Введение

Модель Simulink®, описанная в этом примере, является оптимизированной HDL реализацией детектора блока сигнала синхронизации (SSB) для 5G частотный диапазон 1 (FR1) NR. Этим примером является один из связанного набора, которые показывают рабочий процесс для разработки и развертывания поиска ячейки NR 5G и алгоритма восстановления MIB к оборудованию. Полный рабочий процесс показывают.

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

Для общего описания того, как MATLAB и Simulink могут использоваться вместе, чтобы разработать развертываемые модели, см. Проект Радиосвязей для FPGAs и ASICs.

Блок-схема детектора SSB показана на рисунке. Детектор выполняет все высокоскоростные задачи обработки сигналов, сопоставленные с алгоритмом поиска ячейки, поэтому хорошо подходит для реализации ASIC или FPGA. Детектор SSB ищет SSBs вовремя при данном смещении частоты и расстоянии между поднесущими. Это спроектировано, чтобы использоваться в качестве части большей системы, которая реализует восстановление смещения несущей частоты и обнаружение расстояния между поднесущими. Контроллер должен использоваться координата полный поиск ячейки как показано в 5G Восстановление MIB NR Используя Аналоговые устройства AD9361/AD9364 (Пакет поддержки Communications Toolbox для Xilinx Находящееся в Zynq Радио) пример.

Детектор SSB выполняет поиск первичной последовательности синхронизации (PSS), демодуляцию ортогонального мультиплексирования деления частоты (OFDM) и поиск вторичной последовательности синхронизации (SSS). Это также включает цифровой вниз конвертер (DDC) для исправления смещений частоты в полученном сигнале. Детектор SSB имеет два режима работы, поиск и демодуляцию, которые продемонстрированы в этом примере. В режиме поиска детектор ищет SSBs и возвращает их параметры. В режиме демодуляции восстанавливается детектор, заданный SSB OFDM-демодулирует свою сетку ресурса и ищет SSS в соответствующих элементах ресурса.

Файловая структура

Пример использует эти файлы.

Модели Simulink

Словарь данных Simulink

КОД MATLAB

Модель поиска ячейки HDL NR

Этот рисунок показывает nrhdlSSBDetection модель. Верхний уровень сигналов чтений модели от базового рабочего пространства MATLAB, передает их подсистеме Обнаружения SSB и записывает выходные параметры обратно к рабочей области. Используйте runSSBDetectionModelSearch и runSSBDetectionModelDemod скрипты, чтобы запустить модель и постобработать выходные параметры.

Интерфейс обнаружения SSB

Подсистема Обнаружения SSB содержит экземпляр Input Scaling подсистема и nrhdlSSBDetectionFR1Core модель - ссылка. Input Scaling подсистема масштабирует вход на коэффициент 0,875, обеспечивая высоту для последующих этапов обработки. nrhdlSSBDetectionFR1Core алгоритм описан в следующем разделе.

Входные параметры

Выходные параметры

Состояния сигнала состояния

Структура модели - ссылки обнаружения SSB

Эта схема показывает верхний уровень nrhdlSSBDetectionFR1Core модель. Входной сигнал (dataIn) является 16-битными данными с комплексным знаком со знаком, произведенными в 61.44 членах Шотландского парламента. DDC корректирует смещение частоты и десятикратно уменьшает выборки восемь (7.68 членам Шотландского парламента) при помощи фильтров полуполосы. Выход DDC является входом к подсистеме Search и Demod SSB. Блок Detection Status отслеживает прогресс и генерирует состояние выход.

Поиск SSB и структура подсистемы Demod

Подсистема Search и Demod SSB выполняет обнаружение SSB и демодуляцию. Его внутренняя частота дискретизации варьируется в зависимости от расстояния между поднесущими (SCS). Подсистема использует 7.68 членов Шотландского парламента для SCS на 30 кГц и 3.84 членов Шотландского парламента для SCS на 15 кГц. Логика выбора расстояния между поднесущими слева ответственна за изменение частоты дискретизации. Уровень может измениться только, когда новая операция инициирована входом запуска.

