一种NR无线小站的同步设计与实现

杜明玉，徐红波，艾峰

（中信科移动通信技术股份有限公司，湖北 武汉 430001）

0 引言

得益于工信部的部署和运营商的积极推荐和网络布局，2020 年成为5G 商用的爆发年，运营商在5G 无线覆盖产品方面推出了多种类型的产品形态。无线分布式小站作为一种新型的5G NR 室分解决方案产品，可以将高频的5G 信号通过移频转化成低频的无线信号传输，在信号的传输接收方面具有很多优点，满足5G 信号的室分覆盖要求[7]。

无线分布式小站采用两级架构的覆盖方案，即主单元PAU 和分布式单元PRU，发射链路主单元馈线耦合接收5G 宏站的高频的频谱信号，通过射频滤波和模数转化、下变频处理变为低频段的移频射频信号发射，分布式单元无线接收移频射频信号，通过上变频转化和滤波，转化为高频的5G 的射频信号发射，实现无线移频5G 信号传输[2]。

现有类似设备需要解决两个问题：（1）开关信号的传输。现有NR 配置均为TDD，分布式单元需要获取开关同步信号才能正确进行上下行切换；（2）频率同步。由于主单元和分布式单元之间有移频操作，就必然涉及到主单元和分布式单元之间的频率同步问题。如果主单元和分布式单元之间频偏过大，会对系统性能造成严重影响。

本文通过该空口分布式系统的实现形式，介绍了一种用于该方案的同步技术，实现与主单元和分布式单元主控之间的开关和频相同步。与传统移频设备相比，本方案无需昂贵的高精度晶振即可实现频率同步，各分布式PRU 单元只需要与主单元PAU 之间采用易于实现的扩频技术进行时频同步即可，不需要在每台PRU 上实现5G同步检测，系统设计简单，降低了系统成本和功耗。

1 同步实现技术

1.1 实现方案

本文同步技术适用于具备两级架构的无线覆盖系统，该系统分为主单元和分布式单元，主单元和分布式单元采用数字信号的处理技术和软件无线电技术，实现空口数据的连接、回传和同步，如图1 所示。

图1 5G无线分布式小站系统

同步实现技术的特性方式是，在主控端，主单元PAU 通过无源器件馈线耦合接收5G NR 信源的高频射频信号，耦合的5G NR 信号通过主单元PAU 后，分为两路，一路经过模块下变频处理，变为低频段的移频射频信号，通过发射链路的功放放大、环形器滤波后，再通过发射端的全向无线发射给分布式单元PRU。另外一路通过主单元基带盘的5G 同步检测模块，5G 同步检测模块内部通过集成Transceiver 收发器模数转换成基带信号，经过FPGA 基带处理提取主同步信号PSS、辅同步信号SSS和解调参考信号DMRS。逻辑处理器FPGA 先通过5G 同步模块获取开关信息，得到开关信息后，先将开关信号进行差分编码，然后进行扩频[1]，达到增加占用带宽的目的，最后进行脉冲成形滤波并插值混频后，送至DAC发送到分布式单元。通过同步模块解调出来的同步信号，用于主单元PAU 跟基站之间的同步，同时同步信号通过逻辑处理器FPGA 处理后，用于控制链路的射频开启和关断切换，如图2 所示[3]。

图2 主单元发送框图

分布式单元通过对来自主单元空口的接收信号进行解扩操作，可从数据中恢复开关信号，同时也可以获取本地时钟与主控时钟之间的频差和相差，通过鉴相操作即可获得DA的控制值，用于调整VCXO 的频率，从而实现与主单元和分布式单元主控之间的频相同步，有效降低移频后引入的频率误差[4]，分布式单元接收部分功能框图如图3 所示。

图3 分布式单元接收部分功能框图

输入信号首先通过下变频，进入PN 捕获模块。当捕获PN 码后，即进入跟踪状态，跟踪模块采用超前-滞后闭合环路方法实现。将超前-滞后产生的误差分量进行鉴相并环路滤波后，控制外部DA 来对VCXO 进行频率调节，用于跟踪主控单元的频率；最后将解扩后的输出进科斯塔斯环，调节NCO 的相位，以获得精确的解调输出。解调后的信号通过解差分编码后即可得到开关信号[9]。

