Моделирование и проверка NR RF передатчика
Пример показов, как охарактеризовать влияние нарушений RF, таких как синфазный и квадратурный (IQ) дисбаланс, фаза шум и нелинейности степени усилителя (PA) в эффективность нового радиочастотного (RF) передатчика. Передатчик NR RF моделируется в Simulink ® с использованием 5G Toolbox™ и RF Blockset™.
Введение
Этот пример показов, как охарактеризовать влияние нарушений RF, таких как дисбаланс IQ, фаза шум и нелинейность PA в эффективность передатчика NR RF. Чтобы оценить эффективность, в примере рассматриваются эти измерения:
Вектор величины (EVM): вектор, различие в установленное время между идеальным (переданным) сигналом и измеренным (принятым) сигналом.
Коэффициент утечек смежного канала (ACLR): измерение величины утечки степени в смежные каналы и определяется как отношение фильтрованной средней степени, центрированной на заданной частоте канала, к фильтрованной средней степени, центрированной на смежной частоте канала.
Занимаемая полоса: пропускная способность, которая содержит 99% полной интегрированной степени сигнала, сосредоточенного на назначенной частоте канала.
Степень канала: фильтрация средней степени с центром на назначенной частоте канала.
Дополнительная кумулятивная функция распределения (CCDF): вероятность мгновенной степени сигнала быть уровнем, заданным выше его средней степени.
Модель работает на подкадре по базису подкадров. Для каждого подкадра рабочий процесс состоит из следующих шагов:
Сгенерируйте сигнал основной полосы частот 5G используя функции Toolbox.
Преобразуйте сгенерированную форму волны на частоту полосы пропускания и примените радиочастотную фильтрацию и усиление с помощью RF Blockset.
Преобразуйте переданную форму волны вниз на частоту основной полосы частот.
Вычислите ACLR/ACPR, занимаемую полосу пропускания, степень канала и CCDF с помощью блока Spectrum Analyzer.
Демодулируйте форму волны в приемник для измерения EVM.
Пример использует модель Simulink, чтобы выполнить эти операции. Обработка сгенерированного модулированного сигнала частот (шаги 1 и 5) использует блоки MATLAB ® Function, в то время как моделирование RF-передатчика (шаги 2-4) использует RF Blockset. Эта модель поддерживает режимы симуляции Normal и Accelerator.
Структура модели Simulink
Модель содержит три основных компонента:
NR Baseband Generation: генерирует сигнал основной полосы.
RF Transmission: преобразует сигнал вверх от полосы модулирующих частот к полосе пропускания, применяет фильтрацию RF и усиление и выполняет преобразование вниз.
NR Baseband Reception and Measurements: выполняет измерения RF и демодулирует форму волны baseband для вычисления EVM.
modelName = 'NRModelingAndTestingRFTransmitterModel';
open_system(modelName);
Генерация основной полосы частот NR
Блок NR-TM Transmission передает совместимые со стандартом 5G сигналы модели NR (NR-TM) для частотной области значений 1 (FR1) и частотной области значений 2 (FR2) [1].
Для генерации сигналов NR-TM можно задать имя NR-TM, пропускную способность канала, интервалы между поднесущими (SCS), режим дуплекса, тождества камеры и версию TS 38.141 с помощью маски блока передачи NR-TM. Кроме того, этот блок предоставляет опцию включения или отключения теста ACLR. Когда измерение ACLR включено, форма волны переизбирается, чтобы визуализировать спектральное восстановление.
Для получения дополнительной информации о том, как сгенерировать NR-TM, смотрите 5G Генерации сигналов NR-TM и FRC.
Когда пример работает на субкадре по базису субкадров, блок NR-TM Transmission отправляет по одному субкадру за раз. Передача десяти субкадров, соответствующих одной системе координат в случае режима дуплекса FDD, длится 10 мс. Если время симуляции больше 10 мс, блок NR-TM Transmission передает одну и ту же систему координат циклически. Блок Subframe Counter сохраняет номер текущего переданного субкадра. Если время симуляции больше, чем период системы координат, блок Subframe Counter сбрасывается на 0.