Приемник имеет внутреннюю синхронизирующую ссылочную систему, которая следит за ходом времени при помощи счетчиков в ключевых пунктах в datapath. Периоды подсчетов ссылок синхронизации 20 мс - принятая периодичность SSB для ячейки ищет, как задано 5G стандарт NR. Время измеряется в выборках в 61.44 членах Шотландского парламента по модулю 1228800, чтобы создать период на 20 мс. Поскольку фактическая частота дискретизации является или 7.84 членами Шотландского парламента или 3.84 членами Шотландского парламента, шагом счетчиков ссылки синхронизации или 8 или 16, соответственно, для каждой выборки. Когда новая операция инициирована входом запуска, Контроллер Запуска записывает время начала и передает время другим ссылкам синхронизации в модели. Этот сигнал говорит другие ссылки синхронизации, когда новое расстояние между поднесущими и соответствующая частота дискретизации применяются. Другие ссылки синхронизации ожидают до времени начала прежде, чем изменить их шаг. Этот проект возможен только потому, что аппаратная задержка означает, что другие ссылки синхронизации отстают от Контроллера Запуска. Эта архитектура позволяет приемнику последовательно следить за ходом времени, даже когда изменение частоты дискретизации происходит.

Подсистема Search и Demod SSB содержит эти основные подсистемы.

Setup симуляции

Блок-схема показывает настройку симуляции этого примера, который реализован в runSSBDetectionModelSearch и runSSBDetectionModelDemod скрипты. Функции 5G Toolbox™ используются, чтобы сгенерировать тестовую форму волны, которая применяется к MATLAB и реализациям Simulink детектора SSB в режиме поиска и затем в режиме демодуляции. Ключевые диагностические сигналы от каждого детектора сравнены в терминах их относительной среднеквадратической ошибки (MSE), и окончательные результаты сравнены. Наконец, сетка ресурса, выход модели Simulink декодируется, чтобы показать, что содержимое MIB как ожидалось.

Симуляция режима поиска

Используйте runSSBDetectionModelSearch скрипт, чтобы запустить симуляцию режима поиска и проверить результаты. В режиме поиска детектор SSB ищет SSBs и возвращает их параметры. Скрипт отображает свой прогресс окна команды MATLAB. Таблицы показывают параметры каждого SSB, обнаруженного MATLAB и Simulink. Итоговая таблица показывает относительный MSE между MATLAB и Simulink для каждого коррелятора выход и для порога обнаружения. Графики сгенерированы, показав (i) объединенной сетки ресурса всех восьми SSBs в переданной форме волны и (ii) корреляции PSS выходных параметров и порога. Результаты показывают, что MATLAB и реализации Simulink соответствуют очень тесно. Небольшие различия между этими двумя реализациями происходят из-за ошибок квантования. Эти ошибки происходят, потому что ссылка MATLAB использует типы данных с плавающей точкой, и модель Simulink использует типы данных с фиксированной точкой.

runSSBDetectionModelSearch;

Generating test waveform.
Selected Simulation case:

    Simulation Case    SSB Pattern    Subcarrier Spacing Common    PDCCH Config SIB1    SNR dB    Strongest SSB index    Lmax
    _______________    ___________    _________________________    _________________    ______    ___________________    ____

      "SimCase 1"       "Case C"                 30                       164             50               4              8  

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 0.76282s
..........

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

       0               4416        0.70487         0.77762          5058      
       0              17568        0.56114         0.61792          4996      
       0              35136         1.4149          1.5591          5015      
       0              48288         4.4369          4.8999          5034      
       0              65856          1.119          1.2328          4934      
       0              79008        0.99704          1.0975          5003      
       0              96576         1.7822          1.9614          5014      
       0         1.0973e+05         0.8866         0.97653          4990      

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

       0               4416        0.70517         0.77788          5058      
       0              17568        0.56143         0.61819          4996      
       0              35136         1.4151          1.5595          5015      
       0              48288         4.4374           4.901          5034      
       0              65856         1.1196          1.2332          4934      
       0              79008        0.99735          1.0978          5003      
       0              96576         1.7824          1.9619          5014      
       0         1.0973e+05        0.88665         0.97691          4991      


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

            name             relativeMSEdB
    _____________________    _____________

    {'PSS correlation 0'}       -66.884   
    {'PSS correlation 1'}       -58.528   
    {'PSS correlation 2'}       -58.627   
    {'PSS threshold'    }       -73.727   

Используйте Logic Analyzer Simulink, чтобы просмотреть вводы и выводы к подсистеме Обнаружения SSB. Детектор ищет символы PSS в окне времени на 20 мс, которое начинается после того, как импульс на входе запуска инициировал поисковую операцию. Если никакие символы PSS не найдены после того, как 20 мс, детектор устанавливает состояние выход на 2 - указание, что поиск перестал работать. В этом примере детектор находит все восемь SSBs. Состояние выход установлено в 1 во время поиска, и отчет возвращен для каждого SSB путем утверждения сигнала reportValid. Симуляция только запускается для 5 мс однако, если она расширена, чтобы запуститься больше чем для 20 мс, затем состояние выход в конечном счете установлено в 3 - указание, что поиск успешно выполнился.

