Пример показывает, как охарактеризовать влияние нарушений РЧ, таких как синфазный и квадратурный (IQ) дисбаланс, фазовый шум и нелинейности усилителя мощности (PA), при работе нового радиочастотного передатчика (RF). RF-передатчик NR моделируется в Simulink ® с использованием 5G Toolbox™ и RF Blockset™.
Этот пример показывает, как охарактеризовать влияние РЧ нарушений, таких как IQ дисбаланс, фазовый шум и PA нелинейности в рабочих характеристиках НР РЧ передатчика. Для оценки производительности в примере рассматриваются следующие измерения:
Величина вектора ошибки (EVM): разность вектора в данный момент времени между идеальным (переданным) сигналом и измеренным (принятым) сигналом.
Коэффициент утечки по соседнему каналу (ACLR): измерение величины утечки мощности в соседние каналы и определяется как отношение отфильтрованной средней мощности, центрированной на заданной частоте канала, к отфильтрованной средней мощности, центрированной на частоте соседнего канала.
Занятая пропускная способность: пропускная способность, которая содержит 99% полной интегрированной власти сигнала, сосредоточенного на назначенной частоте канала.
Мощность канала: отфильтрованная средняя мощность, центрированная на заданной частоте канала.
Дополнительная кумулятивная функция распределения (CCDF): вероятность того, что мгновенная мощность сигнала будет выше его средней мощности.
Модель работает на основе подкадра за подкадром. Для каждого подкадра рабочий процесс состоит из следующих шагов:
Создайте форму сигнала основной полосы частот с помощью 5G функций Toolbox.
Преобразование генерируемого сигнала в частоту полосы пропускания с повышением частоты и применение радиочастотной фильтрации и усиления с использованием радиочастотного блока.
Преобразование с понижением частоты передаваемого сигнала в частоту основной полосы частот.
Вычислите ACLR/ACPR, занятую полосу пропускания, мощность канала и CCDF с помощью блока Spectrum Analyzer.
Демодулируйте сигнал в приемнике для измерения EVM.
В примере для выполнения этих операций используется модель Simulink. При обработке сигналов основной полосы частот (шаги 1 и 5) используются функциональные блоки MATLAB ®, тогда как при моделировании радиочастотного передатчика (шаги 2-4) используется RF Blockset. Эта модель поддерживает режимы моделирования Обычный (Normal) и Ускоритель (Accelerator).
Модель содержит три основных компонента:
Генерация основной полосы NR: генерирует сигнал основной полосы.
RF-передача: преобразует с повышением частоты сигнал из основной полосы в полосу пропускания, применяет RF-фильтрацию и усиление и выполняет преобразование с понижением частоты.
Прием и измерения NR основной полосы частот: выполняет радиочастотные измерения и демодулирует форму сигнала основной полосы частот для вычисления EVM.
modelName = 'NRModelingAndTestingRFTransmitterModel';
open_system(modelName);
НОМЕР блока Передачи ТМ передает стандартно-соответствующий 5G НОМЕР экспериментальной модели (НОМЕР ТМ) формы волны для частотного диапазона 1 (FR1) и частотного диапазона 2 (FR2) [1].
Для генерации формы сигнала NR-TM можно задать имя NR-TM, полосу пропускания канала, интервал между поднесущими (SCS), режим дуплексирования, идентичность соты и версию TS 38.141 с использованием блочной маски передачи NR-TM. Кроме того, этот блок обеспечивает возможность включения или отключения теста ACLR. Когда измерение ACLR разрешено, форма сигнала избыточно дискретизируется для визуализации повторного роста спектра.
Для получения дополнительной информации о том, как произвести НОМЕР ТМ, посмотрите 5G НОМЕР ТМ и Поколения Формы волны FRC.
Поскольку пример работает на основе подкадра за подкадром, блок передачи NR-TM посылает один подкадр за раз. Передача десяти подкадров, соответствующих одному кадру в случае режима дуплексирования FDD, длится 10 мс. Если время моделирования превышает 10 мс, блок передачи NR-TM передает один и тот же кадр циклически. Блок счетчика субкадров сохраняет номер текущего передаваемого субкадра. Если время моделирования превышает период кадра, блок счетчика субкадров сбрасывается в 0.
