基于5G系统与WLAN的共存电源干扰控制方法研究
束美其 杨云峰
摘 要： 为了提高5G系统与WLAN多重通信系统的共存电源利用率，研究该系统的共存电源干扰控制方法， 设计一种基于共存电源相关域检测的自干扰控制电路。详细描述了电路中的抵消链路、检测电路、自动参考电平控制以及实时调整算法的设计过程，基于自干扰控制电路模块，提出5G系统与WLAN的共存电源干扰控制方案，实现共存电源干扰的有效控制。实验结果说明，所提控制方法对共存电源干扰抑制度满足设计要求，在高于50 MHz带宽时对发射信号的抑制度高于50 dB。
关键词： 5G系统； WLAN； 共存电源； 干扰控制
中图分类号： TN86?34； TM132 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0183?04
Abstract： In order to improve the coexistence power utilization efficiency of the 5G system and WLAN multi?communication system and obtain the coexistence power interference control method， a self?interference control circuit is designed based on coexistence power related domain detection. The design process of offset link， detection circuit， automatic reference level control and real?time adjustment algorithm is described. Based on the self?interference control circuit module， the coexistence power interference control scheme based on 5G system and WLAN is proposed to realize the effective control of coexistence power interference. Experimental results indicate that the proposed control method of coexistence power interference suppression meets the design requirement； that is， the suppression degree of transmitted signals is higher than 50 dB when the bandwidth is over 50 MHz.
Keywords： 5G system； WLAN； coexistence power supply； interference control
随着通信技术的快速发展，基于5G系统与WLAN的多重通信系统的应用领域逐渐扩张，在某空间领域、频率范围以及时间区间中形成较多的信号干扰，干扰共存电源的利用率，导致系统通信质量降低。因此，对5G系统与WLAN的共存电源干扰控制方法进行研究，具有重要的应用意义[1]。
1 基于5G系统与WLAN的共存电源干扰控制方法
为了提高5G系统与WLAN的共存电源利用率，设计一种基于共存电源相关域检测的自干扰控制电路，实现共存电源干扰的有效控制，其具体设计过程如下：
1.1 自干扰抵消链路设计
基于5G系统与WLAN的共存电源干扰控制系统，其共存电源干扰来自系统的发射端。对电源干扰信号进行幅度以及相位修正，可在接收端与接收信号进行融合。对电源干扰信号进行合理的幅度以及相位控制，可确保抵消电源信号同自干扰信号等幅反相[2]，对自干扰信号进行过滤。设计的自干扰控制电路中的自干扰抵消链路结构，如图1所示。设置运行频段为[2.5 GHz，2.8 GHz]，发射天线和接收天线的响应在-2 dB，设置电源干扰控制链路的增益区域为[0，20 dB]。自干扰抵消链路采用耦合值是25 dB的耦合器将发射信号从发射通道中采集出，在接收端通过耦合器注入抵消信号。设置接收端用于功率合成的耦合器的耦合值高于-2 dBW，可確保抵消信号的放大器输出功率低于发射通道的功率[3]。通过3 dB功分器将一半信号当成检测电路的参考电源信号，一半形成抵消信号，接收端通过耦合度是15 dB的耦合器采集信号。在输出端采用15 dB的耦合器，则要求实施抵消操作的驱动放大器输出功率高于15 dB，采用0.5 W的功率放大器ADL5324，并对其进行匹配调控。共存电源干扰抵消链路中的AD8341矢量调制器在基带IQ电压控制下存在30 dB的增益控制范围[4]，为了确保链路实现预期的增益控制范围，在链路中采用Gali?59+射频放大器，总体抵消电路的增益范围是-50～-15.5 dB，满足预期的设计要求。
1.2 共存电源相关检测电路设计
