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摘 要：5G技术是我国信息通讯体系建设的新方向，需要从数据传输与数据安全两方面入手加以保障，为此本文谨就5G通讯信号处理系统的设计与实现加以研究，首先分析5G通讯信号处理系统，即通过高速数据传输系统保障数据传输速率，对数据传输接口加以优化，并验证光纤数据传输，进而通过人工噪声等方式5G通讯信号安全。
关键词：5G技术；通信信号处理系统；安全信号处理技术
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）23-0294-02
前 言
随着信息技术与移动通讯技术的高速发展，我国已经开始尝试5G技术的试点工作，正在开启信息通讯的5G时代。在这种情况下，探讨通讯信号处理速率及传输速度，探索信号传输安全就十分必要了。
1 信号处理系统的设计
1.1 系统硬件组成
5G通讯环境下的数据传输高速且便捷，但目前，硬件处理能力是限制通讯信号数据传输的重要因素。5G通讯系统的数据信息号高速传输系统的硬件组成，包括独立本振模块、AD/DA模块、高性能FPGA+DSP+CPU模块等等。在5G信息通讯环境下，数据信息的高速传输框架设计，也是基于模块设计方法，基于同一的硬件及软件系统来测试高速数据传输，可以以单机为载体进行5G通讯测试，具备较多通讯制式测试兼容性，具备足够的稳定性与可扩展性。
高速数据传输系统的硬件构成，其技术难点在于：①大带寬的环境下，信号频率响应效果、群时延特性及带外抑制设计指标缺少足够保障；②如何实现无差别情况下的中频信号解调IQ数据流；③5G环境下的大带宽，在中频及采样速率方面需要加以保障，就需要进行高速采样指标及可靠性设计。设计FPGA的外围电路接口，具备加载模块、时钟模块及光纤模块等，AD9516数模转换器提供时钟模块，并采用XC7VX690T作为支撑，凭借其高速率保证时钟模块与本地时钟的一致性。
1.2 独立本振设计
5G通讯信号处理系统中，本振设计是极为重要的，而独立本振设计中，带宽高性能第一本振设计是其中难点，并直接影响本机相位噪声指标。一般情况下，变频时如果不对通讯信号矢量借条指标加以恶化，就足以达到系统测试目标，为此就需要保证第一本振相位噪声与-90dBc/Hz～10kHz相比有更大的优势。对于5G通讯系统来说，需要对多通道信号赋形增益及天线矢量图加以分析，就需要严格限定相位及时延。5G通讯信号处理技术在不断发展中，也逐渐产生了像一个的技术方案与技术标准，要求具备较高射频通路信号质量的的相位噪声，就需要较高的相位噪声指标，以此避免在系统测试时产生的误差及随机性。为此本文所提出的系统设计，采用-100dBc/Hz～10kHz超高指标。
在独立本振模块设计时，高指标的射频模块设计及微博滤波器设计的难度较高，要求在限定射频模块频率范围之内进行设计，即400MHz～6GHz之间，big保证与5G通讯信号处理系统测试频段相互兼容，并要求兼容其他通讯制式。处于保障通讯信号质量的需要，并确保系统测试的和理性与有效性，要求控制射频信号带宽，保证该信号带宽不低于160MHz，带宽的内部平滑性不超过0.5dB。
1.3 数据接收通道
5G通讯信号处理系统的设计中，高速数据接收通道设计，其通道功能在于实现400MHz～6GHz范围内的射频信号的变频，是指固定在合适的中频频率上，以实现更高地宽带中频处理及信号分析处理。采用低噪声放大器，并对小信号接收灵敏度交易加以提升，利用程控步进衰减器实现以信号电平调节衰减量为基础，保证通道能够满足后端电路处理的需要。进而进故宫低通滤波器对超出测量痞女率范围的信号加以过滤，避免由于测量频率外的信号对其造成的假响应。经过过滤之后的信号，会集中到第一混频器，采用上变频方案，以实现对于镜像信号干扰与信息泄露的情况，经过混频而生成第一中频。
