5G信号发生技术研究

林艺辉 　徐兰天

摘要：5G网络具有数据速率超高、延时小、移动性高、能效高、交通密度高等特点，能够满足新一代移动通信中各类场景的需求。随着5G标准的推进，大规模的5G网络规划和部署势在必行，5G测试仪器的需求也越来越迫切。5G信号发生是5G测试仪器的核心，本文基于“FPGA+DSP”架构，实现5G信号发生，并以5G同步信号为主要对象，研究信号发生过程。通过分析结果表明，所提出的方案正确有效。

关键词：5G;同步信号;基带信号生成

0 引言

随着移动通信技术及人工智能的发展，人们对移动宽带应用需求日益强烈。然而在无人驾驶、智慧城市等连续广域覆盖热点/高容量、低功耗大连接和低时延高可靠的场景中，传统的4G通信已经不能满足要求。

3GPP（第三代伙伴关系项目）是移动通信系统标准组织，其推出的第5代移动通信系统（5G）是面向2020年之后的新一代移动通信系统，具有数据速率超高、延时小、移动性高、能效高、交通密度高等特点，能够满足新一代移动通信中各类场景的需求。

随着5G标准的推进，大规模的5G网络规划和部署势在必行，5G测试仪器的需求也越来越迫切。5G信号发生技术为5G基站、终端、芯片等测试环节提供验证方式，本文基于“FPGA+DSP”架构，实现5G信号发生，并以5G同步信号为主要对象，研究信号发生技术。通过RSFSW分析结果表明，能够满足协议EVM解调指标要求，所提出的方案正确有效。

1 整体设计方案

本文基于“FGPA+DSP”架构实现5G基带信号发生，并提供射频通道完成信号发生。系统主要由5G物理层处理模块、Fading模块、全数字IQ宽带多路中频处理模块及宽带射频发射模块组成，如图1所示。

5G物理层处理模块是按照标准对码流数据进行加扰、调制、资源映射等;Fading模块提供瑞利、莱斯、高斯等衰落模型及ITU等信道模型实现真实信号场景的模拟;大宽带高速率中频处理模块处理Fading模块来的IQ数据流并缓存入DDR3，然后主要进行上变频之后送入DA之后到发射通道;发射通道及本振模块基于频段分为两部分，包括6GHz以下及毫米波部分，由中频模块送入的模拟IQ数据流经过上混频后到射频输出。同时，系统包含设备系统，总体模块，主要完成不同处理环节信号数据处理、模块之间的控制、时钟管理、驱动、供电、人机交互等功能。

2 5G物理层模块设计

5G物理层模块是5G信号源的核心部分。5G标准对下行基带信号的信道和信号重新进行了定义。SS/PBCH承载了小区的同步信息及广播信息。SS/PBCH块时域上由4个OFDM符号组成，频域上有240个资源粒子组成。并且SS/PBCH块内，包含有相关DMRS、PSS（主同步），SSS（辅同步）和PBCH。

2.1 DMRS模块设计

解调参考信号（DMRS）常常用于终端解调基站信息时的信道估计过程。终端假定用于SS/PBCH块的参考信号序列如式（1）所示。

公式

其中，c（m）为伪随机序列，且初始值满足式（2）所示。

公式

对于特定频带的一个SS/PBCH周期中的SS/PBCH波束的最大数量Lmax=4时，nhf是在帧中发送PBCH的半帧的编号，iSSB是的SS/PBCH索引的两个最低有效位。

对于Lmax=8或者Lmx=64时，nhf等于0，且iSSB是的SS/PBCH索引的三个个最低有效位。

对于DMRS，要求按照先频域k和后时域I的顺序映射到资源元素（k，I），其中k为以v=Nclmod4为初始，并间隔4个资源粒子的频率索引，I为{1，3}的时间索引。

2.2 PBCH模块设计

PBCH信道主要承载着广播信息，包括系统帧号、半帧索引等信息。PBCH信道的处理过程如图2所示，包括传输块处理、第二次加扰、调制、资源映射等过程。

其中传输块处理流程如图3所示。

（1）信息块生成及交织

根据小区参数生成MIB，并进行有效位扩充，形成完整的信息块。扩充生成与时间相关的PBCH有效载荷位共8位，具体表示位公式，其中：公式分别是SFN（系统帧号）的第四，第三，第二和第一个有效位，公式半无线帧位;公式分别是SS1PBCH块索引的第3，第2和第1个LSB。

形成完整信息块后，进行交织处理，输出比特流。

（2）信道编码

对于PBCH信道，采取的编码方式为Polar编码。Polar编码利用极化现象构建的编码可以达到对称容量。具体实现如式（3）所示。

其中，u为输入比特矩阵，G，为生成矩阵，d为输出矩阵。

在PBCH信道处理过程中，输入比特矩阵u根据原始输入比特和CRC校验比特特生成，生成矩阵G。为矩阵G2的n次克罗内克积！4），其中：

2.3基带信号生成设计

3GPP标准规范定义了在天线端口的时间连续基带信号公式，如式（4）所示）：

式子实现复杂度高，直接影响算法的实时性能，因此本文在式子基础上提出一种基于因子变换的FFT算法实现基带信号生成。推演过程如下：

由于OFDM符号中CP是根据符号内容进行填充的，可以先不考虑CP，则式（4）可以转变成如下：

公式

其中公式，且公式则

公式

令N=（480*103*4096）/△f，则式（5）可转换成如下。

公式

因此，经过变换，基带信号生成过程可以变换如式（6）所示。即通過频域数据进行IFFT变化，在乘以旋转因子实现基带信号生成。通过IFFT运算能够有效降低基带信号生成计算复杂度，提高效率。

2.4 实验结果及分析

通过本单位自主研发的5G毫米波信号源发送频点为2.3GHz的5G信号，通过RSFSW进行解析，解析结果如图4所示。其中PSS、SSS、PBCHDMRS及PBCH的EVM指标分别为0.589%、0.576%、0.740%及0.190%，符合3GPP的规定，说明本文的5G信号源设计方案正确有效。

3 结论

5G信号源是5G技术研究的核心内容，相关技术的研究能够有效推动关键核心器件、基站性能测试。本文依据3GPP标准，基于“FPGA+DSP”架构，实现5G信号发生，并以5G同步信号为主要对象，研究信号发生技术，包括5G基带模块各信号的产生、编码技术、资源映射，并提出了一种基于因子变换的FFT算法实现5G基带信号生成，有效降低了基带生成实现复杂度。通过RSFSW分析结果表明，能够满足协议EVM解调指标要求，所提出的方案正确有效。

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