5G通信信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田元鎖 張黎明

摘要：5G試點(diǎn)工作進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)2020年正式商用，峰值速率將達(dá)到每秒10 Gb，針對(duì)5G新技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已成為制約系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素，提出的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，采用高性能FPGA、高位寬、高采樣率的AD和DA，進(jìn)行相關(guān)接口優(yōu)化，驗(yàn)證了5Gbps光纖數(shù)據(jù)傳輸，為后續(xù)5G通信提供很好的參考測(cè)試、驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：5G；高速數(shù)據(jù)傳輸；光纖傳輸

0 引言

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年爆發(fā)式增長(zhǎng)，經(jīng)歷了2G、3G和4G，每一代都有一個(gè)十年的發(fā)展周期[1]。工信部表示2017年5G技術(shù)研發(fā)進(jìn)入第二階段，目前已經(jīng)在3.4-3.6 GHz頻段開(kāi)展5G系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)。相關(guān)的5G通信測(cè)試儀器儀表必須擁有很高的傳輸能力和計(jì)算能力來(lái)處理數(shù)據(jù)傳輸。

與傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù)不同的是，5G的天線(xiàn)增強(qiáng)、波束成型和3D-MIMO等技術(shù)帶來(lái)更大的困難是設(shè)備體積越來(lái)越小、集成度越來(lái)越高。儀器儀表產(chǎn)業(yè)鏈如何加大技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)對(duì)這些新的挑戰(zhàn)，是5G商用進(jìn)展的關(guān)鍵。測(cè)試儀器儀表硬件性能指標(biāo)，成為制約其信息處理能力的關(guān)鍵因素，隨著元器件性能的不斷提升，對(duì)于儀器儀表也帶來(lái)了質(zhì)的飛躍，所以性能指標(biāo)的高低決定了儀器儀表的核心處理能力[2-5]，本文采用高性能FPGA、高采樣率的AD和DA，進(jìn)行了相關(guān)接口優(yōu)化，驗(yàn)證了5 Gbps光纖數(shù)據(jù)傳輸。

1 5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

1.1 高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件構(gòu)成

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)受制于其硬件處理能力[6-9]，5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由獨(dú)立本振模塊、高性能AD/DA模塊、高性能FPGA+DSP+CPU模塊等組成。圖1為5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)框圖，設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，在統(tǒng)一硬件與軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)和滿(mǎn)足不同的測(cè)試，單機(jī)能支持目前5G通信測(cè)試，也可以向下兼容多種通信制式測(cè)試，研究具有穩(wěn)定性高、一致性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的難點(diǎn)在于：

1）在大帶寬情況下如何保證信號(hào)的頻率響應(yīng)、群時(shí)延特性和帶外抑制設(shè)計(jì)指標(biāo)；

2）將中頻信號(hào)無(wú)差別的解調(diào)為IQ數(shù)據(jù)流精確的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；

3） 5G通信的帶寬要求更高的中頻以及采樣速率，如何保證在高速采樣下的指標(biāo)和可靠性將是設(shè)計(jì)的又一挑戰(zhàn)。

FPGA外圍電路接口如圖2所示，加載模塊、DDR、電源、時(shí)鐘模塊、光纖模塊等，時(shí)鐘模塊由AD9516提供，為了保持信號(hào)時(shí)鐘與本地時(shí)鐘一致。FPGA用的是Xilinx公司的XC7VX690T，該芯片GTH最高支持13.1 Gb/s，滿(mǎn)足GPRI接口中的9.830 G、6.144G、3.072 G等速率要求。

1.2 獨(dú)立本振設(shè)計(jì)

本振設(shè)計(jì)最主要、最困難的是寬帶高性能第一本振設(shè)計(jì)，整機(jī)的相噪指標(biāo)主要取決于第一本振。一般認(rèn)為，只要在變頻時(shí)不惡化接收到的通信信號(hào)矢量解調(diào)指標(biāo)，就能滿(mǎn)足測(cè)試需求，通常只需要第一本振的相噪優(yōu)于-90 dBc/Hz@10 kHz，而對(duì)于本系統(tǒng)，因?yàn)樾枰治龆嗤ǖ佬盘?hào)賦形增益和天線(xiàn)矢量圖，所以對(duì)相位和時(shí)延有嚴(yán)格要求，同時(shí)，5G通信有新標(biāo)準(zhǔn)、新技術(shù)方案，對(duì)射頻通路的信號(hào)質(zhì)量也提出了高相噪要求，所以用于變頻的第一本振信號(hào)的相噪就需要很高的相噪指標(biāo)，才能不帶來(lái)額外的測(cè)試誤差和不確定性，所以本系統(tǒng)要求-133 dBc/Hz@10 kHz的超高相噪指標(biāo)。

本模塊設(shè)計(jì)主要難點(diǎn)是高指標(biāo)的射頻模塊設(shè)計(jì)和微波濾波器設(shè)計(jì)，射頻模塊的頻率范圍在400 MHz～6GHz內(nèi)變化，兼容目前5G測(cè)試頻段，本設(shè)計(jì)兼容其他通信制式，為了不影響OFDMA/SC-FDMA信號(hào)的質(zhì)量及IEEE 802.11 a/b/g/n/ac測(cè)試的要求，射頻信號(hào)帶寬將大于160 MHz，帶內(nèi)平坦度小0.5 dB。高速傳輸系統(tǒng)收發(fā)處理模塊如圖3所示。

2 高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

2.1 高速數(shù)據(jù)接收通道沒(méi)計(jì)