共存电源干扰控制电路需要检测抵消结果，对电源干扰控制过程进行改进。电路应基于环境的变换情况，对抵消进行实时修正，修正目标是最大可能从接收电源信号中过滤发射的电源自干扰信号。设计了共存电源域相关检测电路见图2。其通过18 dB的耦合器将抵消后的电源信号从接收端提取出，采用一级放大器ADL5602对电源信号进行放大，设置放大器的增益为20 dB，输入/输出回波损耗高于22 dB。通过放大处理的电源信号同参考电源信号实施正交混频，通过低通滤波器去掉其中的高频部分，采用运算放大器放大信号，输出检测电源信号。
1.3 参考电源信号自动电平控制电路设计
5G系统与WLAN的多重通信系统的发射功率是变化的，形成的参考电源信号也是变换的共存电源干扰控制电路应将参考电源信号调制在特定的功率区间[5]，设计自动电平控制电路，将参考电源信号功率控制在-2 dBm当成检测电路的参考输入信号[6]，其结构图如图3所示。该电路包括可变增益控制模块、功率检测模块以及反馈管理环路。可变增益模块采用射频乘法部件，功率检测模块采用检波器，反馈管理环路采用模拟环路和数字控制环路进行控制。
该设计通过模拟反馈电路，使用耦合器采集参考电源信号，功率检测模块通过对数检波器AD83I3检测参考电源信号的输出功率，采用UC3855B误差放大器对检测功率和参考电平实施误差积分，驱动射频乘法部件完成增益控制。可变增益控制模块采用射频乘法部件修正电源信号幅度，并且确保电源信号相位的稳定。
1.4 实时调整算法
共存电源干扰控制电路中的发射信号通过发射通道进入发射天线，从耦合器中采集部分发射信号。将这些发射信号分割成两部分：一部分通过自动电平控制电路进行相关检测的参考电源信号将输入检测电路；另一部分信号通过抵消链路进行幅度以及相位修正[7]，在接收端对电源信号自干扰进行抵消处理。控制单元按照检测结果及时修正抵消链路。共存电源干扰控制的实时修正过程是干扰抵消的调制过程，也是一种自适应滤波过程，共存电源干扰控制电路简化系统模型，如图4所示，其中[s1（t）]是发射信号，[s2（t）]是接收端信号，抵消后的电源信号[e（t）]为：
共存电源自干扰控制的自主修正过程是按照信号[e（t）]运算出最佳的权重系数[I+jQ]的过程。按照自适应滤波原理，采用LMS算法完成共存电源自干扰抵消的自动增益调控[8]，其通过多次迭代运算对加权系数进行调整，确保电源自干扰抵消控制达到最佳效果。
1.5 共存电源干扰控制方案设计
基于5G系统与WLAN的共存电源干扰抵消在多通信系统中，接收端不仅存在自身电源通道的干扰，还受到其他电源通道的干扰[9]。因此，采用共存电源相关检测的自干扰检测方法，解决无价值电源信号的干扰，将共存电源干扰控制电路设计成独立运行的模块，将多个控制电路进行级联，实现5G系统与WLAN的共存电源干扰的抵消。
本文对于5G系统与WLAN共存电源干扰抵消，采用3个共存电源干扰控制电路进行连接，控制电路1同发射天线1和接收天线1相连，控制电路3同发射天线2和接收天线2相连，控制电路1，3抵消自身的电源自干扰，控制电路2抵消其他发射天线的电源干扰。
2 实验分析
为了检测本文设计共存电源干扰控制方法在5G系统与WLAN环境下的控制效果，采用单模块级联方法完成多系统下共存电源干扰控制。
实验在通道1和通道2采用无关的发送信号，通道1采用SMBV100A形成中心频率是2.46 GHz，功率是30 dBm的通道带宽是30 MHz的LTE信号，使用带宽是19.126 MHz。通道2采用E4428C形成中心频率是2.46 GHz，功率是30 dBm的符号速率是30 MS/s的QAM16信号，分别检测共存电源干扰控制电路对应两个发射信号的抵消结果[10]。实验设置发射信号的最低抑制度为50 dB。发射通道1和通道2同时发射信号，检测共存电源干扰控制电路的总抵消结果。设置通道1和通道2的发射信号频谱如图5所示。
图6是对发射通道1和2的LTE信号以及QAM16信号的抵消结果，能够看出采用本文提出的共存电源干扰抵消方法进行控制后，对于30 dBm的发射信号，接收端的自干扰信号信号功率约为-38.9 dBm，共存电源干扰控制电路对于发射信号的抑制度为62 dB，符合实验要求，说明本文设计的共存电源干扰控制方法的有效性。当两个发射通道同时发射信号时，总体抵消结果如图7所示，可以看出抵消后的功率约为-32.8 dBm，
两个发射通道的总功率是25 dBm，可获取共存电源干扰控制电路对于发射信号的抑制度为56 dB，符合设置的需求。抵消带宽是共存电源干扰控制电路的另一个指标，当前的混合通信系统采用宽度的调制手段对信道进行控制。因此设计的共存电源干扰控制电路应尽可能宽地抵消带宽，为5G系统与WLAN混合通信系统提供服务。实验通过Agilent的矢量网络分析部件N5260A检测本文设计的共存电源干扰控制电路的抵消带宽，结果如图8所示。
从图8中可以看出，本文设计的共存电源干扰控制电路在高于50 MHz带宽时，对发射信号的抑制度高于50 dB，符合设计要求。
3 结 论
本文设计了5G系统与WLAN的共存电源干扰控制电路，详细描述了抵消链路、检测电路、自动参考电平控制以及实时调整算法的设计过程，并给出了5G系统与WLAN混合通信系统下的共存电源干扰抵消方案，实现了共存电源干扰的有效控制。
参考文献
[1] 汤仕艳，孙长印，王军选.5G系统中基于小区分群的干扰管理[J].电讯技术，2015，55（11）：1206?1211.
