一種NR無線小站的同步設計與實現

杜明玉，徐紅波，艾峰

（中信科移動通信技術股份有限公司，湖北 武漢 430001）

0 引言

得益于工信部的部署和運營商的積極推薦和網絡布局，2020 年成為5G 商用的爆發年，運營商在5G 無線覆蓋產品方面推出了多種類型的產品形態。無線分布式小站作為一種新型的5G NR 室分解決方案產品，可以將高頻的5G 信號通過移頻轉化成低頻的無線信號傳輸，在信號的傳輸接收方面具有很多優點，滿足5G 信號的室分覆蓋要求[7]。

無線分布式小站采用兩級架構的覆蓋方案，即主單元PAU 和分布式單元PRU，發射鏈路主單元饋線耦合接收5G 宏站的高頻的頻譜信號，通過射頻濾波和模數轉化、下變頻處理變為低頻段的移頻射頻信號發射，分布式單元無線接收移頻射頻信號，通過上變頻轉化和濾波，轉化為高頻的5G 的射頻信號發射，實現無線移頻5G 信號傳輸[2]。

現有類似設備需要解決兩個問題：（1）開關信號的傳輸。現有NR 配置均為TDD，分布式單元需要獲取開關同步信號才能正確進行上下行切換；（2）頻率同步。由于主單元和分布式單元之間有移頻操作，就必然涉及到主單元和分布式單元之間的頻率同步問題。如果主單元和分布式單元之間頻偏過大，會對系統性能造成嚴重影響。

本文通過該空口分布式系統的實現形式，介紹了一種用于該方案的同步技術，實現與主單元和分布式單元主控之間的開關和頻相同步。與傳統移頻設備相比，本方案無需昂貴的高精度晶振即可實現頻率同步，各分布式PRU 單元只需要與主單元PAU 之間采用易于實現的擴頻技術進行時頻同步即可，不需要在每臺PRU 上實現5G同步檢測，系統設計簡單，降低了系統成本和功耗。

1 同步實現技術

1.1 實現方案

本文同步技術適用于具備兩級架構的無線覆蓋系統，該系統分為主單元和分布式單元，主單元和分布式單元采用數字信號的處理技術和軟件無線電技術，實現空口數據的連接、回傳和同步，如圖1 所示。

圖1 5G無線分布式小站系統

同步實現技術的特性方式是，在主控端，主單元PAU 通過無源器件饋線耦合接收5G NR 信源的高頻射頻信號，耦合的5G NR 信號通過主單元PAU 后，分為兩路，一路經過模塊下變頻處理，變為低頻段的移頻射頻信號，通過發射鏈路的功放放大、環形器濾波后，再通過發射端的全向無線發射給分布式單元PRU。另外一路通過主單元基帶盤的5G 同步檢測模塊，5G 同步檢測模塊內部通過集成Transceiver 收發器模數轉換成基帶信號，經過FPGA 基帶處理提取主同步信號PSS、輔同步信號SSS和解調參考信號DMRS。邏輯處理器FPGA 先通過5G 同步模塊獲取開關信息，得到開關信息后，先將開關信號進行差分編碼，然后進行擴頻[1]，達到增加占用帶寬的目的，最后進行脈沖成形濾波并插值混頻后，送至DAC發送到分布式單元。通過同步模塊解調出來的同步信號，用于主單元PAU 跟基站之間的同步，同時同步信號通過邏輯處理器FPGA 處理后，用于控制鏈路的射頻開啟和關斷切換，如圖2 所示[3]。

圖2 主單元發送框圖

分布式單元通過對來自主單元空口的接收信號進行解擴操作，可從數據中恢復開關信號，同時也可以獲取本地時鐘與主控時鐘之間的頻差和相差，通過鑒相操作即可獲得DA的控制值，用于調整VCXO 的頻率，從而實現與主單元和分布式單元主控之間的頻相同步，有效降低移頻后引入的頻率誤差[4]，分布式單元接收部分功能框圖如圖3 所示。

圖3 分布式單元接收部分功能框圖

輸入信號首先通過下變頻，進入PN 捕獲模塊。當捕獲PN 碼后，即進入跟蹤狀態，跟蹤模塊采用超前-滯后閉合環路方法實現。將超前-滯后產生的誤差分量進行鑒相并環路濾波后，控制外部DA 來對VCXO 進行頻率調節，用于跟蹤主控單元的頻率；最后將解擴后的輸出進科斯塔斯環，調節NCO 的相位，以獲得精確的解調輸出。解調后的信號通過解差分編碼后即可得到開關信號[9]。

