Проверка высокочастотной электроники миллиметрового диапазона на базе цифровой основной полосы частот Zynq RFSoC

Авторы статьи - Мэтью Вайнер, RF Pixels. Перевод статьи с английского "Verifying Millimeter Wave RF Electronics on a Zynq RFSoC Based Digital Baseband".

Новые сети 5G работают в диапазоне миллиметровых волн, что означает, что они могут передавать больше данных на более высоких скоростях и с меньшей задержкой, чем сети 4G. Хотя технология миллиметрового спектра имеет большой потенциал, она также создает проблемы проектирования для производителей устройств. Например, сигналы в диапазоне миллиметровых волн в большей степени ослабляются атмосферой и другими объектами, чем сигналы с более низкой частотой.

Мы разрабатываем интерфейсы радиосвязи со специализированным оборудованием ВЧ-электроники, которое преодолевает это ослабление, фокусируя мощность сигнала миллиметрового диапазона с формированием луча. В наших проектах используется технология многопользовательского режима с несколькими входами и выходами (MU-MIMO).

Для тестирования и демонстрации этого оборудования мы реализовали нашу собственную цифровую основную полосу в MATLAB® и Simulink® (рис 1). Реализация была ускорена путем адаптации эталонной модели LTE из Wireless HDL Toolbox™ и ее развертывания на Zynq® UltraScale + RFSoC с использованием HDL Coder™. Такой подход сэкономил как минимум год инженерных усилий и позволил завершить реализацию самостоятельно, не нанимая дополнительных инженеров.

Рис. 1. Цепочка приема цифровой основной полосы частот LTE, смоделированная в Simulink.

Моделирование и симуляция цифровой основной полосы частот

Стандартная модель LTE, поставляемая с Wireless HDL Toolbox, предоставляет ряд ключевых возможностей, таких как декодирование главного информационного блока (MIB). Эти возможности были использованы для создания настраиваемой цепочки приемопередатчиков OFDM, подобной 4G, добавляя улучшения к существующим функциям восстановления синхронизации, восстановления несущей и коррекции.

Эта цепочка приемопередатчиков была смоделирована с помощью простой модели канала из Wireless HDL Toolbox. Моделирование позволило проверить модель основной полосы частот путем оценки и визуализации таких показателей, как частота ошибок символа (SER) и величина вектора ошибок (EVM) для различных уровней шума (рисунок 2).

Рис. 2. Графики EVM (слева) и SER (справа) как функции отношения сигнал/шум (SNR).

Реализация основной полосы частот на Zynq RFSoC

После проверки цифровой модели с помощью симуляций Simulink посредством HDL Coder из модели был сгенерирован RTL-код, который затем был развернут на плате Zynq UltraScale + RFSoC ZCU111. Сгенерированный код был одновременно эффективным и читаемым. Реализация была проверена с помощью тестирования в режиме «ПЛИС-в-контуре», путем передачи выходных сигналов непосредственно в цепочку приема. Эти тесты были выполнены с аналоговыми тестами обратной петли, которые включали аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи на плате (рис. 3).

Рисунок 3. Полная диаграмма системы, показывающая цифровую полосу частот, реализованную в HDL с интерфейсом радиосвязи RF Pixels.

На этом можно проводить полные межплатные тесты и исследовать эффекты РЧ-искажений, используя MATLAB для анализа данных, захваченных с платы, создания диаграмм созвездий и оценки улучшений алгоритмов для устранения нарушений.

Быстрые итерации проектирования

Ранее работа велась по традиционным рабочим процессам, в которых команда RTL реализует дизайн, созданный системной командой. Итерации в этом рабочем процессе обычно занимают много времени, и на внедрение и повторное тестирование изменений в алгоритме могут уйти недели. Итерации с MATLAB и Simulink были намного быстрее, и реализация и повторное тестирование улучшений осуществлялись в течение нескольких дней, если не в тот же день.

Например, в одном из тестов было видно, что хотя система работала хорошо вскоре после ее запуска, частота ошибок по битам (BER) с течением времени неуклонно возрастала. Чтобы диагностировать проблему, данные с АЦП были записаны через различные промежутки времени после запуска и затем были проанализированы в MATLAB. Графики созвездий ясно показали, как производительность ухудшалась с течением времени.

Было определено, что проблема связана со смещением частоты дискретизации, которое привело к постепенному уходу за пределы области циклического префикса кадра LTE. Для исправления этой ошибки было реализовано изменение алгоритма для отслеживания первичного сигнала синхронизации. Это исправление было проверено с помощью моделирования, а затем реализовано на плате, где было видно, что BER остается низким независимо от того, как долго работает система (рисунок 4).

Рис. 4. Диаграммы, показывающие снижение производительности (вверху слева), межплатное тестирование (вверху справа) и беспроводное тестирование (внизу).

Позже была обнаружена проблема с усилением IQ и фазовым дисбалансом. Хотя мы думали, что хорошо откалибровали нашу систему, чтобы справиться с дисбалансом IQ, было обнаружено, что значения параметров калибровки были неправильными. Записанные данные были проанализированы в MATLAB и затем был выполнен быстрый перебор калибровочных значений для исправления проблемы. Модель Simulink была изменена, чтобы реализовать изменение, и код для проверки исправления на действующем оборудовании был сгенерирован в течение нескольких минут.

Планируемые улучшения

Мы планируем 5G-версию нашей цифровой основной полосы частот и работаем над расширением нашей радиочастотной технологии, чтобы она соответствовала спецификации O-RAN Alliance для открытых сетей радиодоступа. Применение интерфейса O-RAN для наших проектов упростит интеграцию нашего IP с другими системами, даже если будет продолжено улучшение производительности и будут добавляться новые возможности.