1.2 扩频实现技术[8]

为了实现将数据比特扩频的目的，本论文的做法是用一扩频码序列与待发射的信息信号（数据比特）异或。设定开关信号的采样率为100 kbit/s，扩频增益为32，即最终码片速率为3.2 M，因此每个码片周期为0.312 5μs。

由于扩频序列具有比数据比特窄得多的时宽，从而使扩频序列具有比数据序列高得多的频带。最后将扩频后的数据按照0 变+1，1 变-1 的方式进行编码[6]。

PN 码生成采用m 序列，是由多级移位寄存器或者延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器中，如果移位寄存器的级数为n，共有2n个状态，不包括全0 状态的话就有2n-1 中可能状态，因此它能产生的最大长度的码序列为2n-1 位。在m 序列移位寄存器的电路结构里，反馈线不是随意的，m 序列的周期P也不是任意值，而必需满足：

式(1)中，n是移位寄存器的级数。

图4是由N级移位寄存器构成的码序列发生器。最长线性序列的特征多项式为其中Ci表示移位寄存器的反馈连线，Ci=1 表明第i级移位寄存器存在反馈连线，Ci=0 表明第i级移位寄存器不存在反馈连线。因为m 序列是循环序列发生器产生的，所以C0=Cn=1，即参与反馈。而反馈系数C1,C2,……,Cn-1若为1 就参与反馈；若为0，则表示断开反馈，即开路，无反馈连线。本论文次设计采用10 级m 序列发生器，特征多项式为x10+x3+1。

图4 N级循环发生器的模型

扩频码捕获采用滑动相关法实现，该方法是基于相关器的串行捕获，如图5 所示：

图5 串行捕获原理

串行捕获电路由本地序列发生器、时钟控制、I 路和Q路积分清除、平方求和、判决控制部分组成。本地序列与输入信号作非相干相关运算，统计量与判决门限进行比较，大于或等于门限值时，认为捕获成功，否则，继续循环，扣除一个序列生成时钟周期，相当于调整一个相对码片位移，进行下一周期的相关运算与判决，上下支路的平方是为了消除载波频偏的影响。假设I 支路输入信号为a(t)c(t)sinδwt，Q支路的输入为a(t)c(t)cosδwt，式中a(t)为数据序列，c(t)为接收信号中的PN 码序列，c'(t)为本地产生的PN 码序列，δw为载波频偏。判决器的输入信号为：

判决值只与接收信号中的PN 码c(t) 与本地产生的PN 码)'(c t有关，与载波频偏无关。相关运算的积分过程中每完成一个符号周期后就将结果清零，才能进入下一个周期的积分运算。

当检测到的相关值输出大于某一门限时，表示基本完成捕获。此时本地序列开始相对输入数据同步移动，系统进入验证状态。通过对同步态进行验证，可以避免系统同步于错误的状态，减小虚警概率。

当系统通过验证后即进入跟踪状态，系统中对搜索时间无特别要求，因此该实现技术可以作为本次同时实现有效的捕获方式。

1.3 扩频码跟踪技术[6]

本系统采用超前-滞后闭合环路来对扩频码进行跟踪。超前-滞后闭合环路的结构框图如图6 所示。

图6 分布式单元扩频码跟踪电路

主单元需要产生整个设备的系统时钟，设计上要保证主单元下的所有分布式单元的系统时钟的一致性，这样可以保证所有分布式远端单元的信号经过移频后，频率与主单元频率保持一致，否则会导致主单元与分布式单元之间产生较大频差，对系统指标造成严重影响，甚至导致终端无法接入。

本模块直接将环路鉴相后的数值送入DA，经过低通滤波器后送至VCXO，产生恢复时钟，提供给分布式单元上的锁相环做参考。由于分布式单元的VCXO 工作的中心频率对应的电压为1.65 V，因此DA 输出的电压信号应以1.65 V 为中心点左右偏移。

