Введение

Модель Simulink ®, описанная в этом примере, является HDL-оптимизированной реализацией детектора блока сигнала синхронизации (SSB) для 5G области значений частотного 1 NR (FR1). Этот пример является одним из связанных наборов, которые показывают рабочий процесс разработки и развертывания 5G алгоритма поиска камеры NR и восстановления MIB на оборудовании. Отображается полный рабочий процесс.

Каждый шаг в этом рабочем процессе демонстрируется одним или несколькими связанными примерами.

Общее описание того, как MATLAB и Simulink могут использоваться вместе для разработки развертываемых моделей, смотрите в Wireless Communications Design для FPGA и ASIC.

На рисунке показан блок схема детектора SSB. Детектор выполняет все высокоскоростные задачи обработки сигналов, сопоставленные с алгоритмом поиска камер, поэтому хорошо подходит для реализации FPGA или ASIC. Детектор SSB ищет SSB во времени при заданных смещении частоты и интервалах между поднесущими. Он предназначен для использования в качестве части большей системы, которая реализует восстановление смещения несущей частоты и обнаружение промежутков между поднесущими. Контроллер должен использоваться для координации общего поиска камер, как показано на 5G примере восстановления NR MIB с использованием аналоговых устройств AD9361/AD9364 (Пакет поддержки Communications Toolbox для Xilinx Zynq-Based Radio).

Детектор SSB выполняет поиск первичной последовательности синхронизации (PSS), демодуляцию ортогональной частоты деления мультиплексирования (OFDM) и поиск вторичной последовательности синхронизации (SSS). Он также включает в себя цифровой преобразователь частоты (DDC) для коррекции смещений частоты в принимаемом сигнале. Детектор SSB имеет два режима работы, поиска и демодуляции, которые показаны в этом примере. В режиме поиска детектор ищет SSB и возвращает их параметры. В режиме демодуляции детектор восстанавливает заданный SSB OFDM-демодулирует свою ресурсную сетку и ищет SSS в соответствующих ресурсных элементах.

Структура файла

В примере используются эти файлы.

Модели Simulink

Словарь данных Simulink

Код MATLAB

NR HDL Камеры модель поиска

Этот рисунок показывает nrhdlSSBDetection модель. Верхний уровень модели считывает сигналы из базового рабочего пространства MATLAB, передает их в подсистему обнаружения SSB и записывает выходы обратно в рабочую область. Используйте runSSBDetectionModelSearch и runSSBDetectionModelDemod скрипты для запуска модели и последующей обработки выходов.

Интерфейс обнаружения SSB

Подсистема обнаружения SSB содержит блок Model, который ссылается на nrhdlSSBDetectionFR1Core модель. В этом разделе описываются входы и выходы этой модели.

Исходные данные

Выходы

Состояния сигнала состояния

Модель-ссылка обнаружения SSB

Эта схема показывает верхний уровень nrhdlSSBDetectionFR1Core модель. Входной сигнал (dataIn) является 14-битными подписанными комплексно-ценными данными, дискретизированными на 61,44 Msps. Подсистема масштабирования входного сигнала увеличивает размер слова до 16 битов, увеличивая значения на один бит и добавляя один LSB. Это увеличение обеспечивает запас и дополнительную точность для последующих этапов обработки. DDC корректирует смещение частоты и децимирует выборки на восемь (до 7,68 Msps) с помощью получастотных фильтров. Выход DDC является входом в подсистему поиска и демодирования SSB. Блок Detection Status отслеживает прогресс и генерирует выход состояния.

Структура подсистемы поиска и демодирования SSB

Подсистема поиска и демодирования SSB выполняет обнаружение и демодуляцию SSB. Его внутренняя частота дискретизации изменяется в зависимости от интервала между поднесущими (SCS). Подсистема использует 7,68 Msps для 30kHz SCS и 3,84 Msps для 15kHz SCS. Логика выбора интервала между поднесущими слева отвечает за изменение частоты дискретизации. Скорость может измениться только, когда новая операция запускается начальным входом.

Приемник имеет внутреннюю систему ссылки синхронизации, которая отслеживает время, используя счетчики в ключевых точках в datapath. Временной ссылкой отсчитывает периоды 20 мс - принятая периодичность SSB для поиска камеры как определено 5G стандартом NR. Время измеряется в выборках в 61,44 Msps по модулю 1228800, чтобы создать период 20 мс. Поскольку фактическая частота дискретизации составляет либо 7,84 Msps, либо 3,84 Msps, счетчики опорной частоты синхронизации увеличиваются на 8 или 16, соответственно, для каждой выборки. Когда новая операция запускается начальным входом, контроллер запуска записывает время запуска и передает время другим ссылкам синхронизации в модели. Этот сигнал сообщает другим ссылкам, когда применяется новый интервал между поднесущими и соответствующая частота дискретизации. Другие ссылки синхронизации ожидают времени начала, прежде чем изменять их шаг. Это проект возможно только потому оборудование что задержка означает, что другие ссылки синхронизации отстают от контроллера запуска. Эта архитектура позволяет приемнику отслеживать время последовательно, даже когда происходит изменение частоты дискретизации.

