微波射頻網(wǎng)5G及無線技術(shù)原創(chuàng)專欄主要介紹5G NR、LTE、WiFi等主流無線通信技術(shù)，由業(yè)界一線工程師執(zhí)筆，結(jié)合理論與實(shí)踐，既有標(biāo)準(zhǔn)解讀，又涵蓋鏈路仿真與測試，是不可多得的進(jìn)階學(xué)習(xí)平臺(tái)。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題，可以在文尾寫下留言。

現(xiàn)代的頻譜儀已經(jīng)不只是單純的測量頻譜，借助于DSP技術(shù)，現(xiàn)代頻譜儀同時(shí)具備矢量信號(hào)的解調(diào)與分析功能，因此嚴(yán)格意義上應(yīng)該稱為頻域與信號(hào)分析儀，可以同時(shí)對信號(hào)進(jìn)行頻域，時(shí)域和調(diào)制域的分析。對于5G NR(New Radio)信號(hào)，調(diào)制域是分析信號(hào)的重要手段，通過信號(hào)的解調(diào)分析，可以判斷信號(hào)的正確與否以及信號(hào)質(zhì)量的好壞。

圖1、現(xiàn)代頻譜與信號(hào)分析儀結(jié)構(gòu)

在3GPP的TS 38.141和TS 38.521協(xié)議中，對于基站和手機(jī)的調(diào)制域指標(biāo)都有明確的規(guī)定。在這兩個(gè)協(xié)議中，調(diào)制域的指標(biāo)有EVM（Error Vector Magnitude），頻率誤差(Frequency error)，頻譜平坦度(spectrum flatness)，這幾個(gè)指標(biāo)都是通過對信號(hào)的解調(diào)分析才能得到，尤其是頻率誤差和頻譜平坦度，很容易引起誤解，很多人以為這兩個(gè)指標(biāo)是通過測量信號(hào)的頻譜進(jìn)行頻域測量獲得，矢量信號(hào)的頻譜本身就是不平的，不可能通過頻譜得到信號(hào)的中心頻點(diǎn)和平坦度指標(biāo)。實(shí)際上頻域誤差是在信號(hào)解調(diào)過程中通過解調(diào)參考信號(hào)DMRS（Demodulation Reference Signal）或者循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)獲得，而頻譜平坦都是解調(diào)過程中通過均衡系數(shù)（Equalizer coefficient）獲得。

DMRS的重要的作用就是相干解調(diào)（Coherence Demodulation），解調(diào)軟件通過DMRS信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的同步，頻率誤差估計(jì)，信道估計(jì)。對于5G NR的信號(hào)的解調(diào)，待測信號(hào)的參數(shù)設(shè)置非常重要，頻譜儀解調(diào)軟件正是通過設(shè)置的參數(shù)生成本地DMRS信號(hào)，從而完成信號(hào)檢測和解調(diào)。這些參數(shù)會(huì)影響解DMRS信號(hào)序列生成和時(shí)頻域分布，因此這些信號(hào)參數(shù)設(shè)置的正確與否直接決定了解調(diào)軟件能否生成與待測信號(hào)相匹配的DMRS序列，只有正確得到DMRS序列，才能正確完成信號(hào)解調(diào)，從而得到正確的EVM指標(biāo)，頻率誤差和頻譜平坦度指標(biāo)。

與4G信號(hào)不同，5GNR信號(hào)為了支持eMBB(Enhance Mobile Broadband，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶)，uRLLC(Ultra Reliable & Low Latency Communication，低時(shí)延高可靠通信)和mMTC（Massive Machine Type Communication，海量物聯(lián)網(wǎng)通信）三大場景，5G NR信號(hào)可以靈活多變，但也導(dǎo)致信號(hào)結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，信號(hào)解調(diào)分析時(shí)參數(shù)設(shè)置也要復(fù)雜得多，對于經(jīng)常使用頻譜儀對5G NR信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析的研發(fā)測試人員也提出了更高的要求，需要對5G NR信號(hào)有足夠的理解。