其中，环路鉴相器将I、Q 两支路的超前值和滞后值分别进行平方求和运算，将两者的差值作为后面时钟调整的误差值。

1.4 相位跟踪[5]

通过超前-滞后闭合环路进行VCXO 初始锁定后，还会存在一定的频差和相差。此时，需要切换到相位跟踪环进行精调[5]。

相位跟踪环本论文采用costas 环实现，如图7 所示：

图7 科斯塔斯环

该模块在整个环路中起着非常重要的作用，不仅完成低通滤波功能，更重要的是对环路参数调整起决定性作用。

通常理想二阶锁相环性能远远优于其他环路（锁定状态下稳态方差为0，同步带无限大），所以环路滤波器采用上述介绍的一阶数字环路滤波器即可。

由于输入数据速率为3.2 Mbit/s，环路输入信噪比为0 dB，按文献记载的计算方法可得环路噪声带宽BL为950 kHz，留一定余量，取为800 kHz。再由式(3)：

代入即可算出阻尼振荡频率ωn=1.5 MHz。

由于输入数据位数为16 位，则输入信号幅度A=216-1=32 768；跟踪模块保留了16 位有效位，其贡献的增益G=216。定DDS 的增益为2-31，因此环路增益K=AG×2-31=1。将这些结果代入G1、G2的计算式即可得到环路滤波器系数G1=0.027 6、G2=0.000 381。

为简化设计电路，取G1=2-5=0.031 25，G2=2-11=0.000 488。小数乘法可采用移位方法实现，只要注意有效字长的截取，且不影响环路误差校准精度，可以保证系统占用最小的芯片资源。在FPGA 实现时需对系数再进行调整，右移5 位，即得到G1=210，G2=2-16。其具体设计如图8 所示。相位精确后恢复的参考时钟，更能减小系统的频偏，提高VXCO 的锁定时间。

图8 相位精准设计图示

相位精确后的恢复的参考时钟，更能减小系统的频偏，提高VXCO 的锁定时间。

2 同步实现与实测验证

本文通过5G 无线分布式小站的这种系统架构方案，实现了PAU 和PRU 之间5G 的时钟恢复和空口的同步，保证主单元下的所有分布式单元的系统时钟的一致性，对于TDD 的5G 系统来说，分布式远端单元的时分信号开启和关断和系统本振参考的同步都可以完整地在PRU 端精准实现，在3.5 G 的5G 分布式微站产品样机验证阶段，实验室测试了PAU 和两套PRU 的组合系统，PRU 系统为两通道2×2MIMO 双天线系统，系统的端口输出为250 mW，终端UE 采用5G 手机实现闭环测试，系统的射频带宽为Band78 MHz、100 MHz，273RB，PAU 射频馈入NR 基站信号测试验证了PAU+PRU 空口的业务流量值，测试数据显示PDSCH 的SINR 值可以达到30 dB，Downlink 调度方式MCS 可以达到25 左右，下行业务量最低680 Mbit/s，上行业务值为314 Mbit/s，测试显示值基本都在理论值的90% 以上水平。测试数据表明分布式单元对前传接收的空口通信信号进行解扩，恢复出时分开关信号和VCXO的频率配置是准确和可行的，测试数据如图9 所示：

图9 系统测试验证数据

3 结束语

在5G 高速发展的现在，我们一直在致力于研究更具竞争力和优势，成本低廉和布局方便的通信产品。本文所述的扩频码实现同步技术，适用于无线通信领域，对于采用两级架构、实现无线信号传输的NR 无线通信产品，本文实现同步采用的扩频码跟踪技术、空口时钟恢复技术和相位校准技术等数字通信的同步方法，经试验测试验证是可行的一种同步方案。该实现方案的优势主要体现在，主单元通过逻辑处理得到的开关信息，是用一扩频码序列与待发射的信息信号异，将开关信号进行差分编码，然后进行扩频跟踪，通过对VCXO 进行频率调节以此来跟踪主控单元的频率，调节NCO 的相位，以获得精确的解调输出。分布式单元解调后的信号即可得到精准度的开关信号，高效且精准，同时也提高了产品的稳定性。