第一本振需要保障本振信号的高宽带，锁定相位环路，自动锁定与10MHz频率的参考鉴相。混频之后，经过带通滤波器，对信号进行过滤，排除不必要的杂散信号，并设定1dB的320MHz带宽。带通滤波器过滤之后，信号在第二混频器中与固定本振频率信号进行混频，对第一中频信号进行变频，使之处于第二中频频率，对其进行信号滤波处理，抑制杂散，补偿幅度并匹配端口，向信号分析模块进行输送[1]。
1.4 数据发射通道
5G高速数据发射通道，是基于基带发生器模块，为当前调制类型提供相应格式的基带信号，向RF源调制电路进行发送，并产生OFDMA数字调制信号，该调制信号载波在400MHz～6GHz之间。LTE-Advcanced下行链路的实现是以OFDM多址方式为主要路径，利用OFDM技术有效配置频率资源，配置单位为子载波。R12版本的载波聚合技术，利用对多个29MHz单元载波进行聚合的方式，确保系统带宽达到100MHz。
本次信号处理系统设计，采用MAC，通过高速FPGA单元优化DDC/DUC算法的方式，来实现大量载波的聚合，基于不同载波的频谱进行位置配置与后续处理。400MHz～6GHz的载波信号是有射频合成器模块产生的，基于同相划分为多路，利用MIMO8×4信号加以处理，进而将其发送到IQ调制器的LO端口。中频基带模块，箱调制器基带信号输入端口进行传输，其输出端口为400MHz～6GHz之间的下行调制信号，以多波段射频滤波器组与数字稳幅电路为媒介，实现向天线的信号传播。基于这种方式，有效调制400MHz～6GHz之间的信号调制，并明确功率范围，实现射频调制信号的输出。
另外，在进行高速数据处理时，必须采用大容量的DDR3接口，并保证FPGA与DDR3之间的信号数据传输的便捷性与有效性，优化其相应接口（见图3）。
2 物理层安全信号增强技术 2.1 数据发射阶段
5G通讯信号处理系统的设计，除了保证信号数据传输的性能与速率之外，还要保证信号数据发送的安全性，为此，本文提出了基于物理层面的安全信号处理技术。首先明确数据发射阶段的安全信号处理技术。实际上，对数据流进行重新配置与整合之后，将数据流发送到天线上，形成波束赋形，经过某一矩阵之后，数据流会产生信号变换效果，此时发送到天线上就产生了预编码。从这方莫爱你来看，波束赋形具备简洁性与可行性，并且可以实现更加直观明确的设计。出于保证信号安全的考量，降低信号监听的可能性，降低监听者窃听的有效信号，基于此，一般手段是增加信号中的人工噪声，可以起到较好的防监听效果，但这种手段也会导致信号发射端及接收端受到干扰，并且影响通讯系统用户的使用。针对这一缺陷，采用zf预编码技术处理人工噪声，并添加到发射端，削弱对于信息通讯用户的干扰，并保证监听干扰效果[2]。
使用人工噪声可以对信号监听信道起到恶化效果，但如果发射机功率有限的情况下，使用人工噪声会减小数据信号的发射功率，导致期望用户SINR下降。基于此，要保证数据信号及人工噪声之间的合理数据分配，以确保通讯信号处理系统的安全速率性能。在不明确窃听者CSI或者仅仅知道统计CSI的情况下，发射机难以实现功率的精准分配，难以保证安全速率的最大化。现阶段，对于5G通讯息号处理系统的设计与研究，大多是基于安全数据及安全中断概率等性能指标的近似值，并对功率的配置方法提出策略。
2.2 信道预判阶段