Симуляция режима демодуляции

После выполнения runSSBDetectionModelSearch, используйте runSSBDetectionModelDemod скрипт, чтобы запустить симуляцию режима демодуляции и проверить результаты. В режиме демодуляции детектор восстанавливает заданный SSB путем поиска его PSS, OFDM-демодуляции сетки ресурса и поиска SSS в соответствующих элементах ресурса. Скрипт отображает свой прогресс окна команды MATLAB. Отчеты блока SS из MATLAB и Simulink показывают, что оба детектора возвратили подобные параметры и определили ячейку ID правильно как 249. Относительные измерения MSE указывают, что MATLAB и реализации Simulink соответствуют очень тесно. Как итоговый шаг верификации, скрипт декодирует канал телевизионного вещания (BCH) от сетки ресурса Simulink выход. Передачи проверки CRC и содержимое основного блока информации (MIB) совпадают с передачей. Графики сгенерированы, которые показывают PSS и результатам корреляции SSS и сетке ресурса выход. Уровни корреляции PSS более сильны в симуляции режима демодуляции, чем в симуляции режима поиска, потому что смещение частоты корректируется.

runSSBDetectionModelDemod;

Choosing the strongest PSS from the previous search and computing its frequency offset.
       Strongest PSS index (1 based): 4
    Frequency offset (coarse + fine): 5.034 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 0.60403s
..........

SS block report from MATLAB
           NCellID2: 0
       timingOffset: 48288
     pssCorrelation: 4.8510
          pssEnergy: 4.8921
           NCellID1: 83
     sssCorrelation: 4.9502
          sssEnergy: 4.9507
            NCellID: 249
    frequencyOffset: 1

SS block report from Simulink
           NCellID2: 0
       timingOffset: 48288
     pssCorrelation: 4.8523
          pssEnergy: 4.8941
           NCellID1: 83
     sssCorrelation: 4.9515
          sssEnergy: 4.9525
            NCellID: 249
    frequencyOffset: 1


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

            name             relativeMSEdB
    _____________________    _____________

    {'PSS correlation 0'}       -65.504   
    {'PSS threshold'    }       -67.756   
    {'SSS correlation'  }       -68.785   
    {'Rx resource grid' }       -69.161   

Decoding BCH from Simulink resource grid output:

 BCH CRC: 0

 Decoded (Rx) MIB
                     NFrame: 0
    SubcarrierSpacingCommon: 30
                      k_SSB: 0
          DMRSTypeAPosition: 3
            PDCCHConfigSIB1: 164
                 CellBarred: 0
       IntraFreqReselection: 0

 Expected (Tx) MIB
                     NFrame: 0
    SubcarrierSpacingCommon: 30
                      k_SSB: 0
          DMRSTypeAPosition: 3
            PDCCHConfigSIB1: 164
                 CellBarred: 0
       IntraFreqReselection: 0

Используйте Logic Analyzer Simulink, чтобы просмотреть детектор выход, в то время как это прогрессирует через эти шаги.

Если PSS не найден при заданном смещении синхронизации, детектор устанавливает состояние выход на 5 и поиск в остановках. Если детектор не может определить SSS, то это устанавливает состояние выход на 7. В этом примере детектор восстанавливает заданный SSB - SSB с самым сильным PSS от начального поиска.

Генерация HDL-кода и результаты реализации

Чтобы сгенерировать HDL-код для этого примера, у вас должна быть лицензия HDL Coder™. Используйте makehdl и makehdltb команды, чтобы сгенерировать HDL-код и испытательный стенд HDL для nrhdlSSBDetection/SSB Detection подсистема. Получившийся HDL-код синтезировался для оценочной платы Xilinx® Zynq®-7000 ZC706. Таблица показывает место сообщения и результаты использования ресурса маршрута. Проект соответствует синхронизации с тактовой частотой 230 МГц.

       Resource        Usage
    _______________    _____

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