1.2 擴頻實現技術[8]

為了實現將數據比特擴頻的目的，本論文的做法是用一擴頻碼序列與待發射的信息信號（數據比特）異或。設定開關信號的采樣率為100 kbit/s，擴頻增益為32，即最終碼片速率為3.2 M，因此每個碼片周期為0.312 5μs。

由于擴頻序列具有比數據比特窄得多的時寬，從而使擴頻序列具有比數據序列高得多的頻帶。最后將擴頻后的數據按照0 變+1，1 變-1 的方式進行編碼[6]。

PN 碼生成采用m 序列，是由多級移位寄存器或者延遲元件通過線性反饋產生的最長的碼序列。在二進制移位寄存器中，如果移位寄存器的級數為n，共有2n個狀態，不包括全0 狀態的話就有2n-1 中可能狀態，因此它能產生的最大長度的碼序列為2n-1 位。在m 序列移位寄存器的電路結構里，反饋線不是隨意的，m 序列的周期P也不是任意值，而必需滿足：

式(1)中，n是移位寄存器的級數。

圖4是由N級移位寄存器構成的碼序列發生器。最長線性序列的特征多項式為其中Ci表示移位寄存器的反饋連線，Ci=1 表明第i級移位寄存器存在反饋連線，Ci=0 表明第i級移位寄存器不存在反饋連線。因為m 序列是循環序列發生器產生的，所以C0=Cn=1，即參與反饋。而反饋系數C1,C2,……,Cn-1若為1 就參與反饋；若為0，則表示斷開反饋，即開路，無反饋連線。本論文次設計采用10 級m 序列發生器，特征多項式為x10+x3+1。

圖4 N級循環發生器的模型

擴頻碼捕獲采用滑動相關法實現，該方法是基于相關器的串行捕獲，如圖5 所示：

圖5 串行捕獲原理

串行捕獲電路由本地序列發生器、時鐘控制、I 路和Q路積分清除、平方求和、判決控制部分組成。本地序列與輸入信號作非相干相關運算，統計量與判決門限進行比較，大于或等于門限值時，認為捕獲成功，否則，繼續循環，扣除一個序列生成時鐘周期，相當于調整一個相對碼片位移，進行下一周期的相關運算與判決，上下支路的平方是為了消除載波頻偏的影響。假設I 支路輸入信號為a(t)c(t)sinδwt，Q支路的輸入為a(t)c(t)cosδwt，式中a(t)為數據序列，c(t)為接收信號中的PN 碼序列，c'(t)為本地產生的PN 碼序列，δw為載波頻偏。判決器的輸入信號為：

判決值只與接收信號中的PN 碼c(t) 與本地產生的PN 碼)'(c t有關，與載波頻偏無關。相關運算的積分過程中每完成一個符號周期后就將結果清零，才能進入下一個周期的積分運算。

當檢測到的相關值輸出大于某一門限時，表示基本完成捕獲。此時本地序列開始相對輸入數據同步移動，系統進入驗證狀態。通過對同步態進行驗證，可以避免系統同步于錯誤的狀態，減小虛警概率。

當系統通過驗證后即進入跟蹤狀態，系統中對搜索時間無特別要求，因此該實現技術可以作為本次同時實現有效的捕獲方式。

1.3 擴頻碼跟蹤技術[6]

本系統采用超前-滯后閉合環路來對擴頻碼進行跟蹤。超前-滯后閉合環路的結構框圖如圖6 所示。

圖6 分布式單元擴頻碼跟蹤電路

主單元需要產生整個設備的系統時鐘，設計上要保證主單元下的所有分布式單元的系統時鐘的一致性，這樣可以保證所有分布式遠端單元的信號經過移頻后，頻率與主單元頻率保持一致，否則會導致主單元與分布式單元之間產生較大頻差，對系統指標造成嚴重影響，甚至導致終端無法接入。

本模塊直接將環路鑒相后的數值送入DA，經過低通濾波器后送至VCXO，產生恢復時鐘，提供給分布式單元上的鎖相環做參考。由于分布式單元的VCXO 工作的中心頻率對應的電壓為1.65 V，因此DA 輸出的電壓信號應以1.65 V 為中心點左右偏移。

