Моделирование и тестирование передатчика RF NR
Пример показывает, как охарактеризовать удар нарушений RF, такой как синфазный и квадратура (IQ) неустойчивость, шум фазы и нелинейность усилителя мощности (PA) в эффективности передатчика радиочастоты (RF) нового радио (NR). Передатчик RF NR моделируется в Simulink® с помощью 5G Toolbox™ и RF Blockset™.
Введение
В этом примере показано, как охарактеризовать удар нарушений RF, таких как неустойчивость IQ, шум фазы и нелинейность PA в эффективности передатчика RF NR. Чтобы оценить эффективность, пример рассматривает эти измерения:
Величина вектора ошибок (EVM): векторная разность в установленный срок идеала (переданный) сигнал и измеренного (полученного) сигнала.
Смежное отношение утечки канала (ACLR): мера суммы степени, просачивающейся в смежные каналы и, задана как отношение отфильтрованной средней степени, сосредоточенной на присвоенной частоте канала к отфильтрованной средней степени, сосредоточенной на смежной частоте канала.
Занимаемая полоса: пропускная способность, которая содержит 99% общей интегрированной степени сигнала, сосредоточенного на присвоенной частоте канала.
Степень канала: отфильтрованная средняя степень сосредоточена на присвоенной частоте канала.
Дополнительная кумулятивная функция распределения (CCDF): вероятность мгновенной степени сигнала быть уровнем, заданным выше его средней степени.
Модель работает над подкадром основанием подкадра. Для каждого подкадра рабочий процесс состоит из этих шагов:
Сгенерируйте основополосную форму волны с помощью функций 5G Toolbox.
Upconvert сгенерированная форма волны к частоте полосы пропускания и применяют фильтрацию RF и усиление с помощью RF Blockset.
Downconvert переданная форма волны к основополосной частоте.
Вычислите ACLR/ACPR, занимаемую полосу, степень канала и CCDF использование блока Spectrum Analyzer.
Демодулируйте форму волны в приемнике, чтобы измерить EVM.
Пример использует модель Simulink, чтобы выполнить эти операции. Сгенерированный модулированный сигнал, обрабатывающий (шаги 1 и 5), использует Функциональные блоки MATLAB®, тогда как передатчик RF, моделируя (шаги 2-4) использует RF Blockset. Эта модель поддерживает Нормальный и режимы симуляции Акселератора.
Структура модели Simulink
Модель содержит три основных компонента:
Основополосная Генерация NR: генерирует основополосную форму волны.
Передача RF: upconverts форма волны от основной полосы до полосы пропускания, применяет фильтрацию RF и усиление и выполняет понижающее преобразование.
Основополосный Прием NR и Измерения: выполняет измерения RF и демодулирует основополосную форму волны, чтобы вычислить EVM.
modelName = 'NRModelingAndTestingRFTransmitterModel';
open_system(modelName);
Основополосная генерация NR
Блок NR TM Transmission передает стандартно-совместимый 5G тестовая модель NR (NR-TM) формы волны для частотного диапазона 1 (FR1) и частотного диапазона 2 (FR2) [1].
Для генерации сигналов NR-TM можно задать имя NR-TM, пропускную способность канала, разрядка поднесущей (SCS), режим дуплекса, идентичность ячейки и версия TS 38.141 с помощью маски блока NR TM Transmission. Кроме того, этот блок предоставляет возможность включать или отключать тест ACLR. Когда измерение ACLR включено, форма волны сверхдискретизирована, чтобы визуализировать спектральный перерост.
Для получения дополнительной информации о том, как сгенерировать NR-TMs, смотрите 5G NR-TM и Генерация сигналов FRC.
Когда пример работает над подкадром основанием подкадра, блок NR TM Transmission отправляет один подкадр за один раз. Передача десяти подкадров, соответствие одной системе координат в случае режима дуплекса FDD, длятся 10 мс. Если время симуляции более длинно, чем 10 мс, блок NR TM Transmission передает тот же кадр циклически. Блок Subframe Counter хранит количество в настоящее время переданного подкадра. Если время симуляции более длинно, чем период системы координат, сброс блока Subframe Counter к 0.