Радиочастотная передача
Блок RF-передатчика основан на архитектуре супергетеродинного передатчика. Эта архитектура преобразует форму волны вверх к частоте полосы пропускания и применяет радиочастотную фильтрацию и усиление перед передачей сигнала. Типичными компонентами супергетеродинного передатчика являются:
Модулятор IQ, состоящий из смесителей, фазы и локального генератора
Полосовой фильтр
Усилитель степени
В дополнение к этим компонентам этот блок RF-передатчика также включает в себя усилитель переменного усиления (VGA) для управления уровнем отката входного входа (IBO) усилителя высокой степени (HPA).
set_param(modelName,'Open','off'); set_param([modelName '/RF Transmitter'],'Open','on');
Блок Inport преобразует комплексную форму волны полосы частот в радиочастотный сигнал, а блок Outport преобразует радиочастотный сигнал обратно в комплексную полосу частот. Поскольку RF-передатчик принимает максимум 1024 выборки на каждый подкадр, входной буфер перед блоком RF-передатчика уменьшает количество выборок, отправленных в RF-передатчик. В текущем строении входной буфер отправляет 1024 выборки за раз.
Перед отправкой выборок в блок Decode Subframe, Выходной буфер (после RF-передатчика) буферизует все выборки в подкадре.
Блок Delay учитывает вызванные буфером задержки. Поскольку длительность задержки эквивалентна передаче субкадра, блок декодирования субкадра не демодулирует первую информацию, принятую в течение периода субкадра.
Можно сконфигурировать компоненты RF-передатчика с помощью маски блока RF-передатчика.
Блок RF-передатчика показывает типичные нарушения, включая:
Разбаланс I/Q в результате несоответствия усиления или фазы между параллельными участками цепи передатчика, имеющими отношение к путям сигнала IQ.
Фазовый шум как вторичный эффект, непосредственно связанный с тепловым шумом в активных устройствах генератора.
Нелинейности ВВД из-за ограничения степени постоянного тока, когда усилитель работает в области насыщения.
Этот пример подсвечивает эффект нелинейного поведения HPA.
Прием и измерения NR основной полосы частот
Блок Decode Subframe выполняет демодуляцию OFDM принятого субкадра, оценку канала и эквализацию, чтобы восстановить и построить график символов PDSCH в схеме созвездия. Этот блок также рассчитывает среднее значение EVM по времени и частоте и строит графики этих значений:
EVM на символ OFDM: EVM усреднялся по каждому символу OFDM.
EVM на паз: EVM усреднялась по выделенным символам PDSCH в пазе.
EVM на поднесущую: EVM усреднено по выделенным символам PDSCH в поднесущей.
Общее значение EVM: EVM усреднялось по выделенным переданным символам PDSCH.
Согласно TS 38.141-1 [1], не все символы PDSCH рассматриваются для оценки EVM. Используя RNTI, функция helper hListTargetPDSCHs выбирает целевые символы PDSCH для анализа.
Блок Spectrum Analyzer обеспечивает измерения частотного диапазона, такие как ACLR (называемый ACPR), занимаемая полоса, степень канала и CCDF. Чтобы визуализировать спектральное возрождение, тест ACLR переизбирает форму волны. Коэффициент избыточной дискретизации зависит от строения формы волны и должен быть установлен таким образом, чтобы сгенерированный сигнал мог представлять первые и вторые смежные каналы. Оценка ACLR выполняется в соответствии со спецификациями TS 38.141-1 [1].
Производительность модели
Чтобы охарактеризовать влияние нелинейностей HPA в оценках EVM и ACLR, можно измерить амплитудно-амплитудную модуляцию (AM/AM) HPA. AM/AM относится к уровням выходной степени с точки зрения входных уровней степени. Функция помощника hPlotHPACurve отображает характеристику AM/AM для HPA, выбранной для этой модели.
hPlotHPACurve(); figHPA = gcf;
P1dB является степенью в точке сжатия 1 дБ и обычно используется в качестве ссылки при выборе уровня IBO HPA. Вы можете увидеть влияние HPA на RF передатчик, проанализировав результаты EVM и ACLR для различных рабочих точек HPA. Например, сравните случай, когда IBO = 15 дБ, соответствующий HPA, работающий в линейной области, с случаем, когда IBO = 2 дБ, соответствующий HPA, работающий в полном насыщении. Коэффициент усиления VGA управляет уровнем IBO. Чтобы сохранить линейное поведение VGA, выберите значения усиления ниже 20 дБ.