本文主要整理了5G NR 信號(hào)解調(diào)分析中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置，包括這些參數(shù)在3GPP物理層協(xié)議中的定義，為什么這些參數(shù)會(huì)影響解調(diào)，這些參數(shù)設(shè)置不合理會(huì)出現(xiàn)什么異常結(jié)果等，從而幫助儀表使用者理解3GPP協(xié)議，正確地對5G信號(hào)進(jìn)行分析，當(dāng)測試出現(xiàn)問題時(shí)，能快速定位信號(hào)解調(diào)分析中的問題。

總結(jié)起來，影響5G NR信號(hào)解調(diào)的主要參數(shù)有以下參數(shù)。

1、Cell ID

PUSCH DMRS序列在Transform precoding on和off時(shí)候使用的序列不一樣，但是該序列都可能與Cell ID有關(guān)。以Transform precoding disabled時(shí)為例，在TS 38.2116.4.1.1章節(jié)定義其序列生成如下：

其中c(i)的初始值如下：

在沒有higher-layer參數(shù)指示的情況下，其中。通常在非信令測試條件下，都滿足。因此Cell ID 設(shè)置不正確會(huì)影響本地DMRS序列的生成，從而影響儀表信號(hào)的解調(diào)。當(dāng)Cell ID設(shè)置不正確的時(shí)候，信號(hào)解調(diào)可能會(huì)出現(xiàn)“Sync Not Found”的無法解調(diào)的提示。

2、BW（Bandwidth）和RB（Resource Block）參數(shù)

BW和RB的起始位置及RB個(gè)數(shù)會(huì)影響DMRS的頻域分布，同時(shí)按照38.211協(xié)議，DMRS序列的生成也與RB的個(gè)數(shù)有關(guān)，因此這兩個(gè)參數(shù)設(shè)置不合理可能會(huì)導(dǎo)致儀表出現(xiàn)“Sync Not Found”的無法解調(diào)的提示。

圖2、儀表同步失敗錯(cuò)誤提示

3、TransformPrecoding

與LTE信號(hào)不同，5G NR的上行信號(hào)同時(shí)支持CP-OFDM和SC-FDMA，是通過TransformPrecoding on和off參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的。根據(jù)TS38.211協(xié)議6.4.1.2章節(jié)，在TransformPrecoding on和off下，DMRS序列生成公式是不同的，因此TransformPrecoding參數(shù)設(shè)置不合適也會(huì)引起信號(hào)同步失敗，出現(xiàn)“Sync Not Found”的無法解調(diào)的提示。

4、mapping type和dmrs-TypeA-Position

Mapping Type決定了第一個(gè)DMRS符號(hào)的位置l₀。

1）對于mapping type A，DMRS符號(hào)的起始位置l₀取決于dmrs-TypeA-Position。dmrs-TypeA-Position的取值為pos2（表示第一個(gè)DMRS符號(hào)是符號(hào)2）或者pos3（表示DMRS符號(hào)是符號(hào)2）。

2）對于mapping type B，l₀=0，表示第一個(gè)DMRS符號(hào)是符號(hào)0。

如圖3所示，可以直觀地看到在不同的mapping type下DMRS所在的符號(hào)位置是不同的。

圖3、在不同mapping type下DMRS信號(hào)的頻域分布

當(dāng)mapping type和dmrs-TypeA-Position設(shè)置與真實(shí)信號(hào)不一致時(shí)，由于解調(diào)軟件預(yù)期的DMRS符號(hào)時(shí)域位置與真實(shí)信號(hào)不一致，從而無法搜索到正確的幀頭，會(huì)出現(xiàn)“Sync Not Found”的無法解調(diào)的提示。圖4顯示了待測信號(hào)的mapping type是Type A，但是在解調(diào)時(shí)卻設(shè)置成了mapping type B，從而導(dǎo)致信號(hào)解調(diào)失敗。