Передача RF
Блок RF Transmitter основан на архитектуре передатчика супергетеродина. Эта архитектура upconverts форма волны к частоте полосы пропускания и применяет фильтрацию RF и усиление прежде, чем передать сигнал. Типичные компоненты передатчика супергетеродина:
Модулятор IQ, состоящий из микшеров, фазовращателя и локального генератора
Полосовой фильтр
Усилитель мощности
В дополнение к этим компонентам этот блок RF Transmitter также включает переменный усилитель усиления (VGA), чтобы управлять уровнем входного возврата (IBO) мощного усилителя (HPA).
set_param(modelName,'Open','off'); set_param([modelName '/RF Transmitter'],'Open','on');
Блок Inport преобразует комплексную основополосную форму волны в сигнал RF, и блок Outport преобразует сигнал RF назад в комплексную основную полосу. Поскольку Передатчик RF принимает максимум 1 024 выборок на подкадр, Входной буфер, перед блоком RF Transmitter, сокращает количество выборок, отправленных в Передатчик RF. В текущей настройке Входной буфер отправляет 1 024 выборки за один раз.
Прежде, чем отправить выборки на блок Decode Subframe, Буфер вывода (после Передатчика RF) буферизует все выборки в подкадре.
Блок Delay составляет вызванные буфером задержки. Когда длительность задержки эквивалентна передаче подкадра, блок Decode Subframe не демодулирует первую информацию, полученную в период подкадра.
Можно сконфигурировать компоненты Передатчика RF с помощью маски блока RF Transmitter.
Блок RF Transmitter показывает типичные нарушения, включая:
Разбаланс I/Q в результате усиления или фазы не соответствует между параллельными разделами цепи передатчика контакту с путями прохождения сигнала IQ.
Шум фазы как побочный эффект, непосредственно связанный с тепловым шумом в активных устройствах генератора.
Нелинейность HPA из-за ограничения мощности постоянного тока, когда усилитель работает в области насыщения.
Этот пример подсвечивает эффект нелинейного поведения HPA.
Основополосный прием NR и измерения
Блок Decode Subframe выполняет демодуляцию OFDM полученного подкадра, оценку канала и эквализацию, чтобы восстановить и построить символы PDSCH в Схеме Созвездия. Этот блок также составляет в среднем EVM в зависимости от времени и частоту и строит эти значения:
EVM на символ OFDM: EVM усреднен по каждому символу OFDM.
EVM на паз: EVM усреднен по выделенным символам PDSCH в пазе.
EVM на поднесущую: EVM усреднен по выделенным символам PDSCH в поднесущей.
Полный EVM: EVM, усредненный по выделенным символам PDSCH, передается.
Согласно TS 38.141-1 [1], не все символы PDSCH рассматриваются для оценки EVM. Используя RNTI, помощник функционирует hListTargetPDSCHs выбирает целевые символы PDSCH, чтобы анализировать.
Блок Spectrum Analyzer обеспечивает измерения частотного диапазона, такие как ACLR (называемый ACPR), занимаемая полоса, степень канала и CCDF. Чтобы визуализировать спектральный перерост, тест ACLR сверхдискретизировал форму волны. Коэффициент сверхдискретизации зависит от настройки формы волны и должен быть установлен таким образом, что сгенерированный сигнал способен к представлению первых и вторых смежных каналов. Оценка ACLR следует техническим требованиям в TS 38.141-1 [1].
Производительность модели
Чтобы охарактеризовать удар нелинейности HPA в EVM и оценках ACLR, можно измерить модуляцию от амплитуды к амплитуде (AM) HPA. AM относится к уровням выходной мощности в терминах уровней входной мощности. Функция помощника hPlotHPACurve отображает характеристику AM HPA, выбранного для этой модели.
hPlotHPACurve(); figHPA = gcf;
P1dB является степенью в точке сжатия на 1 дБ и обычно используется в качестве ссылки при выборе уровня IBO HPA. Вы видите удар HPA на передатчик RF путем анализа EVM и результатов ACLR для различных рабочих точек HPA. Например, сравните случай когда IBO = 15 дБ, соответствуя HPA, действующему в линейной области, со случаем когда IBO = 2 дБ, соответствуя HPA, действующему в полном насыщении. Усиление VGA управляет уровнем IBO. Чтобы сохранить VGA линейным поведением, выберите значения усиления ниже, чем 20 дБ.