高速數(shù)據(jù)接收通道的主要功能是將頻率范圍在400MHz～6 GHz的射頻信號(hào)下變頻到適合的固定中頻頻率上，以供寬帶中頻處理模塊和信號(hào)分析模塊處理。其具體方案如圖4所示。射頻信號(hào)輸入首先前置低噪聲放大器，提升小信號(hào)接收靈敏度，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)程控步進(jìn)衰減器，該衰減器主要功能是可根據(jù)信號(hào)電平調(diào)節(jié)衰減量，確保滿(mǎn)足后端電路處理要求。其后，信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，濾除測(cè)量頻率范圍以外的干擾信號(hào)，以免引起假響應(yīng)。濾波后的信號(hào)進(jìn)入第一混頻器，這里采用了高中頻的上變頻方案，可有效解決鏡像、泄漏等問(wèn)題，混頻后產(chǎn)生第一中頻。相應(yīng)的第一本振需要提供寬帶高本振信號(hào)，該本振信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)與10 MHz頻率參考鑒相完成鎖定?；祛l后的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)帶通濾波器，濾除混頻器產(chǎn)生的其他雜散信號(hào)，同時(shí)考慮到需要處理的帶寬大于160 MHz，其1 dB帶寬設(shè)定為320MHz。經(jīng)過(guò)帶通濾波器后的信號(hào)進(jìn)入第二混頻器，與固定本振頻率信號(hào)混頻，將第一中頻信號(hào)下變頻到第二中頻低中頻頻率上，經(jīng)過(guò)相關(guān)的濾波處理后，再經(jīng)過(guò)一系列雜散抑制、幅度補(bǔ)償和湍口匹配后，輸送給信號(hào)分析模塊。

射頻信號(hào)輸入首先前置低噪聲放大器，提升小信號(hào)接收靈敏度，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)程控步進(jìn)衰減器，該衰減器主要功能是可根據(jù)信號(hào)電平調(diào)節(jié)衰減量，確保滿(mǎn)足后端電路處理要求。其后，信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，濾除測(cè)量頻率范圍以外的干擾信號(hào)，以免引起假響應(yīng)。濾波后的信號(hào)進(jìn)入第一混頻器，這里采用了高中頻的上變頻方案，可有效解決鏡像、泄漏等問(wèn)題，混頻后產(chǎn)生第一中頻。相應(yīng)的第一本振需要提供寬帶高本振信號(hào)，該本振信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)與10 MHz頻率參考鑒相完成鎖定?；祛l后的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)帶通濾波器，濾除混頻器產(chǎn)生的其他雜散信號(hào)，同時(shí)考慮到需要處理的帶寬大于160 MHz，其1dB帶寬設(shè)定為320 MHz，經(jīng)過(guò)帶通濾波器后的信號(hào)進(jìn)入第二混頻器，與固定本振頻率信號(hào)混頻，將第一中頻信號(hào)下變頻到第二中頻低中頻頻率上，經(jīng)過(guò)相關(guān)的濾波處理后，再經(jīng)過(guò)一系列雜散抑制、幅度補(bǔ)償和端口匹配后，輸送給信號(hào)分析模塊。

2.2 高速數(shù)據(jù)發(fā)射通道設(shè)計(jì)

高速數(shù)據(jù)發(fā)射通道的主要功能是由基帶發(fā)生器模塊為當(dāng)前要實(shí)現(xiàn)的調(diào)制類(lèi)型提供相應(yīng)格式的基帶信號(hào)，然后送給RF源的調(diào)制電路，產(chǎn)生載波400 MHz-6 GHz的OFDMA數(shù)字調(diào)制信號(hào)。

LTE-Advanced下行鏈路采用OFDM多址方式實(shí)現(xiàn)。OFDM技術(shù)以子載波為單位進(jìn)行頻率資源的分配，R12版本中載波聚合技術(shù)，可以通過(guò)聚合多個(gè)20 MHz的單元載波實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 MHz的系統(tǒng)帶寬。

本文通過(guò)MAC匯聚來(lái)實(shí)現(xiàn)最多載波數(shù)目的聚合功能，具體實(shí)現(xiàn)方式是在高速FPGA處理單元中采用優(yōu)化的DDC/DUC算法，將各載波的頻譜搬移到合適的位置，然后再進(jìn)行后續(xù)的處理，如圖5所示。

射頻合成器模塊產(chǎn)生400 MHz～6 GHz的載波信號(hào)，然后同相功分成多路，保證MIM0 8×4信號(hào)同相處理，后送給lQ調(diào)制器的LO端口。同時(shí)中頻基帶模塊的輸出信號(hào)送給調(diào)制器的基帶信號(hào)輸入端口；調(diào)制器輸出RF端口為400 MHz～6 GHz的下行調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)再通過(guò)多波段射頻濾波器組和數(shù)字穩(wěn)幅電路，最終傳送至天線(xiàn)。因此，寬帶IQ調(diào)制器實(shí)現(xiàn)400 MHz～6 GHz信號(hào)調(diào)制，功率范圍-140～15 dBm的射頻調(diào)制信號(hào)輸出。

3 DDR3接口優(yōu)化

大容量的DDR3對(duì)于高速數(shù)據(jù)處理來(lái)說(shuō)，必不可少，為了更好的便于FPGA與DDR3之間數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于它們之間的接口進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化，其接口示意圖如圖6所示。

4 相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試模塊基帶收發(fā)1 x協(xié)議模式與4x協(xié)議模式接口時(shí)序圖如圖7、圖8所示。

5 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了5G通信高速數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)SRlOlx和SR104x接口時(shí)序數(shù)據(jù)結(jié)果，得知，采用高性能FPGA、高位寬、高采樣率的AD和DA，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸是可行的，特別對(duì)于目前5G通信，為后續(xù)5G通信提供很好的參考測(cè)試、驗(yàn)證。

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