圖4、mapping type參數(shù)設(shè)置不合適導(dǎo)致信號(hào)解調(diào)失敗

5、DMRS Configuration Type

DMRS config決定了DMRS在頻域的密度，在38.211 6.4.1.1.3章節(jié)中有如下定義，從這個(gè)公式可以看出，對于DMRS configuration為Type 1時(shí)，在頻域每隔1個(gè)子載波分布著1個(gè)DMRS載波，每個(gè)RB具有6個(gè)DMRS子載波，而當(dāng)DMRS configuration為Type 2時(shí)，每隔2個(gè)子載波分布著1個(gè)DMRS載波，每個(gè)RB具有4個(gè)DMRS子載波。圖5顯示了不同DMRS configuration DMRS RE在頻域的分布。

圖5、不同DMRS configuration時(shí)DMRS子載波的頻域分布

由于DMRS configuration type決定了DMRS載波的頻域分布，因此當(dāng)DMRS configuration type參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)，由于解調(diào)軟件預(yù)期的DMRS信號(hào)與待測信號(hào)的真實(shí)DMRS不一致，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)同步失敗，如圖6所示，出現(xiàn)“Sync Not Found”的無法解調(diào)的提示。

圖6、DMRS configuration type設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致信號(hào)同步失敗

6、DM-RS duration

表1、TS 38.211 Table 6.4.1.1.3-5: PUSCH DM-RS time index l'.

TS 38.211 Table 6.4.1.1.3-5定義了DM-RS duration ,DM-RS duration決定了時(shí)域連續(xù)DMRS符號(hào)的個(gè)數(shù)，如圖7所示。因此，當(dāng)信號(hào)的DM-RS duration設(shè)置與真實(shí)信號(hào)不一致時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)同步失敗，出現(xiàn)“Sync Not Found”的無法解調(diào)的提示。

圖7、不同DM-RS duration時(shí)DMRS信號(hào)的時(shí)域分布

7、dmrs-AdditionalPosition

在協(xié)議TS38.211 中，Table 6.4.1.1.3-3和Table 6.4.1.1.3-4定義了不同dmrs-AdditionalPosition下DMRS信號(hào)的時(shí)域符號(hào)位置。將不同dmrs-AdditionalPosition下DMRS的時(shí)域符號(hào)分布直觀地顯示出來如圖8所示，由此可見，dmrs-AdditionalPosition會(huì)影響DMRS信號(hào)的時(shí)域分布，因此，當(dāng)信號(hào)的dmrs-AdditionalPosition設(shè)置與真實(shí)信號(hào)不一致時(shí)，可能導(dǎo)致信號(hào)同步失敗，出現(xiàn)“Sync Not Found”的無法解調(diào)的提示，或者如圖9所示，同步成功，但是星座圖是亂的，因?yàn)榻庹{(diào)軟件將一些數(shù)據(jù)RE（Resource element）誤判為DMRS或者將DMRS誤判為數(shù)據(jù)RE。

表2、PUSCH DM-RS positions within a slot for single-symbol DM-RS and intra-slot frequency hopping disabled.

表3、PUSCH DM-RS positions within a slot for double-symbol DM-RS and intra-slot frequency hopping disabled.

圖8、不同dmrs-AdditionalPosition時(shí)DMRS信號(hào)的時(shí)域分布

圖9、dmrs-AdditionalPosition設(shè)置不合適導(dǎo)致信號(hào)解調(diào)失敗

8、Number of DMRS CDM groups without data

圖10、不同Number of DMRS CDM groups without data參數(shù)下DMRS符號(hào)DMRS與數(shù)據(jù)復(fù)用

Number of DMRS CDM groups without data 參數(shù)決定DMRS與Data是否在同一symbol內(nèi)復(fù)用， 如圖10所示的DMRS符號(hào)（symbol#2）內(nèi)，紅色子載波代表DMRS，其余的子載波位置既可以配置成發(fā)送藍(lán)色的Data，也可以配置成不發(fā)送任何數(shù)據(jù)的保留子載波，當(dāng)Number of DMRS CDM groups without data為1的時(shí)候，其余RE被配置成數(shù)據(jù)RE，當(dāng)Number of DMRS CDM groups without data為2的時(shí)候，其余RE不發(fā)任何數(shù)據(jù)。

