示意

图3 同频同时全双工系统时隙、频段分配示意

2 同频同时全双工技术自干扰抵消的电路设计要点

同频同时全双工技术的最大难点是难以消除自干扰，由于目前提出的射频抵消方案的复杂性、硬件要求、抵消性能都存在一定的差异。因此，在结合前人研究的基础上，为降低复杂性，优化硬件资源的需求，本文设计一种直接检测射频域自干扰抵消的电路，以更好地在5G 通信射频技术中加强对其的应用，将自干扰的消除效果不断优化和完善。

2.1 同频同时全双工自干扰抵消电路的测试要点

同频同时全双工技术的自干扰来源于收发机发射端。以天线分离的同频同时全双工收发机为例，其自干扰源主要是发射端，通过抵消自干扰信号，就能在发射端取出发射信号，再进行幅度与相位调整，利用接收端来接收信号时合成。当幅度与相位控制得当时，就能确保抵消信号和自干扰信号而这之间等幅相反，从而达到消除自干扰信号的目的。由于在5G 技术应用中，采用的是宽带数字调节信号，所以需要控制抵消链路和收发天线间的自干扰通道，且时延基本相同，否则就难以抵消带宽受限。这主要是由于时延不同，会使得与载波中心处的频谱分量相位发生偏离，相差不再是180°。加上在带宽通信系统中，多路径的自干扰将导致通带内的频率出现选择性衰落，所以为促进非常规带宽的抵消性能，需要采取多时延抽头的方式来进行抵消链路的设计，从而从根本上达到抵消的目的。

本研究所设计的抵消链路的设计工作频段为2.3～2.4 GHz 之间，发射通道的发射功率〉20 dBm,由于发射天线在接受天线的响应，大约需要-20 dB，所以在自干扰抵消链路设计中，其增益范围需要覆盖-20 dB。在抵消链路中，主要是设置定向耦合器，并从发射通道将发射信号获取，而接收端则利用定向耦合器中将抵消信号注入，但是在抵消信号形成过程中，为避免放大器地输出功率大于系统发射通道的功放功率，需要确保接收端进行功率合成的定向耦合器的耦合大于-20 dB。因此，在本设计中采用的是25 dB 的定向耦合器，且通过射频通道获取发射信号，再采用3 dB 的功分器分配50%的功分作为检测电路所需的参考信号，而另外的50%功分主要是用来形成抵消信号，并在接收端采用15 dB 的定向耦合器。且能抵消驱动放大器所输出功率大于15 dB。在本设计，采供的功率放大器的功率是0.5 W，并对其匹配性进行了调整和优化，发现其输入和输出均具有良好的匹配性，增益是14 dB 左右。在此基础上，采用带宽为20 MHz的LTE 信号来测试，发现输出功率是17 dBm 时，而其上下邻道的功率抑制分别是46.2 和44.8 dB。

而自干扰抵消链路的矢量调制需要基带IQ 电压控制下的增益控制范围有30 dB,而插入损耗是4.5 dB，为确保链路处于预期增益控制范围，而链路内采用射频放大器，从而将放大器增益18 dB，从而满足抵消路径中对增益的需要[2]。

2.2 射频检测电路设计

为了检测自干扰的抵消效果，需要加强对其的检测，从而更好地对抵消的效果进行优化和调整。而同频同时全双工收发机运行环境经常变化，所以系统需要结合环境变化在自干扰抵消方面实施实时调整而达到最优化。最优化目标就是将接受信号内所发射出来的自干扰信号最大化的消除，并将作为调整抵消的主要依据。常见的方法可以对抵消后残余的信号功率进行检测，也可以检测抵消后的残留信号和发射信号。

在采用功率检测时，主要是利用检波器抵消接收端残留的信号，残留接收信号功率=自干扰信号功率+接收信号功率，若抵消最优化时，那么残留信号的功率就最小。所以通过功率检测在电路中的应用便于实现，但是有以下几个方面的制约因素：一是功率检测被外界信号带来的影响较大；二是在调整算法上较为复杂，需要得到收敛方向、求解数值梯度等；三是功率检测方法在多天线检测时的难度大，这是因为检测结果中包含了多天线的发射功率，所以抵消算法的计算维度会随着天线数的增加而增加。