划分训练过程为若干环节，在明确导频序列的情况下才能发射信号。信号接收端会首先接收到一个正确的校正信号，进而估算整个信道，并反馈给发射端。随后，发射端在信号中增加人工噪声，并重新进行新的导频序列的发射，此时并不会由于人工噪声而导致导频训练受到过大影响，但会十分明显地体现在信号监听方面。接收端对于信道的预判工作完成之后，向发射端反馈预判信息，发射端整合反馈结果，以此为基础保证CSI精准性，导频训练序列长度与预测精度之间存在正相关关系，导频信号与人工噪声同时发射之后，可以获得较好的反馈结果。这种方式的使用，可以基于较低的导频功率，重复校正以保证SCI的精准性，从事实现人工噪声投入的精度，避免对于正常信号传输造成影响，同时也实现对于监听信号的干扰。
上述重复反馈及重复校正方案可行性较高，但需要重复进行反馈及校正动作，因此需要重复投入资源，也会对通讯效率及通讯质量产生影响。基于此，就可以设置导频雙向校正方案，在信号校正过程中融合了接收端，实现对于信号的双向校正，保证工作效率。目前，该方式基于工作分址划分为工作载频及工作在时。首先基于时分多址系统双向信道之间较好的互易性，保证信号接收的速率与效果，但并不能够对信号监听来源加以区分，因而依旧需要增加人工噪声；其次基于载频分多址系统双向信道之间较差的互易性，需要在该信道中增加一个校正过程，以，随机广播校正信号，具备直接校正的优势[3]。
3 结 语
5G通讯信号处理系统的设计，包括信号处理系统以及基于物理层的安全信号增强处理两个部分。在信号处理系统设计方面，可以从系统硬件组成、独立本振设计、数据接收通道与数据发射通道等方面入手，保证信号处理系统设计的合理性；在安全信号增强方面，从数据发射阶段及信道预判阶段两方面入手，增加人工噪声，保证信号通讯安全。
参考文献
[1]田元锁，张黎明.5G通信信号处理系统的设计与实现[J].电子产品世界，2018，25（03）：33～36.
[2]刘春阳，马 英，陈周天，张万东.5G通信中的增强物理层安全信号处理技术探讨[J].通讯世界，2017（20）：66～67.
[3]李荣秀.5G通信中的增强物理层安全信号处理技术探讨[J].内蒙古科技与经济，2016（19）：92～93.
收稿日期：2018-7-11
作者简介：陈泽军（1981-），男，大专，主要从事通信工程设计工作。
关键词：5G技术；通信信号处理系统；安全信号处理技术
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）23-0294-02
前 言
随着信息技术与移动通讯技术的高速发展，我国已经开始尝试5G技术的试点工作，正在开启信息通讯的5G时代。在这种情况下，探讨通讯信号处理速率及传输速度，探索信号传输安全就十分必要了。
1 信号处理系统的设计
1.1 系统硬件组成
5G通讯环境下的数据传输高速且便捷，但目前，硬件处理能力是限制通讯信号数据传输的重要因素。5G通讯系统的数据信息号高速传输系统的硬件组成，包括独立本振模块、AD/DA模块、高性能FPGA+DSP+CPU模块等等。在5G信息通讯环境下，数据信息的高速传输框架设计，也是基于模块设计方法，基于同一的硬件及软件系统来测试高速数据传输，可以以单机为载体进行5G通讯测试，具备较多通讯制式测试兼容性，具备足够的稳定性与可扩展性。
高速数据传输系统的硬件构成，其技术难点在于：①大带寬的环境下，信号频率响应效果、群时延特性及带外抑制设计指标缺少足够保障；②如何实现无差别情况下的中频信号解调IQ数据流；③5G环境下的大带宽，在中频及采样速率方面需要加以保障，就需要进行高速采样指标及可靠性设计。设计FPGA的外围电路接口，具备加载模块、时钟模块及光纤模块等，AD9516数模转换器提供时钟模块，并采用XC7VX690T作为支撑，凭借其高速率保证时钟模块与本地时钟的一致性。
1.2 独立本振设计