因此在進(jìn)行信號(hào)解調(diào)的時(shí)候，Number of DMRS CDM groups without data設(shè)置不合適會(huì)導(dǎo)致星座圖上出現(xiàn)零點(diǎn)的星座點(diǎn)，如圖11所示，解調(diào)端誤認(rèn)為在那些保留子載波的位置也是正常發(fā)送了調(diào)制數(shù)據(jù)的，但實(shí)際檢測到的都是功率為0的星座點(diǎn)，導(dǎo)致在這些RE上的EVM值很高。此時(shí)需要正確設(shè)置Number of DMRS CDM groups without data，這樣軟件就不會(huì)去試圖解調(diào)那些不發(fā)送任何數(shù)據(jù)的保留子載波，使得零點(diǎn)得以消除，如圖12所示。

圖11、Number of DMRS CDM groups without data參數(shù)設(shè)置不正確導(dǎo)致星座圖出現(xiàn)零點(diǎn)

圖12、Number of DMRS CDM groups without data參數(shù)設(shè)置正確時(shí)的解調(diào)結(jié)果

9、Symbol Phase compensation

與4G不同，5G NR支持多種可變的載波帶寬以及載波內(nèi)BWP的分配，因此收發(fā)兩端的中心頻點(diǎn)不一致是一個(gè)非常典型的場景，如不進(jìn)行合適的相位補(bǔ)償會(huì)出現(xiàn)接收機(jī)無法正確解調(diào)信號(hào)的情況。在TS 38.211 5.4章節(jié)Modulation and upconversion中定義了5G NR逐符號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償Symbol Phase compensation，并且是補(bǔ)償?shù)教囟ǖ哪硞€(gè)發(fā)射頻點(diǎn)(f₀)，這個(gè)補(bǔ)償需要在基帶信號(hào)中完成，用于解決發(fā)射端的中心頻點(diǎn)與接收端的中心頻點(diǎn)不一致而帶來的相位旋轉(zhuǎn)問題。

因此，在信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的時(shí)候相位補(bǔ)償也要設(shè)置成與待測信號(hào)一致，否則星座圖可能會(huì)凌亂，出現(xiàn)有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)，EVM也很差，如圖13所示，它并不是完全隨機(jī)性混亂的星座圖，而是呈現(xiàn)出有某種規(guī)律的圖樣。當(dāng)相位補(bǔ)償設(shè)置正確的時(shí)候，星座圖就恢復(fù)正常。

圖13、Symbol Phase compensation參數(shù)設(shè)置不正確時(shí)的解調(diào)結(jié)果

10、小結(jié)

5G NR信號(hào)的參數(shù)比較復(fù)雜，解調(diào)分析需要正確設(shè)置信號(hào)參數(shù)，如果參數(shù)設(shè)置不合適可能會(huì)導(dǎo)致解調(diào)失敗或者EVM很差，測試者可以根據(jù)具體現(xiàn)象判斷可能是哪些原因?qū)е陆庹{(diào)失敗，快速定位問題，各參數(shù)設(shè)置不合適導(dǎo)致的解調(diào)異常問題總結(jié)如表4所示。

表4、5G NR各參數(shù)設(shè)置不合適導(dǎo)致的解調(diào)異常問題總結(jié)

	參數(shù)	設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致的解調(diào)異常現(xiàn)象
1	Cell ID	同步失敗
2	BW和RB	同步失敗
3	TransformPrecoding	同步失敗
4	mapping type和TypeA Position	同步失敗
5	DMRS configuration Type	同步失敗
6	DM-RS duration	同步失敗
7	dmrs-AdditionalPosition	同步失敗或者星座圖凌亂，EVM很大
8	Number of DMRS CDM groups without data	星座圖很整齊，但是出現(xiàn)零點(diǎn)，EVM值很大
9	Symbol Phase compensation	星座圖有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)，EVM很大

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