有的检测方法又需要就发射信号和接收信息予以相关性处理，且抵消达到最优化时，需要确保抵消后的接收信号和发射信号之间没有关系。所以很多检测方法主要是通过基带来实现，以及利用信号混频予以检测，亦或是下混频后达到检测的目的，但是同样会受到制约：检测容易受到本振相噪动、有源器件非线性，还有利用基带算法来操作，但是需要消耗部分运算资源[3]。

鉴于目前的检测方法难以满足实际检测的需要，受到的制约因素较多，因此本文提出一种直接检测射频域的方法。本检测方法中的电路（详见图4），主要是采用18 dB 定向耦合器，并从接收端取出抵消之后的信号，由于此信号微弱，为提高检测防范，采用一级放大器将其放大，并进行匹配之后得到的放大器增益是20 dB 左右，而输入、输出回波损耗〉24 dB，具有良好的匹配性能。而接收信号在经过放大之后，与参与信号一到实施正交混频，再从低通滤波器中将高频信号滤除，同时借助运算放大器进一步放大信号，从而得到检测输出。但是，检测电路中有微弱的直流失调，而其将导致最优点出现偏差，使得抵消调整效果受到影响，所以需要校正直流失调，利用控制检测放大链路关断，使得输出直流信号就是失调电压，并这一电压采样之后，将其作为检测信号偏移点，从而校正输出失调。此外，次直接射频域检测电路在检测时的参考信号需要满足一定的功率范围，否则检测结果的精准度受到影响，因此需要对ALC（自动电平控制）电路进行设计。

图4 射频检测电路图

2.3 参考信号的ALC 电路设计要点分析

因为5G 基站的无线通信发射机自身的发射功率处于一定的动态范围之内，所以在自干扰抵消电路中，发射通道中的功率往往非固定，在相关检测电路中，必须确保参考信号控制在一定功率范围之内，所以以下对ALC 电路进行设计（具体详见图5），在设计中，核心思想就是参考信号功率控制在-2 dB 左右，并将其作为参考输入信号。在射频自动增益控制环路，也就是自动电平控制环路中，主要包含了可变的增益单元和功率检测单元以及反馈控制环路三个方面。其中，可变增益元件主要是指数可变衰减器、射频乘法器以及可变增益放大器，功率检测主要是采用检波器，在反馈环路中，主要是采取模拟环路和数字控制环路来进行功率检测。首先，采用模拟得到的反馈环路和定向耦合器将参考信号取出，并利用对数检波器检测参考信号地输出功率，而误差放大器则对功率、参考电平实施误差积分处理的基础上，对射频乘法器实施增益调整。在设计中应用射频乘法器来进行增益调整，从而在信号幅度调整的过程中不用改变信号相位，预防由于参考信号的相位变化而导致检测结果的相位出现旋转。

在于其发射通道功率在0～20 dBm 时，ALC 环路输入功率是-28 到-8 dBm，再加上射频乘法器提供的增益最大可达7 dB，增益的控制范围是35 dB，射频发达器的增益在20 dB 左右，所以在环路增益调整范围就是-8～27 dB。当发射通道信号作为参考信号时，增益调整范围就是-36～-1 dB，而ALC 地输出目标功率设定的是-2 dBm，所以，此ALC 环路能有效地满足发射通道在0～20 dBm 的这一发射功率中应用的需求[4]。

图5 参考信号的ALC 电路设计

2.4 算法实时调整技术分析

因为在同频同时全双工自干扰抵消电路中的发射信号是从发射通道而进入发送天线，此时部分信号就会被定向耦合器取出后并分成两份，其中一份是从ALC 电路后，检测所需的参考信号会进入检测电路，而另一份则从抵消链路幅度与相位调整的基础上，从接收端来抵消自干扰，而控制单元的检测结果则能实时调整抵消链路，所以自干扰抵消过程是自动调整的，因此属于自适应滤波过程。在自动调整过程中，其核心问题就在于结合误差信号来计算最佳权重系数，再结合自适应滤波理论，所以抵消射频自干扰的自动调整算法，主要是采用LMS算法来计算，但是需要多次进行迭代运算，从而对加权系数进行修正，使得系统达到最优化。其具体的迭代过程的调整算法如下：

式中的μ代表得是收敛因子，μ的取值将直接对自干扰抵消调整的精度与速度。而实际进行射频电路检测时，因为参考信号的路径与抵消链路中势必存在相位差，所以就需要在调试过程中进行相位差测试，同时还要对这一相位差予以校正，从而有效地预防抵消结果受到影响，有效地预防出现抵消控制不收敛，所以需要对迭代公式进行调整：