5G通讯信号处理系统中，本振设计是极为重要的，而独立本振设计中，带宽高性能第一本振设计是其中难点，并直接影响本机相位噪声指标。一般情况下，变频时如果不对通讯信号矢量借条指标加以恶化，就足以达到系统测试目标，为此就需要保证第一本振相位噪声与-90dBc/Hz～10kHz相比有更大的优势。对于5G通讯系统来说，需要对多通道信号赋形增益及天线矢量图加以分析，就需要严格限定相位及时延。5G通讯信号处理技术在不断发展中，也逐渐产生了像一个的技术方案与技术标准，要求具备较高射频通路信号质量的的相位噪声，就需要较高的相位噪声指标，以此避免在系统测试时产生的误差及随机性。为此本文所提出的系统设计，采用-100dBc/Hz～10kHz超高指标。
在独立本振模块设计时，高指标的射频模块设计及微博滤波器设计的难度较高，要求在限定射频模块频率范围之内进行设计，即400MHz～6GHz之间，big保证与5G通讯信号处理系统测试频段相互兼容，并要求兼容其他通讯制式。处于保障通讯信号质量的需要，并确保系统测试的和理性与有效性，要求控制射频信号带宽，保证该信号带宽不低于160MHz，带宽的内部平滑性不超过0.5dB。
1.3 数据接收通道
5G通讯信号处理系统的设计中，高速数据接收通道设计，其通道功能在于实现400MHz～6GHz范围内的射频信号的变频，是指固定在合适的中频频率上，以实现更高地宽带中频处理及信号分析处理。采用低噪声放大器，并对小信号接收灵敏度交易加以提升，利用程控步进衰减器实现以信号电平调节衰减量为基础，保证通道能够满足后端电路处理的需要。进而进故宫低通滤波器对超出测量痞女率范围的信号加以过滤，避免由于测量频率外的信号对其造成的假响应。经过过滤之后的信号，会集中到第一混频器，采用上变频方案，以实现对于镜像信号干扰与信息泄露的情况，经过混频而生成第一中频。
第一本振需要保障本振信号的高宽带，锁定相位环路，自动锁定与10MHz频率的参考鉴相。混频之后，经过带通滤波器，对信号进行过滤，排除不必要的杂散信号，并设定1dB的320MHz带宽。带通滤波器过滤之后，信号在第二混频器中与固定本振频率信号进行混频，对第一中频信号进行变频，使之处于第二中频频率，对其进行信号滤波处理，抑制杂散，补偿幅度并匹配端口，向信号分析模块进行输送[1]。
1.4 数据发射通道
5G高速数据发射通道，是基于基带发生器模块，为当前调制类型提供相应格式的基带信号，向RF源调制电路进行发送，并产生OFDMA数字调制信号，该调制信号载波在400MHz～6GHz之间。LTE-Advcanced下行链路的实现是以OFDM多址方式为主要路径，利用OFDM技术有效配置频率资源，配置单位为子载波。R12版本的载波聚合技术，利用对多个29MHz单元载波进行聚合的方式，确保系统带宽达到100MHz。
本次信号处理系统设计，采用MAC，通过高速FPGA单元优化DDC/DUC算法的方式，来实现大量载波的聚合，基于不同载波的频谱进行位置配置与后续处理。400MHz～6GHz的载波信号是有射频合成器模块产生的，基于同相划分为多路，利用MIMO8×4信号加以处理，进而将其发送到IQ调制器的LO端口。中频基带模块，箱调制器基带信号输入端口进行传输，其输出端口为400MHz～6GHz之间的下行调制信号，以多波段射频滤波器组与数字稳幅电路为媒介，实现向天线的信号传播。基于这种方式，有效调制400MHz～6GHz之间的信号调制，并明确功率范围，实现射频调制信号的输出。
另外，在进行高速数据处理时，必须采用大容量的DDR3接口，并保证FPGA与DDR3之间的信号数据传输的便捷性与有效性，优化其相应接口（见图3）。
2 物理层安全信号增强技术 2.1 数据发射阶段