[2] 孔令兵.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].通信电源技术，2015，32（4）：124?125.
[3] 王兴国.基于WLAN的通信电源监控系统的设计[J].电源技術，2015，39（10）：2299?2300.
[4] 柳毅，叶远航，凌捷.一种WLAN信道传输干扰预测方法[J].计算机科学，2015，42（10）：106?112.
[5] 林磊，谭林丰，钟和清，等.脉冲强流环境中磁场辐射干扰对充电电源的影响及其抑制措施[J].高电压技术，2016，42（6）：1974?1980.
[6] 张冬冬，赵海森，赵伟波，等.供电电源包含谐波及不平衡共存时感应电机损耗特性[J].电机与控制应用，2016，43（7）：45?50.
[7] GU X， VALDES?GARCIA A， NATARAJAN A， et al. W?band scalable phased arrays for imaging and communications [J]. IEEE communications magazine， 2015， 53（4）： 196?204.
[8] 何川.基于WLAN的变电站监控系统的研发[J].电源技术，2015，39（5）：1075?1076.
[9] 马胜利，李邓化，王海.基于低功率PIC16F887单片机的控制系统抗干扰能力改进[J].传感器世界，2016，22（2）：14?17.
[10] 马瑞刚，崔保群，黄青华，等.在线同位素分离器（BRISOL）电源控制系统的研制[J].原子核物理评论，2015，32（z1）：33?37.
[11] 张志超，崔天时，冯兆宇，等.基于Simulink的模糊PID控制器设计及仿真[J].物联网技术，2016，6（8）：75?76.
摘 要： 为了提高5G系统与WLAN多重通信系统的共存电源利用率，研究该系统的共存电源干扰控制方法， 设计一种基于共存电源相关域检测的自干扰控制电路。详细描述了电路中的抵消链路、检测电路、自动参考电平控制以及实时调整算法的设计过程，基于自干扰控制电路模块，提出5G系统与WLAN的共存电源干扰控制方案，实现共存电源干扰的有效控制。实验结果说明，所提控制方法对共存电源干扰抑制度满足设计要求，在高于50 MHz带宽时对发射信号的抑制度高于50 dB。
关键词： 5G系统； WLAN； 共存电源； 干扰控制
中图分类号： TN86?34； TM132 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0183?04
Abstract： In order to improve the coexistence power utilization efficiency of the 5G system and WLAN multi?communication system and obtain the coexistence power interference control method， a self?interference control circuit is designed based on coexistence power related domain detection. The design process of offset link， detection circuit， automatic reference level control and real?time adjustment algorithm is described. Based on the self?interference control circuit module， the coexistence power interference control scheme based on 5G system and WLAN is proposed to realize the effective control of coexistence power interference. Experimental results indicate that the proposed control method of coexistence power interference suppression meets the design requirement； that is， the suppression degree of transmitted signals is higher than 50 dB when the bandwidth is over 50 MHz.
