數(shù)字中頻芯片的仿真研究*

王 燕

（上海諾基亞貝爾股份有限公司，江蘇 南京 210037）

0 引言

隨著移動通信的發(fā)展，特別是5G 的大規(guī)模部署，基站技術(shù)在不斷演進(jìn)。網(wǎng)絡(luò)覆蓋理念的核心是將基帶處理與射頻部分分離，分為基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）兩大設(shè)備，兩者之間通過光纖連接。

數(shù)字中頻[1]是RRU 的核心部分，作為基帶和射頻之間的橋梁。它的需求體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）基帶輸出的是剛剛組成幀的信號，單個載波的采樣率是一定的，而載波有好幾種，每種采樣率都不同。因此，要兼容多種載波，需要轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的采樣率。E-UTRA 系統(tǒng)可配置的6 種信道帶寬，如表1 所示。

表1 E-UTRA 系統(tǒng)可配置的6 種信道帶寬

（2）受限于市場上可供選擇的器件，中頻采樣率需要有合適的AD/DA 器件支持。

（3）運營商擁有的頻段寬度并不限于一個載波的寬度，通常設(shè)計要求支持載波的位置覆蓋整個頻段，且需要支持同時有多個載波的設(shè)計。

（4）信號傳輸過程中，為了提高傳輸質(zhì)量，許多工作放在數(shù)字部分可以取得更好的性能。數(shù)字部分可以設(shè)計出性能更好的濾波器、更準(zhǔn)確的功率和相位控制、更準(zhǔn)確的設(shè)計時延等。此外，現(xiàn)代通信為了提高功放的使用效率，使其在非線性區(qū)間也能正常工作，增加了CFR、DPD 等功能，而這些都需要在數(shù)字中頻完成。

1 數(shù)字中頻設(shè)計概述

典型的數(shù)字中頻設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)字中頻設(shè)計

數(shù)字中頻分為發(fā)射和接收兩大塊：從基帶向射頻方向為發(fā)射方向，稱為下行；反之為接收方向，稱為上行。

發(fā)射部分的數(shù)據(jù)流源于基帶的成幀信號，CPRI[2]/OBSAI 模塊從中提取I/Q 數(shù)據(jù)流發(fā)給成型濾波器。成型濾波器[3]的特點是具有較陡的過渡帶和較低的阻帶，從而抑制帶外泄露。信號經(jīng)過處理后，頻譜形狀能滿足預(yù)期。DUC 即數(shù)字上變頻，完成的工作主要是內(nèi)插和濾波。內(nèi)插在提高采樣率的同時會產(chǎn)生頻譜鏡像，所以需要濾波處理。NCO 合路進(jìn)行頻譜搬移，將載波按需求放置在不同的位置。CFR 即波峰因子衰減，主要是改善OFDM 峰均比過高的缺陷，使得功放在合理動態(tài)范圍內(nèi)工作。DPD即數(shù)字預(yù)失真，使用反饋機制采樣輸出信號，并用以校正預(yù)失真算法，目的在于補償功放的非線性失真。

接收部分可以看作發(fā)射部分的逆過程。值得注意的是AGC 模塊，即自動增益控制，可以幫助AD器件實現(xiàn)更精確的量化。NCO 分路功能體現(xiàn)在將所需載波搬移至零頻，方便DDC 對載波分選。DDC先濾除帶外干擾，然后進(jìn)行抽取，從而降低信號的采樣率，與基帶側(cè)保持一致。后經(jīng)過成型濾波器，最終I/Q 數(shù)據(jù)通過CPRI/OBSAI 接口發(fā)往基帶。

2 數(shù)字中頻仿真

一直以來，濾波器的設(shè)計和仿真都是基于matlab實現(xiàn)的，但是對于數(shù)字中頻芯片，整體層面的RTL代碼仿真也至關(guān)重要。實際工作過程中，摸索、積累出了一套切實可行的仿真方案。

2.1 數(shù)字中頻仿真平臺

仿真平臺[4]的搭建如圖2 所示。

圖2 數(shù)字中頻仿真平臺

依托CPRI 驗證IP 資源，在基帶側(cè)通過CPRI接口進(jìn)行激勵，保證雙方能夠正常同步。I/Q 數(shù)據(jù)的激勵產(chǎn)生既支持sequence，也支持直接load 外部現(xiàn)成的數(shù)據(jù)文件。整合后的超幀需要經(jīng)過加擾、8B/10B 的轉(zhuǎn)換，而后經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換驅(qū)動DUT，具體見圖3。接收方向見圖4，主要起到monitor 的作用，可以看作發(fā)送方向的逆過程，最終可以得到I/Q數(shù)據(jù)的dump 文件。

