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NR射频发射机的建模与测试

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该示例展示了如何描述射频损伤的影响，例如同相和正交(IQ)不平衡、相位噪声和功率放大器(PA)非线性对新型无线电(NR)射频(RF)发射机性能的影响。NR射频发射机使用5G Toolbox™和RF Blockset™在Si金宝appmulink®中建模。

简介

本例展示了如何描述射频损伤(如IQ不平衡、相位噪声和PA非线性)对NR射频发射机性能的影响。为了评估性能，本例考虑以下度量:

  • 误差矢量幅度(EVM):在给定时间理想(发射)信号和测量(接收)信号之间的矢量差值。

  • 相邻信道泄漏比(ACLR):泄漏到相邻信道的功率量的度量，定义为以指定信道频率为中心的滤波平均功率与以相邻信道频率为中心的滤波平均功率的比值。

  • 占用带宽:以分配的信道频率为中心，占信号总集成功率99%的带宽。

  • 信道功率:以指定信道频率为中心的滤波平均功率。

  • 互补累积分布函数(CCDF):信号的瞬时功率高于其平均功率的概率。

该示例以子帧为基础，并使用Simulink模型执行以下步骤:金宝app

  1. 使用5G工具箱功能生成基带波形。

  2. 通过使用FIR插值块对波形进行过采样和滤波。

  3. 将基带波形导入使用RF块集块实现的RF发射机子系统块中。该模型使用射频中频在射频块集中承载基带信息。

  4. 通过使用RF发射机子系统块模拟将波形上转换为载频的影响。该块使用射频块集块对射频发射机引入的损伤进行建模。

  5. 利用频谱分析仪模块计算ACLR/ACPR、占用带宽和信道功率，并描述频谱掩码。

  6. 使用CCDF和PAPR块计算CCDF和PAPR。

  7. 使用FIR抽取块对波形进行下采样和滤波。

  8. 提取数据符号，通过解调基带波形测量EVM。

Simu金宝applink模型使用5G Toolbox和DSP System Toolbox™功能来处理基带信号(步骤1、2和5-8)，并使用RF Blockset块来建模RF发射机(步骤3和4)。该模型支持正常和加速器仿真模式。金宝app

金宝appSimulink模型结构

该模型包含三个主要组件:

  • “NR基带产生”:产生基带NR波形

  • RF传输:模拟将波形上转换为载波频率的效果

  • NR基带接收和测量:通过解调基带波形执行射频测量并计算EVM

modelName =“NRModelingAndTestingRFTransmitterModel”；open_system (modelName);

NR基带产生

5G NR测试模型块传输符合标准的5G NR测试模型3.1 (NR- tm3.1)波形，频率范围为1 (FR1)，如TS 38.141-1所定义。属性生成此块5G波形发生器您可以在该块的用户数据中访问波形配置参数。本例使用InitFcn在模型的回调将用户数据中的可用结构存储在Base Workspace变量中，NRInfo．有关此块的详细信息，请参见来自无线波形发生器的波形应用程序．

为了显示大功率放大器(HPA)对带外光谱发射的影响，FIR插值块对波形进行过采样和滤波。在射频发射机子系统块的输出，FIR抽取块将波形下采样回原始采样率。Multirate Parameters块提供了一个接口来配置FIR插值和抽取块的参数。

Multirate Parameters块还提供了启用或禁用3GPP TS 38.141-1 ACLR测试的选项。为了可视化频谱再生，ACLR测试对波形进行过采样。如果执行3GPP ACLR测量参数启用时，过采样因子取决于波形配置，并被设置成所生成的信号能够表示第一和第二相邻通道。要指定过采样因子，关闭3GPP ACLR测试功能。的过采样因子参数定义插值因子在FIR插值块和大量毁灭的因素在FIR抽取块。

射频传输

射频发射机子系统块是基于超外差发射机架构。该架构通过描述以下射频组件来模拟将波形上转换为载频的影响:

  • IQ调制器由混频器、移相器和本振器组成

  • 带通滤波器

  • 功率放大器

除了这些组件，该射频发射机子系统模块还包括可变增益放大器(VGA)，以控制HPA的输入回退(IBO)电平。

set_param (modelName“开放”，“关闭”）;RFTransmitterBlock = [modelName .' /射频发射机的];set_param (RFTransmitterBlock“开放”，“上”）;

使用输入缓冲块一次发送一个样本到射频发射机子系统块。

RF发射机子系统块中的输入块将Simulink复杂基带波形转换为RF块集电路包络仿真环境。金宝app的载波频率import块的参数指定RF Blockset域中载波的中心频率。输出端口块将RF块集信号转换回Simulink复杂基带。金宝app

您可以使用射频发射机子系统块掩码配置射频发射机组件。

射频发射机子系统模块模拟典型损伤，包括:

  • 由于处理IQ信号路径的发射机链的平行部分之间的增益或相位不匹配而导致的I/Q不平衡。

  • 相位噪声是与振荡器有源器件热噪声直接相关的次要效应。

  • 当放大器工作在饱和区域时，直流功率限制导致的HPA非线性。

在将样本发送到解码子帧块之前，输出缓冲区(在RF发射器之后)缓冲子帧内的所有样本。

在模型中使用缓冲区会产生时间延迟。由于延迟的持续时间等同于子帧的传输，解码子帧块不解调第一个子帧。

NR基带接收和测量

解码子帧块对接收到的子帧进行OFDM解调、信道估计和均衡，以恢复和绘制星座图中的PDSCH符号。该块还计算了EVM随时间和频率的平均值，并绘制了这些值:

  • 每个OFDM符号的EVM:每个OFDM符号的EVM平均值。

  • 每个槽的EVM:一个槽内分配的PDSCH符号的EVM平均值。

  • 每个子载波的EVM:在一个子载波内分配的PDSCH符号上的EVM的平均值。

  • 总体EVM:传输的分配PDSCH符号的EVM平均值。

根据TS 38.141-1，并非所有的PDSCH符号都被考虑用于EVM评估。使用RNTI, helper函数hListTargetPDSCHs选择目标PDSCH符号进行分析。

频谱分析仪块提供频域测量，如ACLR(称为ACPR)和占用带宽。如果您禁用执行3GPP ACLR测量参数，您可以选择过采样因子，频谱分析仪块测量占用的带宽。

第二个频谱分析仪模块，称为CCDF和PAPR，连接在HPA模块的输入端，描述CCDF和PAPR测量值。

解码子帧块丢弃第一个接收到的子帧(1毫秒)由于处理延迟。因此，要接收一帧，您必须为FDD模拟11毫秒(帧为10毫秒，初始丢弃的子帧周期为1毫秒)。如果模拟时间大于11ms, 5G NR测试模型块将循环传输相同的NR帧。

功率放大器非线性效应

为了表征HPA非线性在EVM和ACLR评估中的影响，您可以测量HPA的振幅-振幅调制(AM/AM)。AM/AM指的是输出功率电平与输入功率电平的关系。辅助函数hPlotHPACurve显示为此模型选择的HPA的AM/AM特性。

hPlotHPACurve ();fight pa = gcf;

P1dB为1db压缩点的功率，通常作为选择HPA的IBO级别时的参考。通过分析HPA不同工作点的EVM和ACLR结果，可以看到HPA对射频发射机的影响。例如，比较IBO = 14 dB时，HPA工作在线性区域，与IBO = 2 dB时，HPA工作在全饱和状态。VGA的增益控制IBO级别。为了保持VGA的线性性能，请选择增益值低于20 dB。

  • 线性HPA (IBO = 14 dB)．若要在14db的IBO级别运行，请设置可用功率增益VGA块参数为0 dB。运行模拟以捕获，例如，4个子帧(5毫秒)。在仿真过程中，模型显示EVM和ACLR的测量值和星座图。

set_param (RFTransmitterBlock“vgaGain”，' 0 '）;sim (modelName);

根据TS 38.104，当星座为64-QAM时，进行测量所需的最小ACLR为45 dB，所需的最大EVM为8%。由于ACLR值高于45db，总体EVM约为1.2%，低于8%，两个测量值都符合要求。

  • 非线性HPA (IBO = 2 dB)．若要在2 dB的IBO级别上运行，请设置可用功率增益VGA块参数为12db。

set_param (RFTransmitterBlock“vgaGain”，“12”）;sim (modelName);恢复为默认参数set_param (RFTransmitterBlock“vgaGain”，' 0 '）;

与前一种情况相比，星座图失真，光谱再生率更高。从测量结果来看，第一相邻通道ACLR不符合TS 38.104的要求，总体EVM在3%左右，高于前一种情况。

总结与进一步探索

本例演示如何在Simulink中建模和测试NR射频发射机。金宝app射频发射机由IQ调制器、带通滤波器和放大器组成。为了评估性能，Simulink模型考虑了ACLR和EVM测量。金宝app该实例强调了HPA非线性对射频发射机性能的影响。你也可以探索改变其他损伤的影响。例如:

  • 增加I/Q不平衡使用I/Q增益不匹配(dB)而且I/Q相失配(Deg)参数说明智商调制器标签的射频发射机子系统块。

  • 通过使用增加相位噪声相位噪声偏移量(Hz)而且相位噪声电平(dBc/Hz)参数说明智商调制器标签的射频发射机子系统块。

RF发射器配置为使用5G NR测试模型块中选择的当前NR- tm波形参数，并以2140 MHz (FR1)为中心的载波工作。如果修改中心频率(MHz)RF发射机子系统块的参数或5G NR测试模型块的波形配置，检查是否需要更新RF发射机组件和FIR滤波器的参数，因为这些参数已设置为与当前示例配置一起工作。例如，载波频率的改变需要修改通频带的频率而且阻带频率RF发射器内部的带通滤波器块的参数。如果您选择的带宽大于20 MHz，请检查是否需要更新脉冲响应持续时间而且相位噪声频率偏移(Hz)参数说明智商调制器(射频Blockset)块。相位噪声偏移量决定了脉冲响应持续时间的下限。如果对于给定的脉冲响应持续时间，相位噪声频偏分辨率较高，则会出现警告消息，指定适合所需分辨率的最小持续时间。

您可以使用此示例作为测试不同RF配置的NR-TM波形的基础。您可以尝试用另一个射频子系统替换射频发射机子系统块，然后相应地配置模型。

若要使用不同的NR-TM波形，请打开5G波形发生器选择“NR-TM”配置，导出新的块。有关如何生成和使用此块的更多信息，请参见在Simulink中使用应用程序生成的块生成无线波形金宝app．

参考文献

  1. 3gpp ts 38.141-1。“NR;基站(BS)一致性测试第1部分:进行一致性测试第三代伙伴计划;技术规范集团无线接入网。

  2. 3gpp ts 38.104。“NR;基站(BS)无线电发射和接收。第三代伙伴计划;技术规范集团无线接入网。

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