从而对射频自干扰抵消实施准确而又快速地自动调整。

2.5 分析5G 通信系统射频自干扰抵消设计

由于同频同时全双工自干扰抵消的难点就在于多天线中的应用，在多天线场景下，接收端不仅有自发射通道带来的干扰，而且其他发射通道也会对其带来干扰，因此在多天线系统中，存在的自干扰抵消较为复杂，且复杂度不仅需要增加硬件，而且算法的难度也大。因此，本文在设计中，为达到对消多天线的目的，本文认为，可以采取直接射频域检测方法来避免无关信号带来的影响，且射频抵消电路作为完全独立工作模块，多天线抵消时只要将多个抵消模块实施多级联就能实现，而且不用调整抵消算法[5]。

3 同频同时全双工自干扰抵消电路的测试要点

在经过上述设计之后，需要对其设计的方案进行测试，以进一步论证其适用性，从而更好地在实践中予以应用。

3.1 自干扰抵消模块的抵消测试

本抵消测试主要是在普通实验环境下进行，测试单个同频同时全双工自干扰抵消电路，对单发单手的自干扰抵消进行测试。测试收发天线为全向天线，中心频率是2.35 GHz，天线兼具是10 cm，采用矢量信号源作为发射信号，利用发射通道发射天线来发射，采用频谱分析和观测接收端抵消后的信号。具体测试过程如下：

3.1.1 测试方案

因为同频同时全双工自干扰抵消在多天线中应用的难度较大，需要面临自发射通道和其他发射通道带来的干扰，所以在多天线系统中自干扰抵消时较为复杂，尤其是硬件增加复杂度和算法增加难度，所以需要采取相应的方案来对其进行测试，切实加强射频域的检测，避免无关信号带来的影响，着力实现射频抵消电路成为独立模块，并将这些抵消模块进行级联，同时还能调整抵消运算的难度。具体的抵消连接详见图6。在图6 中，采用四个抵消模块来连接，其中，抵消模块1 分别与发射和接收天线1 连接，而抵消模块4 分别与发射和接收天线2连接，这样，模块1 和4 就能将自身发射自干扰抵消，而模块2 和模块3 则能抵消其他发射天线带来的自干扰。例如在通道1 中，采用模块1 输出并与模块2 连接，而模块2 中的发射通道1 为模块4 所发射信号，这样就将自干扰分成不同的两份，模块1对通道1 形成的自干扰进行抵消，模块2 对通道2 形成的自干扰抵消。通道2的运行同理，在此不再分析[6]。

图6 射频自干扰抵消连接示意

3.1.2 测试环境

在本次测试中，采用的仪器主要有以下几种：①R&S 的矢量信号源SMBV100A；②Agilent 的频谱分析仪；③E4438C 矢量信号源。具体的测试过程：采用印刷偶极子天线，天线之间的间隔是8.5 cm，采用仪器①和③对通道1 和2 所发射信号发射出去，再利用仪器②来接收端口所抵消之后的信号[7]。

3.2 自干扰抵消模块的测试结果

由于测试信号的速率是20 MHz 的调制信号，考虑降滚因子，所以占据的宽带是27 MHz，形成的发射信号在射频自干扰电路中上电之后，将监测电路关断开展失调校正，再开展抵消优化算法迭代，得出18 dBm 的发射信号的接收端自干扰信号功率是-38.9 dBm，最后计算得出抑制度为57 dB。

3.3 测试结果分析

从测试的结果来看，射频域自干扰抵消能对抵消发射通道的非线性失真，这是由于参考信号是功放输出的发射信号，在测试过程中也发现，非线性失真使得周边的信道功率得到了明显的增加，采用射频自干扰电路来消除自干扰之后，通道中的发射信号抑制度同样是57 dB，周边信道的非线性失真抑制度大于40 dB。最后得出的结果说明，本文所设计研究的同频同时全双工自干扰抵消电路的自干扰消除效果良好，达到实时调整性能的目的[8]。

4 结语

综上所述，5G 通信射频关键技术较多，本文选取的同频同时全双工技术，由于在自干扰消除方面的难度较大，所以为加强对其的处理，本文设计了一种消除同频同时全双工自干扰的方法，希望通过本文的研究，推动5G 通信射频技术的发展，未来还要加强对其他射频关键技术的研究，以更好地促进5G 通信事业的发展，并为此而不懈努力。