Блок РЧ передатчика основан на супергетеродинной архитектуре передатчика. Эта архитектура преобразует форму сигнала в частоту полосы пропускания и применяет радиочастотную фильтрацию и усиление перед передачей сигнала. Типичными компонентами супергетеродинного передатчика являются:
IQ модулятор, состоящий из смесителей, фазовращателя и гетеродина
Полосовой фильтр
Усилитель мощности
В дополнение к этим компонентам этот блок РЧ передатчика также включает в себя усилитель с переменным коэффициентом усиления (VGA) для управления уровнем входного обратного отключения (IBO) усилителя высокой мощности (HPA).
set_param(modelName,'Open','off'); set_param([modelName '/RF Transmitter'],'Open','on');
Блок Inport преобразует комплексный сигнал основной полосы в РЧ сигнал, а блок Outport преобразует РЧ сигнал обратно в комплексную основную полосу. Поскольку РЧ передатчик принимает максимум 1024 выборки на подкадр, входной буфер перед блоком РЧ передатчика уменьшает количество выборок, посылаемых в РЧ передатчик. В текущей конфигурации входной буфер одновременно посылает 1024 выборки.
Перед отправкой выборок в блок декодирования подкадра выходной буфер (после радиочастотного передатчика) буферизирует все выборки в подкадре.
Блок задержки учитывает задержки, вызванные буфером. Поскольку длительность задержки эквивалентна передаче подкадра, блок декодирования подкадра не демодулирует первую информацию, принятую в течение периода подкадра.
Компоненты радиочастотного передатчика можно сконфигурировать с помощью маски блока радиочастотного передатчика.
Блок радиочастотного передатчика имеет типичные нарушения, включая:
Дисбаланс I/Q в результате несовпадений коэффициентов усиления или фаз между параллельными участками цепи передатчика, относящимися к трактам IQ сигнала.
Фазовый шум как вторичный эффект, непосредственно связанный с тепловым шумом в активных устройствах генератора.
Нелинейности ВВД из-за ограничения мощности постоянного тока, когда усилитель работает в области насыщения.
В этом примере показано влияние нелинейного поведения HPA.
Блок декодирования подкадра выполняет OFDM-демодуляцию принятого подкадра, оценку канала и выравнивание для восстановления и построения графика символов PDSCH на диаграмме созвездия. Этот блок также усредняет EVM во времени и частоте и строит графики следующих значений:
EVM на символ OFDM: EVM усредняется по каждому символу OFDM.
EVM на слот: EVM усредняется по выделенным символам PDSCH в слоте.
EVM на поднесущую: EVM усредняется по выделенным символам PDSCH в поднесущей.
Общее усреднение EVM: EVM по переданным выделенным символам PDSCH.
В соответствии с TS 38.141-1 [1] не все символы PDSCH рассматриваются для оценки EVM. Использование RNTI, функции помощника hListTargetPDSCHs выбирает целевые символы PDSCH для анализа.
Блок анализатора спектра обеспечивает измерения в частотной области, такие как ACLR (называемый ACPR), занятая полоса пропускания, мощность канала и CCDF. Чтобы визуализировать повторный рост спектра, тест ACLR избыточно дискретизирует форму сигнала. Коэффициент избыточной дискретизации зависит от конфигурации формы сигнала и должен быть установлен таким образом, чтобы генерируемый сигнал мог представлять первый и второй соседние каналы. Оценка ACLR выполняется в соответствии со спецификациями TS 38.141-1 [1].
Чтобы охарактеризовать влияние нелинейности ВВД в оценках EVM и ACLR, можно измерить амплитудно-амплитудную модуляцию (AM/AM) ВВД. AM/AM относится к уровням выходной мощности в терминах уровней входной мощности. Вспомогательная функция hPlotHPACurve отображает характеристику AM/AM для HPA, выбранного для этой модели.
hPlotHPACurve(); figHPA = gcf;
P1dB - мощность в точке сжатия 1 дБ и обычно используется в качестве эталона при выборе уровня IBO HPA. Влияние HPA на РЧ-передатчик можно увидеть, проанализировав результаты EVM и ACLR для различных рабочих точек HPA. Например, сравните случай, когда IBO = 15 дБ, соответствующий HPA, работающему в линейной области, со случаем, когда IBO = 2 дБ, соответствующим HPA, работающему в полной насыщенности. Усиление VGA управляет уровнем IBO. Чтобы сохранить линейное поведение VGA, выберите значения усиления ниже 20 дБ.
