RF-systeemin mallinnusta ja simulointia Matlab-ja Simulink ympäristöissä

Abstract

Uusien tietoliikennejärjestelmien tavoitteena on kasvattaa datanopeutta, lisätä siirrettävän datan määrää ja lyhentää latenssia. Näin on myös viidennen generaation (5G) radiojärjestelmissä. Tietoliikenteessä käytettäviä radiolähettimiä ja -vastaanottimia suunnitellaan yleensä hyväksi käyttäen tietokonesimulaatioita ja mallinnusta. Simulaatiot helpottavat merkittävästi suunnittelua ja tuotekehitystä, parantavat radiojärjestelmän eri osien yhteissuunnittelua, sekä parhaimmillaan nopeuttavat tuotesyklejä huomattavasti, jolloin ylimääräisiltä prototyyppikierroksilta voidaan välttyä. Tällaista suunnittelua kutsutaan mallipohjaiseksi järjestelmäsuunnittelemiseksi. Radiolähettimessä tehovahvistimen suunnittelu on tärkein vaihe, koska se vahvistaa lähetettävän signaalin antennille. Tehovahvistimen hyötysuhde on parhaimmillaan, kun se suunnitellaan toimimaan lähellä sen epälineaarista aluetta. Epälineaarisuudet kuitenkin heikentävät järjestelmän suorituskykyä, joten toimintapiste sopivalla tehotasolla on tärkeä parametri.

Tässä työssä perehdytään 5G-lähettimen simulointeihin ja tietokonemallintamiseen Matlab-Simulink-ympäristössä. Työssä käytetään hyväksi valmiita Simulink-lohkoja ja rakennetaan niiden avulla testipenkki 5G radiolähettimen epälineaarisuuksien tutkimiseen. Lohkojen eri osien parametreja muokkaamalla voidaan esimerkiksi tutkia kuinka paljon hyötytehoa vahvistin voi tuottaa siten, että haluttu signaalin laatu saavutetaan. Käytännössä tämä tehdään Simulink-ympäristössä luomalla kantataajuinen aaltomuoto, joka noudattaa 5G standardia. Aaltomuodon parametreja, kuten modulaation astetta voidaan muokata ja tutkia sen vaikutusta mallin käyttäytymiseen. Moduloitu signaali siirretään radiolähettimelle, jossa tutkitaan eri RF-komponenttien vaikutusta signaalin. Lähettimenä toimii superheterodyne-lähetin, jonka komponenttien arvoja muokataan ja tutkitaan niiden vaikutusta virhevektorin arvoihin. Vahvistimen vahvistusta säädellään ja katsotaan kuinka lähelle päästään sen epälineaarista aluetta virhevektorin sallimissa rajoissa. Lähettimeltä signaali tuodaan Decode Subframe -lohkolle, jossa virhevektori laskenta suoritetaan. Malli sisältää myös konstellaatiokuvaajan ja spektrikuvaajan, joista voidaan tulkita signaalin laatua eri vaiheissa.

The main goal of fifth-generation (5G) New Radio (NR) systems is to increase data rates, reduce latency and improve the system efficiency. Computer simulations and modeling are used to design the new system, which makes planning more straightforward. The reason for this is that it is not necessary to assemble so many physical prototypes, but the effect of different parameters on the system is simulated with the help of a computer. This kind of design is called Model-Based Systems Engineering and in this work, we find out how the Matlab-Simulink environment fits the design method in question. In a radio transmitter, the design of the power amplifier is the most critical step, because it amplifies the transferred signal to the antenna. The efficiency of a power amplifier is the best when it is designed to operate close to its non-linear region. However, the non-linearity of the power amplifier affects the signal negatively, because it distorts the signal, making the information encoded in it harder to detect at the receiver. This causes a poor error vector magnitude value.

In this work, we are investigating a 5G NR transmitter with a simulations in MatlabSimulink environment. Transmitter blocks can be modified and their parameters also. Some blocks contain Matlab code and the codes are partly ready-made packages from MathWorks. A baseband signal is created and modulated in the Simulink environment using different modulation methods. The modulated signal is transferred to a radio transmitter, where the effect of different RF components on the signal is being observed. The type of transmitter is a superheterodyne transmitter. The values of the different components of the transmitter are changed and their effect on the error vector is monitored. The amplification of the power amplifier is varied and it is investigated how close to its nonlinear region we can operate within the limits allowed by the error vector. The signal from the transmitter is brought to the Decode Subframe block, where the error vector is calculated. The model also includes a constellation graph and a spectrum graph, which helps to interpret the quality of the signal in different phases.