Keywords： 5G system； WLAN； coexistence power supply； interference control
随着通信技术的快速发展，基于5G系统与WLAN的多重通信系统的应用领域逐渐扩张，在某空间领域、频率范围以及时间区间中形成较多的信号干扰，干扰共存电源的利用率，导致系统通信质量降低。因此，对5G系统与WLAN的共存电源干扰控制方法进行研究，具有重要的应用意义[1]。
1 基于5G系统与WLAN的共存电源干扰控制方法
为了提高5G系统与WLAN的共存电源利用率，设计一种基于共存电源相关域检测的自干扰控制电路，实现共存电源干扰的有效控制，其具体设计过程如下：
1.1 自干扰抵消链路设计
基于5G系统与WLAN的共存电源干扰控制系统，其共存电源干扰来自系统的发射端。对电源干扰信号进行幅度以及相位修正，可在接收端与接收信号进行融合。对电源干扰信号进行合理的幅度以及相位控制，可确保抵消电源信号同自干扰信号等幅反相[2]，对自干扰信号进行过滤。设计的自干扰控制电路中的自干扰抵消链路结构，如图1所示。设置运行频段为[2.5 GHz，2.8 GHz]，发射天线和接收天线的响应在-2 dB，设置电源干扰控制链路的增益区域为[0，20 dB]。自干扰抵消链路采用耦合值是25 dB的耦合器将发射信号从发射通道中采集出，在接收端通过耦合器注入抵消信号。设置接收端用于功率合成的耦合器的耦合值高于-2 dBW，可確保抵消信号的放大器输出功率低于发射通道的功率[3]。通过3 dB功分器将一半信号当成检测电路的参考电源信号，一半形成抵消信号，接收端通过耦合度是15 dB的耦合器采集信号。在输出端采用15 dB的耦合器，则要求实施抵消操作的驱动放大器输出功率高于15 dB，采用0.5 W的功率放大器ADL5324，并对其进行匹配调控。共存电源干扰抵消链路中的AD8341矢量调制器在基带IQ电压控制下存在30 dB的增益控制范围[4]，为了确保链路实现预期的增益控制范围，在链路中采用Gali?59+射频放大器，总体抵消电路的增益范围是-50～-15.5 dB，满足预期的设计要求。
1.2 共存电源相关检测电路设计
共存电源干扰控制电路需要检测抵消结果，对电源干扰控制过程进行改进。电路应基于环境的变换情况，对抵消进行实时修正，修正目标是最大可能从接收电源信号中过滤发射的电源自干扰信号。设计了共存电源域相关检测电路见图2。其通过18 dB的耦合器将抵消后的电源信号从接收端提取出，采用一级放大器ADL5602对电源信号进行放大，设置放大器的增益为20 dB，输入/输出回波损耗高于22 dB。通过放大处理的电源信号同参考电源信号实施正交混频，通过低通滤波器去掉其中的高频部分，采用运算放大器放大信号，输出检测电源信号。
1.3 参考电源信号自动电平控制电路设计
5G系统与WLAN的多重通信系统的发射功率是变化的，形成的参考电源信号也是变换的共存电源干扰控制电路应将参考电源信号调制在特定的功率区间[5]，设计自动电平控制电路，将参考电源信号功率控制在-2 dBm当成检测电路的参考输入信号[6]，其结构图如图3所示。该电路包括可变增益控制模块、功率检测模块以及反馈管理环路。可变增益模块采用射频乘法部件，功率检测模块采用检波器，反馈管理环路采用模拟环路和数字控制环路进行控制。
该设计通过模拟反馈电路，使用耦合器采集参考电源信号，功率检测模块通过对数检波器AD83I3检测参考电源信号的输出功率，采用UC3855B误差放大器对检测功率和参考电平实施误差积分，驱动射频乘法部件完成增益控制。可变增益控制模块采用射频乘法部件修正电源信号幅度，并且确保电源信号相位的稳定。
1.4 实时调整算法
共存电源干扰控制电路中的发射信号通过发射通道进入发射天线，从耦合器中采集部分发射信号。将这些发射信号分割成两部分：一部分通过自动电平控制电路进行相关检测的参考电源信号将输入检测电路；另一部分信号通过抵消链路进行幅度以及相位修正[7]，在接收端对电源信号自干扰进行抵消处理。控制单元按照检测结果及时修正抵消链路。共存电源干扰控制的实时修正过程是干扰抵消的调制过程，也是一种自适应滤波过程，共存电源干扰控制电路简化系统模型，如图4所示，其中[s1（t）]是发射信号，[s2（t）]是接收端信号，抵消后的电源信号[e（t）]为：
共存电源自干扰控制的自主修正过程是按照信号[e（t）]运算出最佳的权重系数[I+jQ]的过程。按照自适应滤波原理，采用LMS算法完成共存电源自干扰抵消的自动增益调控[8]，其通过多次迭代运算对加权系数进行调整，确保电源自干扰抵消控制达到最佳效果。
1.5 共存电源干扰控制方案设计