5G通讯信号处理系统的设计，除了保证信号数据传输的性能与速率之外，还要保证信号数据发送的安全性，为此，本文提出了基于物理层面的安全信号处理技术。首先明确数据发射阶段的安全信号处理技术。实际上，对数据流进行重新配置与整合之后，将数据流发送到天线上，形成波束赋形，经过某一矩阵之后，数据流会产生信号变换效果，此时发送到天线上就产生了预编码。从这方莫爱你来看，波束赋形具备简洁性与可行性，并且可以实现更加直观明确的设计。出于保证信号安全的考量，降低信号监听的可能性，降低监听者窃听的有效信号，基于此，一般手段是增加信号中的人工噪声，可以起到较好的防监听效果，但这种手段也会导致信号发射端及接收端受到干扰，并且影响通讯系统用户的使用。针对这一缺陷，采用zf预编码技术处理人工噪声，并添加到发射端，削弱对于信息通讯用户的干扰，并保证监听干扰效果[2]。
使用人工噪声可以对信号监听信道起到恶化效果，但如果发射机功率有限的情况下，使用人工噪声会减小数据信号的发射功率，导致期望用户SINR下降。基于此，要保证数据信号及人工噪声之间的合理数据分配，以确保通讯信号处理系统的安全速率性能。在不明确窃听者CSI或者仅仅知道统计CSI的情况下，发射机难以实现功率的精准分配，难以保证安全速率的最大化。现阶段，对于5G通讯息号处理系统的设计与研究，大多是基于安全数据及安全中断概率等性能指标的近似值，并对功率的配置方法提出策略。
2.2 信道预判阶段
划分训练过程为若干环节，在明确导频序列的情况下才能发射信号。信号接收端会首先接收到一个正确的校正信号，进而估算整个信道，并反馈给发射端。随后，发射端在信号中增加人工噪声，并重新进行新的导频序列的发射，此时并不会由于人工噪声而导致导频训练受到过大影响，但会十分明显地体现在信号监听方面。接收端对于信道的预判工作完成之后，向发射端反馈预判信息，发射端整合反馈结果，以此为基础保证CSI精准性，导频训练序列长度与预测精度之间存在正相关关系，导频信号与人工噪声同时发射之后，可以获得较好的反馈结果。这种方式的使用，可以基于较低的导频功率，重复校正以保证SCI的精准性，从事实现人工噪声投入的精度，避免对于正常信号传输造成影响，同时也实现对于监听信号的干扰。
上述重复反馈及重复校正方案可行性较高，但需要重复进行反馈及校正动作，因此需要重复投入资源，也会对通讯效率及通讯质量产生影响。基于此，就可以设置导频雙向校正方案，在信号校正过程中融合了接收端，实现对于信号的双向校正，保证工作效率。目前，该方式基于工作分址划分为工作载频及工作在时。首先基于时分多址系统双向信道之间较好的互易性，保证信号接收的速率与效果，但并不能够对信号监听来源加以区分，因而依旧需要增加人工噪声；其次基于载频分多址系统双向信道之间较差的互易性，需要在该信道中增加一个校正过程，以，随机广播校正信号，具备直接校正的优势[3]。
3 结 语
5G通讯信号处理系统的设计，包括信号处理系统以及基于物理层的安全信号增强处理两个部分。在信号处理系统设计方面，可以从系统硬件组成、独立本振设计、数据接收通道与数据发射通道等方面入手，保证信号处理系统设计的合理性；在安全信号增强方面，从数据发射阶段及信道预判阶段两方面入手，增加人工噪声，保证信号通讯安全。
参考文献
[1]田元锁，张黎明.5G通信信号处理系统的设计与实现[J].电子产品世界，2018，25（03）：33～36.
[2]刘春阳，马 英，陈周天，张万东.5G通信中的增强物理层安全信号处理技术探讨[J].通讯世界，2017（20）：66～67.
[3]李荣秀.5G通信中的增强物理层安全信号处理技术探讨[J].内蒙古科技与经济，2016（19）：92～93.
收稿日期：2018-7-11
作者简介：陈泽军（1981-），男，大专，主要从事通信工程设计工作。