圖3 CPRI_VIP 發(fā)送方向的處理流程

圖4 CPRI_VIP 接收方向的處理流程

射頻側(cè)考慮針對DUT 內(nèi)部的JESD 并口，采集JESD_Rx 接口上的數(shù)據(jù)，提取出正確的I/Q 數(shù)據(jù)格式文件；用function 產(chǎn)生或者直接load 外部數(shù)據(jù)作為激勵，轉(zhuǎn)換格式對JESD_Tx 接口進(jìn)行驅(qū)動。

2.2 單音信號激勵源仿真

單音信號也就是單一頻率的正弦信號。將單音信號作為激勵實施對整個數(shù)字中頻的仿真，是一種簡單且切實有效的方式。

如2.1 章節(jié)所述，通過monitor 可以得到輸出I/Q數(shù)據(jù)的dump 文件，但是該文件僅僅是16 bit 的I 數(shù)據(jù)和Q 數(shù)據(jù)的羅列，利用肉眼無法得到正確與否的結(jié)論，所以還需要借助python 腳本分析數(shù)據(jù)文件。

對模擬信號來說，可以通過時域分析和頻域分析兩個面來觀察。兩者的轉(zhuǎn)換是由快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）和逆向快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform，IFFT）來完成。時域的表示形象且直觀，而頻域分析更加簡練，剖析問題更加深刻和方便，兩者相輔相成。

Python 腳本的思想是從dump 文件末尾開始，向前取FFT 所需size 的4 倍數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用python 強大的畫圖功能，可以直接畫出時域的圖形；同時，python 也擁有數(shù)值計算的擴展庫，可以針對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT，從而畫出頻域圖形。借助圖形，人們可以一目了然地進(jìn)行觀察。

此外，根據(jù)給出的SCS 參數(shù)、頻率、幅度，python 腳本可以計算特定數(shù)值點的預(yù)期功率，比對之后給出PASS/FAIL 的結(jié)論。單音時域波形和頻譜，分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 單音時域波形

2.3 寬帶信號激勵源仿真

寬帶信號與單音信號相比，可以更準(zhǔn)確更全面地反映整個datapath 的功能和性能。實際的困難是仿真代碼中要想通過函數(shù)直接產(chǎn)生寬帶信號比較復(fù)雜。

折中的辦法是借助matlab[5]生成寬帶信號。JESD輸入信號以5G NR 100 MHz 為例，信號帶寬100 MHz，數(shù)據(jù)率245.76 MHz，平均功率為-18.22 dBFS，在matlab 中時域波形如圖7 所示，頻譜如圖8 所示。

圖6 單音頻譜

圖7 matlab 100 MHz 信號時域波形

圖8 matlab 100 MHz 信號頻譜

matlab 產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)文件可以通過load 的方式加到JESD 輸入側(cè)進(jìn)行激勵。基帶側(cè)采集數(shù)據(jù)通過python 腳本畫出的時域波形和頻譜圖（如圖9 和圖10 所示）滿足預(yù)期。此外，在python 腳本中還可以進(jìn)一步計算EVM 等指標(biāo)，更全面地評估整體性能。

圖9 基帶側(cè)信號時域波形

圖10 基帶側(cè)信號頻譜

2.4 Delay 仿真

Delay的測量是數(shù)字中頻測試不可缺少的一環(huán)，濾波器的階數(shù)改變等都會引起delay 的變化。如何精確得到內(nèi)部delay，是仿真研究的重點。

以下行的delay 測量來講，可以考慮給CPRI接口輸入的I/Q 數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊激勵。可以理解為單脈沖，即大部分?jǐn)?shù)據(jù)為0，特定一個為0xffff。在經(jīng)過datapath 處理后，送給JESD 并口的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為一段較寬的對稱非零波形。這里在questasim中，將信號的顯示改為十進(jìn)制，format 選擇Analog（automatic），可以呈現(xiàn)為時域波形。以CPRI 接口的脈沖作為起點，JESD 非零波形的中心作為終點，這兩者之間的差值即下行delay。

如圖11 所示，仿真得到的delay 值可以與實際上板測得的值相互印證，固化后的delay 值在底層軟件應(yīng)用層面起著極為重要的作用。

圖11 delay 測量結(jié)果

3 結(jié)語

仿真貫穿整個數(shù)字中頻芯片的開發(fā)過程。從一定程度上講，仿真的質(zhì)量決定了芯片的研發(fā)質(zhì)量。同時，仿真并不局限于對仿真工具的使用、對設(shè)計和協(xié)議的高度理解，還需要熟練運用各種腳本，如python、perl、tcl、makefile 以及matlab 等工具的輔助，是對綜合能力要求極高的一項工作。只有在工作過程中不斷創(chuàng)新，不斷積累，才能找到更貼合設(shè)計的仿真策略。文中所述的仿真研究具有較大的通用價值，對其他數(shù)字中頻項目的仿真同樣有著重要的指導(dǎo)作用。