其中，環路鑒相器將I、Q 兩支路的超前值和滯后值分別進行平方求和運算，將兩者的差值作為后面時鐘調整的誤差值。

1.4 相位跟蹤[5]

通過超前-滯后閉合環路進行VCXO 初始鎖定后，還會存在一定的頻差和相差。此時，需要切換到相位跟蹤環進行精調[5]。

相位跟蹤環本論文采用costas 環實現，如圖7 所示：

圖7 科斯塔斯環

該模塊在整個環路中起著非常重要的作用，不僅完成低通濾波功能，更重要的是對環路參數調整起決定性作用。

通常理想二階鎖相環性能遠遠優于其他環路（鎖定狀態下穩態方差為0，同步帶無限大），所以環路濾波器采用上述介紹的一階數字環路濾波器即可。

由于輸入數據速率為3.2 Mbit/s，環路輸入信噪比為0 dB，按文獻記載的計算方法可得環路噪聲帶寬BL為950 kHz，留一定余量，取為800 kHz。再由式(3)：

代入即可算出阻尼振蕩頻率ωn=1.5 MHz。

由于輸入數據位數為16 位，則輸入信號幅度A=216-1=32 768；跟蹤模塊保留了16 位有效位，其貢獻的增益G=216。定DDS 的增益為2-31，因此環路增益K=AG×2-31=1。將這些結果代入G1、G2的計算式即可得到環路濾波器系數G1=0.027 6、G2=0.000 381。

為簡化設計電路，取G1=2-5=0.031 25，G2=2-11=0.000 488。小數乘法可采用移位方法實現，只要注意有效字長的截取，且不影響環路誤差校準精度，可以保證系統占用最小的芯片資源。在FPGA 實現時需對系數再進行調整，右移5 位，即得到G1=210，G2=2-16。其具體設計如圖8 所示。相位精確后恢復的參考時鐘，更能減小系統的頻偏，提高VXCO 的鎖定時間。

圖8 相位精準設計圖示

相位精確后的恢復的參考時鐘，更能減小系統的頻偏，提高VXCO 的鎖定時間。

2 同步實現與實測驗證

本文通過5G 無線分布式小站的這種系統架構方案，實現了PAU 和PRU 之間5G 的時鐘恢復和空口的同步，保證主單元下的所有分布式單元的系統時鐘的一致性，對于TDD 的5G 系統來說，分布式遠端單元的時分信號開啟和關斷和系統本振參考的同步都可以完整地在PRU 端精準實現，在3.5 G 的5G 分布式微站產品樣機驗證階段，實驗室測試了PAU 和兩套PRU 的組合系統，PRU 系統為兩通道2×2MIMO 雙天線系統，系統的端口輸出為250 mW，終端UE 采用5G 手機實現閉環測試，系統的射頻帶寬為Band78 MHz、100 MHz，273RB，PAU 射頻饋入NR 基站信號測試驗證了PAU+PRU 空口的業務流量值，測試數據顯示PDSCH 的SINR 值可以達到30 dB，Downlink 調度方式MCS 可以達到25 左右，下行業務量最低680 Mbit/s，上行業務值為314 Mbit/s，測試顯示值基本都在理論值的90% 以上水平。測試數據表明分布式單元對前傳接收的空口通信信號進行解擴，恢復出時分開關信號和VCXO的頻率配置是準確和可行的，測試數據如圖9 所示：

圖9 系統測試驗證數據

3 結束語

在5G 高速發展的現在，我們一直在致力于研究更具競爭力和優勢，成本低廉和布局方便的通信產品。本文所述的擴頻碼實現同步技術，適用于無線通信領域，對于采用兩級架構、實現無線信號傳輸的NR 無線通信產品，本文實現同步采用的擴頻碼跟蹤技術、空口時鐘恢復技術和相位校準技術等數字通信的同步方法，經試驗測試驗證是可行的一種同步方案。該實現方案的優勢主要體現在，主單元通過邏輯處理得到的開關信息，是用一擴頻碼序列與待發射的信息信號異，將開關信號進行差分編碼，然后進行擴頻跟蹤，通過對VCXO 進行頻率調節以此來跟蹤主控單元的頻率，調節NCO 的相位，以獲得精確的解調輸出。分布式單元解調后的信號即可得到精準度的開關信號，高效且精準，同時也提高了產品的穩定性。