作者：Matthew Weiner，RF Pixels

新興的 5G 網(wǎng)絡(luò)依托毫米波頻譜運(yùn)行，這意味著 5G 網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)于 4G 網(wǎng)絡(luò)，能夠以更高的速度、更低的延遲傳輸更多數(shù)據(jù)。

毫米波頻譜技術(shù)發(fā)展前景廣闊，但也使設(shè)備制造商面臨大量設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。例如，相比低頻信號(hào)，毫米波頻譜信號(hào)更易因大氣及其他物體的阻隔而衰減。

我和我的同事正在開發(fā)配有專用 RF 電子硬件的射頻前端，該硬件可以通過波束成形聚焦毫米波信號(hào)功率來(lái)克服這種衰減。我們的設(shè)計(jì)將融合多用戶與多輸入多輸出 （MU-MIMO） 技術(shù)。

為了測(cè)試及驗(yàn)證這些設(shè)計(jì)，我們?cè)?MATLAB 和 Simulink 中實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)的數(shù)字基帶（圖 1）。為加快實(shí)現(xiàn)過程，我們對(duì) Wireless HDL Toolbox 提供的 LTE 黃金參考模型進(jìn)行調(diào)整，然后使用 HDL Coder 將其部署到 Zynq UltraScale+ RFSoC 板。我們通過這種方法，不但節(jié)省了至少一年的工程工作量，而且憑一己之力完成了實(shí)現(xiàn)過程，無(wú)需額外聘請(qǐng)數(shù)字工程師。

圖 1.在 Simulink 中建模的 LTE 數(shù)字基帶接收鏈。

數(shù)字基帶建模和仿真

Wireless HDL Toolbox 自帶 LTE 黃金參考模型，即裝即用，其中提供了大量關(guān)鍵功能，比如主信息塊 （MIB） 解碼。我利用這些功能構(gòu)建自定義類 4G OFDM 收發(fā)機(jī)鏈，對(duì)現(xiàn)有的定時(shí)恢復(fù)、載波恢復(fù)和均衡功能進(jìn)行增強(qiáng)。

我使用 Wireless HDL Toolbox 中的簡(jiǎn)單信道模型來(lái)仿真收發(fā)機(jī)鏈。這些仿真讓我能評(píng)估并可視化一些指標(biāo)，如不同噪音水平的誤符號(hào)率 （SER） 和誤差矢量幅度 （EVM）（圖 2），從而得以驗(yàn)證基帶模型。

圖 2.EVM（左）和 SER（右）隨信噪比 （SNR） 變化的關(guān)系圖。

在 Zynq RFSoC 硬件上實(shí)現(xiàn)基帶

通過 Simulink 仿真驗(yàn)證數(shù)字模型后，我使用 HDL Coder 從模型生成 RTL 代碼，將其部署到 Zynq UltraScale+ RFSoC ZCU111 板。生成的代碼高效且可讀。我按如下方法驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)：對(duì) Zynq 板的 FPGA 執(zhí)行數(shù)字回環(huán)測(cè)試，將傳輸輸出直接傳遞回接收鏈。完成這些測(cè)試后，我還執(zhí)行了模擬回環(huán)測(cè)試，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 集成到板上。

之后，我可以運(yùn)行完整的板對(duì)板測(cè)試，探索 RF 損傷的影響，使用 MATLAB 分析從板上捕獲的數(shù)據(jù)、生成星座圖并評(píng)估算法增強(qiáng)功能以解決損傷問題。

快速設(shè)計(jì)迭代

過去，我一直按照傳統(tǒng)流程開展工作：系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)生成設(shè)計(jì)，再由 RTL 團(tuán)隊(duì)加以實(shí)現(xiàn)。在這種工作流程中，迭代往往要花很長(zhǎng)的時(shí)間；實(shí)現(xiàn)并重測(cè)算法更改可能需要數(shù)周之久。使用 MATLAB 和 Simulink 后，迭代速度大大加快；少則一天、多則不過數(shù)日，我就能實(shí)現(xiàn)并重測(cè)增強(qiáng)功能。

有一次，我發(fā)現(xiàn)盡管系統(tǒng)在啟動(dòng)后很快實(shí)現(xiàn)良好運(yùn)轉(zhuǎn)，但誤碼率 （BER） 卻一直在穩(wěn)步升高。為了診斷問題，我在啟動(dòng)后按不同的時(shí)間間隔從 ADC 采集數(shù)據(jù)并用 MATLAB 加以分析。星座圖清楚地表明，隨著時(shí)間的推移，性能不斷下降。

我斷定，此類問題與采樣率偏移有關(guān)，因而導(dǎo)致逐漸偏離 LTE 幀循環(huán)前綴區(qū)域。我對(duì)算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單調(diào)整，以跟蹤主同步信號(hào)。我通過仿真驗(yàn)證此修復(fù)，然后在板上實(shí)現(xiàn)；之后，無(wú)論系統(tǒng)運(yùn)行多久，BER 始終保持在較低水平。

之后，我發(fā)現(xiàn)存在 IQ 增益和相位不平衡的問題。盡管我們自認(rèn)為已對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確校準(zhǔn)以避免出現(xiàn) IQ 不平衡的問題，但我發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)參數(shù)值并不準(zhǔn)確。我在 MATLAB 中重新對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，又在 MATLAB 中執(zhí)行快速暴力搜索，希望找到合適的校準(zhǔn)值來(lái)糾正問題。只用了幾分鐘的時(shí)間，我不僅更新了 Simulink 模型以實(shí)現(xiàn)更改，還生成了驗(yàn)證實(shí)時(shí)硬件修復(fù)的代碼。

計(jì)劃的功能增強(qiáng)

我們計(jì)劃打造 5G 版數(shù)字基帶并積極擴(kuò)展 RF 技術(shù)，以滿足 O-RAN 聯(lián)盟制定的開放無(wú)線接入網(wǎng)規(guī)格要求。在設(shè)計(jì)中采用 O-RAN 接口后，哪怕性能不斷提升、功能不斷增加，我們的 IP 也能輕松集成到其他系統(tǒng)。

編輯：jq