作者：Matthew Weiner，RF Pixels

新興的 5G 網(wǎng)絡依托毫米波頻譜運行，這意味著 5G 網(wǎng)絡的性能優(yōu)于 4G 網(wǎng)絡，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，但也使設備制造商面臨大量設計挑戰(zhàn)。例如，相比低頻信號，毫米波頻譜信號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功率來克服這種衰減。我們的設計將融合多用戶與多輸入多輸出 （MU-MIMO） 技術(shù)。

為了測試及驗證這些設計，我們在 MATLAB 和 Simulink 中實現(xiàn)自主研發(fā)的數(shù)字基帶（圖 1）。為加快實現(xiàn)過程，我們對 Wireless HDL Toolbox 提供的 LTE 黃金參考模型進行調(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現(xiàn)過程，無需額外聘請數(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)機鏈，對現(xiàn)有的定時恢復、載波恢復和均衡功能進行增強。

我使用 Wireless HDL Toolbox 中的簡單信道模型來仿真收發(fā)機鏈。這些仿真讓我能評估并可視化一些指標，如不同噪音水平的誤符號率 （SER） 和誤差矢量幅度 （EVM）（圖 2），從而得以驗證基帶模型。

圖 2.EVM（左）和 SER（右）隨信噪比 （SNR） 變化的關系圖。

在 Zynq RFSoC 硬件上實現(xiàn)基帶

通過 Simulink 仿真驗證數(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。我按如下方法驗證實現(xiàn)：對 Zynq 板的 FPGA 執(zhí)行數(shù)字回環(huán)測試，將傳輸輸出直接傳遞回接收鏈。完成這些測試后，我還執(zhí)行了模擬回環(huán)測試，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，我可以運行完整的板對板測試，探索 RF 損傷的影響，使用 MATLAB 分析從板上捕獲的數(shù)據(jù)、生成星座圖并評估算法增強功能以解決損傷問題。

快速設計迭代

過去，我一直按照傳統(tǒng)流程開展工作：系統(tǒng)團隊生成設計，再由 RTL 團隊加以實現(xiàn)。在這種工作流程中，迭代往往要花很長的時間；實現(xiàn)并重測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，我就能實現(xiàn)并重測增強功能。

有一次，我發(fā)現(xiàn)盡管系統(tǒng)在啟動后很快實現(xiàn)良好運轉(zhuǎn)，但誤碼率 （BER） 卻一直在穩(wěn)步升高。為了診斷問題，我在啟動后按不同的時間間隔從 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，因而導致逐漸偏離 LTE 幀循環(huán)前綴區(qū)域。我對算法進行了簡單調(diào)整，以跟蹤主同步信號。我通過仿真驗證此修復，然后在板上實現(xiàn)；之后，無論系統(tǒng)運行多久，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。盡管我們自認為已對系統(tǒng)進行精確校準以避免出現(xiàn) IQ 不平衡的問題，但我發(fā)現(xiàn)校準參數(shù)值并不準確。我在 MATLAB 中重新對采集的數(shù)據(jù)進行了分析，又在 MATLAB 中執(zhí)行快速暴力搜索，希望找到合適的校準值來糾正問題。只用了幾分鐘的時間，我不僅更新了 Simulink 模型以實現(xiàn)更改，還生成了驗證實時硬件修復的代碼。

計劃的功能增強

我們計劃打造 5G 版數(shù)字基帶并積極擴展 RF 技術(shù)，以滿足 O-RAN 聯(lián)盟制定的開放無線接入網(wǎng)規(guī)格要求。在設計中采用 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