Линейный HPA (IBO = 15 дБ). Для работы на уровне IBO 15 дБ установите параметр Available power gain of the VGA block равным 0 дБ. Для моделирования целого кадра выполните моделирование достаточно долго, чтобы захватить, например, 4 подкадра (4 мс). Во время моделирования модель отображает измерения EVM и ACLR и диаграмму созвездия.
set_param([modelName '/RF Transmitter'],'vgaGain','0'); sim(modelName);
--- Starting simulation --- Transmitting subframe 0 ... Transmitting subframe 1 ... Transmitting subframe 2 ... Transmitting subframe 3 ... --- End of simulation ---
Согласно TS 38.104 [2] минимальный требуемый ACLR для проведенных измерений составляет 45 дБ, а максимальный требуемый EVM при 64-QAM совокупности - 8%. Поскольку значения ACLR выше 45 дБ, а общий показатель EVM, около 1,3%, ниже 8%, оба измерения соответствуют требованиям.
Нелинейный HPA (IBO = 2 дБ). Для работы на уровне IBO 2 дБ установите параметр Available power gain блока VGA равным 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 ... --- End of simulation ---
По сравнению с предыдущим случаем диаграмма созвездия искажена и спектральный рост выше. С точки зрения измерений, первый соседний канал ACLR не подпадает под требования TS 38.104 [2], и общий EVM, около 7%, выше.
Радиочастотный передатчик сконфигурирован для работы со значениями по умолчанию блока передачи NR-TM и с несущей, центрированной на частоте 2140 МГц (FR1). При изменении несущей частоты или значений в блоке «Параметры формы сигнала» может потребоваться обновить параметры компонентов радиочастотного передатчика, поскольку эти параметры были выбраны для работы с конфигурацией по умолчанию в данном примере. Дополнительные сведения см. в разделе Сводка и дальнейшее исследование этого примера.
В этом примере показано, как моделировать и тестировать РЧ-передатчик NR в Simulink. РЧ передатчик состоит из IQ модулятора, полосового фильтра и усилителей. Для оценки производительности модель Simulink учитывает измерения ACLR и EVM. В примере показано влияние нелинейности HPA на производительность радиочастотного передатчика. Можно также изучить влияние изменения других нарушений. Например:
Увеличьте дисбаланс I/Q, используя параметры I/Q-рассогласования усиления (dB) и I/Q-рассогласования фазы (Deg) на вкладке IQ-модулятора блока РЧ-передатчика.
Увеличьте фазовый шум, используя параметры сдвига фазового шума (Гц) и уровня фазового шума (dBc/Hz) на вкладке IQ-модулятора блока РЧ-передатчика.
Кроме того, можно проверить занимаемую полосу пропускания, мощность канала и измерения CCDF с помощью блока Spectrum Analyzer.
При изменении несущей частоты или значений в блоке «Параметры формы сигнала» может потребоваться обновить параметры компонентов радиочастотного передатчика, поскольку эти параметры были выбраны для работы с конфигурацией по умолчанию в данном примере. Например, изменение несущей частоты требует пересмотра полосы пропускания фильтра. При выборе полосы пропускания, превышающей 20MHz, может потребоваться обновить параметры длительности импульсного отклика и сдвига частоты фазового шума (Гц) блока IQ-модулятора. Сдвиг фазового шума определяет нижнюю границу длительности импульсной характеристики. Если разрешение сдвига частоты фазового шума слишком велико для заданной длительности импульсной характеристики, появляется предупреждающее сообщение, указывающее минимальную длительность, подходящую для требуемого разрешения. Дополнительные сведения см. в разделе Модулятор IQ (RF Blockset).
Этот пример может служить основой для тестирования сигналов NR-TM для различных РЧ-конфигураций. Можно попробовать заменить блок RF-передатчика другой подсистемой RF по своему выбору и соответствующим образом сконфигурировать модель.
3GPP ТС 38.141-1. "НР; Проверка соответствия базовой станции (BS) Часть 1: Проведение проверки соответствия. "Проект партнерства 3-го поколения; Техническая спецификация на сеть радиодоступа группы.
3GPP ТС 38.104. "НР; радиопередача и прием базовой станции (BS). "Проект партнерства 3-го поколения; Техническая спецификация на сеть радиодоступа группы.