基于5G系统与WLAN的共存电源干扰抵消在多通信系统中，接收端不仅存在自身电源通道的干扰，还受到其他电源通道的干扰[9]。因此，采用共存电源相关检测的自干扰检测方法，解决无价值电源信号的干扰，将共存电源干扰控制电路设计成独立运行的模块，将多个控制电路进行级联，实现5G系统与WLAN的共存电源干扰的抵消。
本文对于5G系统与WLAN共存电源干扰抵消，采用3个共存电源干扰控制电路进行连接，控制电路1同发射天线1和接收天线1相连，控制电路3同发射天线2和接收天线2相连，控制电路1，3抵消自身的电源自干扰，控制电路2抵消其他发射天线的电源干扰。
2 实验分析
为了检测本文设计共存电源干扰控制方法在5G系统与WLAN环境下的控制效果，采用单模块级联方法完成多系统下共存电源干扰控制。
实验在通道1和通道2采用无关的发送信号，通道1采用SMBV100A形成中心频率是2.46 GHz，功率是30 dBm的通道带宽是30 MHz的LTE信号，使用带宽是19.126 MHz。通道2采用E4428C形成中心频率是2.46 GHz，功率是30 dBm的符号速率是30 MS/s的QAM16信号，分别检测共存电源干扰控制电路对应两个发射信号的抵消结果[10]。实验设置发射信号的最低抑制度为50 dB。发射通道1和通道2同时发射信号，检测共存电源干扰控制电路的总抵消结果。设置通道1和通道2的发射信号频谱如图5所示。
图6是对发射通道1和2的LTE信号以及QAM16信号的抵消结果，能够看出采用本文提出的共存电源干扰抵消方法进行控制后，对于30 dBm的发射信号，接收端的自干扰信号信号功率约为-38.9 dBm，共存电源干扰控制电路对于发射信号的抑制度为62 dB，符合实验要求，说明本文设计的共存电源干扰控制方法的有效性。当两个发射通道同时发射信号时，总体抵消结果如图7所示，可以看出抵消后的功率约为-32.8 dBm，
两个发射通道的总功率是25 dBm，可获取共存电源干扰控制电路对于发射信号的抑制度为56 dB，符合设置的需求。抵消带宽是共存电源干扰控制电路的另一个指标，当前的混合通信系统采用宽度的调制手段对信道进行控制。因此设计的共存电源干扰控制电路应尽可能宽地抵消带宽，为5G系统与WLAN混合通信系统提供服务。实验通过Agilent的矢量网络分析部件N5260A检测本文设计的共存电源干扰控制电路的抵消带宽，结果如图8所示。
从图8中可以看出，本文设计的共存电源干扰控制电路在高于50 MHz带宽时，对发射信号的抑制度高于50 dB，符合设计要求。
3 结 论
本文设计了5G系统与WLAN的共存电源干扰控制电路，详细描述了抵消链路、检测电路、自动参考电平控制以及实时调整算法的设计过程，并给出了5G系统与WLAN混合通信系统下的共存电源干扰抵消方案，实现了共存电源干扰的有效控制。
参考文献
[1] 汤仕艳，孙长印，王军选.5G系统中基于小区分群的干扰管理[J].电讯技术，2015，55（11）：1206?1211.
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[3] 王兴国.基于WLAN的通信电源监控系统的设计[J].电源技術，2015，39（10）：2299?2300.
[4] 柳毅，叶远航，凌捷.一种WLAN信道传输干扰预测方法[J].计算机科学，2015，42（10）：106?112.
[5] 林磊，谭林丰，钟和清，等.脉冲强流环境中磁场辐射干扰对充电电源的影响及其抑制措施[J].高电压技术，2016，42（6）：1974?1980.
[6] 张冬冬，赵海森，赵伟波，等.供电电源包含谐波及不平衡共存时感应电机损耗特性[J].电机与控制应用，2016，43（7）：45?50.
[7] GU X， VALDES?GARCIA A， NATARAJAN A， et al. W?band scalable phased arrays for imaging and communications [J]. IEEE communications magazine， 2015， 53（4）： 196?204.
[8] 何川.基于WLAN的变电站监控系统的研发[J].电源技术，2015，39（5）：1075?1076.
[9] 马胜利，李邓化，王海.基于低功率PIC16F887单片机的控制系统抗干扰能力改进[J].传感器世界，2016，22（2）：14?17.
[10] 马瑞刚，崔保群，黄青华，等.在线同位素分离器（BRISOL）电源控制系统的研制[J].原子核物理评论，2015，32（z1）：33?37.
[11] 张志超，崔天时，冯兆宇，等.基于Simulink的模糊PID控制器设计及仿真[J].物联网技术，2016，6（8）：75?76.