Линейный HPA (IBO = 15 дБ). Чтобы действовать на уровне IBO 15 дБ, установите Доступный параметр усиления степени блока VGA к 0 дБ. Чтобы симулировать целую систему координат, запустите симуляцию достаточно долго, чтобы получить 10 подкадров (10 мс). В процессе моделирования модель отображает EVM и измерения ACLR и схему созвездия.
set_param([modelName '/RF Transmitter'],'vgaGain','0'); sim(modelName);
--- Starting simulation --- Transmitting subframe 0 ... Transmitting subframe 1 ... Transmitting subframe 2 ... Transmitting subframe 3 ... Transmitting subframe 4 ... Transmitting subframe 5 ... Transmitting subframe 6 ... Transmitting subframe 7 ... Transmitting subframe 8 ... Transmitting subframe 9 ... --- End of simulation ---
Согласно TS 38.104 [2], минимум потребовал, чтобы ACLR для проводимых измерений составил 45 дБ, и максимум потребовал EVM, когда созвездие 64-QAM, 8%. Когда значения ACLR выше, чем 45 дБ, и полный EVM, приблизительно 1,3%, ниже, чем 8%, оба измерения находятся в пределах требований.
Нелинейный HPA (IBO = 2 дБ). Чтобы действовать на уровне IBO 2 дБ, установите Доступный параметр усиления степени блока VGA к 12 дБ.
set_param([modelName '/RF Transmitter'],'vgaGain','12'); sim(modelName); slmsgviewer.DeleteInstance(); % Restore to default parameters set_param([modelName '/RF Transmitter'],'vgaGain','0');
--- Starting simulation --- Transmitting subframe 0 ... Transmitting subframe 1 ... Transmitting subframe 2 ... Transmitting subframe 3 ... Transmitting subframe 4 ... Transmitting subframe 5 ... Transmitting subframe 6 ... Transmitting subframe 7 ... Transmitting subframe 8 ... Transmitting subframe 9 ... --- End of simulation ---
По сравнению с предыдущим случаем искажена схема созвездия, и спектральный перерост выше. В терминах измерений первый смежный канал ACLR не находится в пределах требований TS 38.104 [2], и полный EVM, приблизительно 7%, выше.
Передатчик RF сконфигурирован, чтобы работать со значениями по умолчанию блока NR TM Transmission и с поставщиком услуг, сосредоточенным на уровне 2 140 МГц (FR1). Если вы изменяете несущую частоту или значения в блоке Waveform Parameters, вы, возможно, должны обновить параметры компонентов Передатчика RF, когда эти параметры были выбраны, чтобы работать на настройку по умолчанию примера. Для получения дополнительной информации смотрите раздел Summary и Further Exploration этого примера.
Итоговое и дальнейшее исследование
Этот пример демонстрирует, как смоделировать и протестировать передатчик RF NR в Simulink. Передатчик RF состоит из модулятора IQ, полосового фильтра и усилителей. Чтобы оценить эффективность, модель Simulink рассматривает ACLR и измерения EVM. Пример подсвечивает эффект нелинейности HPA на эффективности Передатчика RF. Можно исследовать удар изменения других нарушений также. Например:
Увеличьте разбаланс I/Q при помощи несоответствия усиления I/Q (дБ) и несоответствие фазы I/Q (Градус) параметры на вкладке IQ Modulator блока RF Transmitter.
Увеличьте шум фазы при помощи смещения шума Фазы (Гц) и уровень шума Фазы (дБн/Гц) параметры на вкладке IQ Modulator блока RF Transmitter.
Кроме того, можно проверять занимаемую полосу, степень канала и измерения CCDF при помощи блока Spectrum Analyzer.
Если вы изменяете несущую частоту или значения в блоке Waveform Parameters, вы, возможно, должны обновить параметры компонентов Передатчика RF, когда эти параметры были выбраны, чтобы работать на настройку по умолчанию примера. Например, изменение в несущей частоте требует пересмотра пропускной способности фильтра. Если вы выбираете пропускную способность шире, чем 20 МГц, вы, возможно, должны обновить длительность Импульсной характеристики и смещение частоты шума Фазы (Гц) параметры блока IQ Modulator. Смещение шума фазы определяет нижний предел длительности импульсной характеристики. Если разрешение смещения частоты шума фазы слишком высоко на данное время импульсной характеристики, предупреждающее сообщение появляется, задавая минимальную длительность, подходящую для необходимого разрешения. Для получения дополнительной информации смотрите Модулятор IQ (RF Blockset).
Этим примером могло быть основание для тестирования форм волны NR-TM для различных настроек RF. Можно попытаться заменить блок RF Transmitter другой подсистемой RF по вашему выбору и сконфигурировать модель соответственно.
Ссылки
3GPP TS 38.141-1. "NR; Часть 1 проверки на соответствие стандарту Базовой станции (BS): Проводимая проверка на соответствие стандарту". Проект Партнерства третьего поколения; Сеть радиодоступа Technical Specification Group.
3GPP TS 38.104. "NR; передача радио Базовой станции (BS) и прием". Проект Партнерства третьего поколения; Сеть радиодоступа Technical Specification Group.