Подсистема поиска и демодирования SSB содержит эти основные подсистемы.

Область Setup

Блоку схема показывает настройку симуляции этого примера, которая реализована в runSSBDetectionModelSearch и runSSBDetectionModelDemod скрипты. 5G Toolbox™ функции используются для генерации тестовой формы волны, которая применяется к реализациям MATLAB и Simulink детектора SSB в режиме поиска и затем в режиме демодуляции. Сравнивают ключевые диагностические сигналы от каждого детектора с точки зрения их относительной среднеквадратичной ошибки (MSE) и сравнивают конечные выходы. Наконец, выходы ресурсной сетки модели Simulink декодируются, чтобы показать, что содержимое MIB соответствует ожидаемым.

Симуляция режима поиска

Используйте runSSBDetectionModelSearch скрипт, чтобы запустить симуляцию режима поиска и проверить результаты. В режиме поиска детектор SSB ищет SSB и возвращает их параметры. Скрипт отображает прогресс в командном окне MATLAB. В таблицах показаны параметры каждого SSB, обнаруженные MATLAB и Simulink. Итоговая таблица показывает относительный MSE между MATLAB и Simulink для каждого выхода коррелятора и для порога обнаружения. Сгенерированы графики, показывающие (i) объединенную ресурсную сетку всех восьми SSB в переданной форме волны и (ii) выходы и порог корреляции PSS. Результаты показывают, что реализации MATLAB и Simulink очень близко совпадают. Небольшие различия между двумя реализациями связаны с ошибками квантования. Эти ошибки возникают, потому что ссылка MATLAB использует типы данных с плавающей точкой, а модель Simulink - типы данных с фиксированной точкой.

runSSBDetectionModelSearch;

Generating test waveform.
              SSB pattern: case B
       Subcarrier spacing: 30
                  NCellID: 249
    Number of active SSBs: 8
         Frequency offset: 10 kHz
Searching for SSBs using the MATLAB reference.
Searching for SSBs using the Simulink model.
Running nrhdlSSBDetection.slx
### Starting serial model reference simulation build
### Model reference simulation target for nrhdlSSBDetectionFR1Core is up to date.

Build Summary

0 of 1 models built (1 models already up to date)
Build duration: 0h 0m 1.8465s
..........

SSBs found by MATLAB reference:
    NCellID2    timingOffset    pssCorrelation    pssEnergy    frequencyOffset
    ________    ____________    ______________    _________    _______________

       0               6608        0.43616         0.77013           9837     
       0              15376        0.94287          1.4364           9941     
       0              32944        0.25739         0.50089           9627     
       0              41712         4.4661          6.8109           9885     
       0              68048        0.57172         0.92271          10292     
       0              76816         1.4557          2.2044          10075     
       0              94384         0.1859         0.41544          10318     
       0         1.0315e+05        0.58464         0.93384          10076     

SSBs found by Simulink model:
    NCellID2    timingOffset    pssCorrelation    pssEnergy    frequencyOffset
    ________    ____________    ______________    _________    _______________

       0               6608         0.4361         0.77034           9837     
       0              15376        0.94326          1.4367           9941     
       0              32944        0.25759         0.50106           9628     
       0              41712         4.4667           6.812           9885     
       0              68048        0.57174         0.92296          10292     
       0              76816         1.4563          2.2049          10075     
       0              94384          0.186          0.4156          10318     
       0         1.0315e+05        0.58468         0.93403          10076     


Relative mean-squared error between MATLAB and Simulink in search mode:

            name             relativeMSEdB
    _____________________    _____________

    {'PSS correlation 0'}       -66.863   
    {'PSS correlation 1'}        -61.77   
    {'PSS correlation 2'}       -61.542   
    {'PSS threshold'    }       -76.821   

Используйте Simulink Logic Analyzer, чтобы просмотреть входы и выходы подсистемы обнаружения SSB. Детектор ищет символы PSS в пределах временного окна 20 мс, которое начинается после того, как импульс на стартовом входе запускает операцию поиска. Если через 20 мс не найдены символы PSS, детектор устанавливает выход состояния на 2 - что указывает на неудачу поиска. В этом примере детектор находит все восемь SSB. Состояние выхода устанавливается равным 1 во время поиска, и отчет возвращается для каждого SSB путем утверждения сигнала reportValid. Симуляция выполняется только в течение 5 мс, однако, если она расширена, чтобы запускаться более 20 мс, то выход состояния в конечном счете устанавливается на 3 - что указывает на то, что поиск завершился успешно.