Линейная HPA (IBO = 15 дБ). Для работы на уровне IBO 15 дБ установите параметр Available power gain блока VGA в 0 дБ. Чтобы симулировать целую систему координат, запустите симуляцию достаточно долго, чтобы захватить, например, 4 подкадра (4 мс). Во время симуляции модель отображает измерения EVM и ACLR и сигнальное созвездие.
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], минимальная необходимая ACLR для проведенных измерений составляет 45 дБ, а максимальная необходимая EVM при 64-QAM созвездия - 8%. Поскольку значения ACLR выше 45 дБ, и общий EVM, около 1,3%, ниже 8%, оба измерения соответствуют требованиям.
Нелинейная HPA (IBO = 2 дБ). Для работы на уровне IBO 2 дБ установите параметр Available power gain блока VGA в 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 схема созвездия искажается, и спектральное возрождение выше. Что касается измерений, первый соседний канал ACLR не подпадает под требования TS 38.104 [2], и общее значение EVM, около 7%, выше.
Радиочастотный передатчик сконфигурирован для работы со значениями по умолчанию блока NR-TM Transmission и с несущей с центром 2140 МГц (FR1). Если вы изменяете несущую частоту или значения в блоке Waveform Parameters, вам, возможно, потребуется обновить параметры компонентов RF-передатчика, поскольку эти параметры были выбраны для работы с строением по умолчанию в примере. Для получения дополнительной информации смотрите раздел «Сводка» и «Дальнейшее исследование» этого примера.
Резюме и дальнейшие исследования
Этот пример демонстрирует, как смоделировать и протестировать передатчик NR RF в Simulink. РЧ передатчик состоит из модулятора IQ, полосно-пропускающего фильтра и усилителей. Чтобы оценить эффективность, модель Simulink рассматривает измерения ACLR и EVM. Пример подсвечивает эффект нелинейностей HPA на эффективность RF-передатчика. Можно исследовать влияние изменения и других нарушений. Для примера:
Увеличьте разбаланс I/Q при помощи параметров несоответствия коэффициента усиления I/Q (dB) и несоответствия фазы I/Q (Deg) на вкладке IQ Modulator блока RF-передатчика.
Увеличьте шум фазы при помощи параметров Phase noise offset (Hz) и Phase noise level (dBc/Hz) на вкладке IQ Modulator блока RF Transmitter.
Кроме того, можно проверить занимаемую полосу пропускания, степень канала и измерения CCDF с помощью блока Spectrum Analyzer.
Если вы изменяете несущую частоту или значения в блоке Waveform Parameters, вам, возможно, потребуется обновить параметры компонентов RF-передатчика, поскольку эти параметры были выбраны для работы с строением по умолчанию в примере. Для образца изменение частоты несущей требует пересмотра полосы пропускания фильтра. Если вы выбираете полосу пропускания шире 20MHz, вам, возможно, потребуется обновить параметры длительности Импульсной характеристики и Фазы смещения частоты шума (Гц) блока IQ Modulator. Смещение фазы шума определяет нижний предел длительности импульсной характеристики. Если фаза разрешение смещения частоты шума слишком велико для заданной длительности импульсной характеристики, появляется предупреждающее сообщение, указывающее минимальную длительность, подходящую для необходимого разрешения. Для получения дополнительной информации см. IQ Modulator (RF Blockset).
Этот пример может быть базисом для проверки сигналов NR-TM для различных строений RF. Можно попробовать заменить блок RF Transmitter другой выбранной подсистемой RF и соответствующим образом сконфигурировать модель.
Ссылки
3GPP ТС 38.141-1. "NR; Соответствие базовой станции (BS) проверки Часть 1: Проведена проверка соответствия ". 3-ья Генерация Партнерский проект; Группа технических спецификаций Радиосеть доступ.
3GPP ТС 38.104. "NR; радиопередача и прием базовой станции (BS). "3-ья Генерация партнерский проект; Группа технических спецификаций Радиосеть доступ.