Симуляция режима демодуляции

После выполнения runSSBDetectionModelSearch, используйте runSSBDetectionModelDemod скрипт, чтобы запустить симуляцию режима демодуляции и проверить результаты. В режиме демодуляции детектор восстанавливает указанный SSB путем поиска его PSS, OFDM-демодуляции ресурсной сетки и поиска SSS в соответствующих ресурсных элементах. Скрипт отображает прогресс в командном окне MATLAB. Отчеты блоков SS от MATLAB и Simulink показывают, что оба детектора вернули одинаковые параметры и правильно определили идентификатор камеры как 249. Относительные измерения MSE показывают, что реализации MATLAB и Simulink очень близко совпадают. В качестве последнего шага верификации скрипт декодирует широковещательный канал (BCH) с выхода ресурсной сетки Simulink. Проверка CRC проходит, и содержимое главного информационного блока (MIB) соответствует передаче. Генерируются графики, которые показывают результаты корреляции PSS и SSS и выход ресурсной сетки. Уровни корреляции PSS сильнее в симуляции режима демодуляции, чем в симуляции режима поиска, потому что смещение частоты исправлено.

runSSBDetectionModelDemod;

Choosing the strongest PSS from the previous search and computing its frequency offset.
       Strongest PSS index (1 based): 4
    Frequency offset (coarse + fine): 9.885 kHz
Demodulating the strongest SSBs using the MATLAB reference.
Demodulating the strongest SSBs using the Simulink model.
Running nrhdlSSBDetection.slx
### Starting serial model reference simulation build
### Model reference simulation target for nrhdlSSBDetectionFR1Core is up to date.

Build Summary

0 of 1 models built (1 models already up to date)
Build duration: 0h 0m 0.42526s
..........

SS block report from MATLAB
           NCellID2: 0
       timingOffset: 41712
     pssCorrelation: 6.5920
          pssEnergy: 6.7946
           NCellID1: 83
     sssCorrelation: 6.6760
          sssEnergy: 6.8410
            NCellID: 249
    frequencyOffset: -1

SS block report from Simulink
           NCellID2: 0
       timingOffset: 41712
     pssCorrelation: 6.5940
          pssEnergy: 6.7974
           NCellID1: 83
     sssCorrelation: 6.6766
          sssEnergy: 6.8432
            NCellID: 249
    frequencyOffset: -1


Relative mean-squared error between MATLAB and Simulink in demod mode:

            name             relativeMSEdB
    _____________________    _____________

    {'PSS correlation 0'}       -66.962   
    {'PSS threshold'    }       -69.199   
    {'SSS correlation'  }       -68.706   
    {'Rx resource grid' }       -69.822   

Decoding BCH from Simulink resource grid output:

 BCH CRC: 0

 Decoded (Rx) MIB
                     NFrame: 105
    SubcarrierSpacingCommon: 30
                      k_SSB: 0
          DMRSTypeAPosition: 2
            PDCCHConfigSIB1: 0
                 CellBarred: 0
       IntraFreqReselection: 0

 Expected (Tx) MIB
                     NFrame: 105
    SubcarrierSpacingCommon: 30
                      k_SSB: 0
          DMRSTypeAPosition: 2
            PDCCHConfigSIB1: 0
                 CellBarred: 0
       IntraFreqReselection: 0

Используйте Simulink Logic Analyzer, чтобы просмотреть выходы детектора при прохождении этих шагов.

Если PSS не найден при заданном временном смещении, детектор устанавливает выход состояния на 5 и прекращает поиск. Если детектор не может определить SSS, он устанавливает выход состояния на 7. В этом примере детектор восстанавливает указанный SSB - SSB с самой сильной PSS из начального поиска.

Результаты генерации и реализации HDL-кода

Чтобы сгенерировать HDL-код для этого примера, вы должны иметь лицензию HDL- Coder™. Используйте makehdl и makehdltb команды для генерации HDL-кода и HDL- испытательного стенда для nrhdlSSBDetection/SSB Detection подсистема. Получившийся HDL-код был синтезирован для платы оценки ZC706 Xilinx ® Zynq ® -7000. В таблице показаны результаты использования ресурсов постамата и маршрута. Проект соответствует синхронизации с тактовой частотой 230 МГц.

       Resource        Usage
    _______________    _____

    Slice Registers    74934
    Slice LUTs         29104
    RAMB18                 9
    RAMB36                 1
    DSP48                208