【无线射频通信】-5G及无线技术专栏：5G NR信号的解调分析

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现代的频谱仪已经不只是单纯的测量频谱，借助于DSP技术，现代频谱仪同时具备矢量信号的解调与分析功能，因此严格意义上应当称为频域与信号分析仪，可以同时对信号进行频域，时域和调制域的分析。对于5GNR(NewRadio)信号，调制域是分析信号的重要手段，通过信号的解调分析，可以推断信号的正确与否以及信号质量的好坏。

图1、现代频谱与信号分析仪结构

在3GPP的TS38.141和TS38.521协议中，对于基站和手机的调制域指标都有明确的规定。在这两个协议中，调制域的指标有EVM（ErrorVectorMagnitude），频率误差(Frequencyerror)，频谱平坦度(spectrumflatness)，这几个指标都是通过对信号的解调分析才能得到，尤其是频率误差和频谱平坦度，很简单引起误会，许多人以为这两个指标是通过测量信号的频谱进行频域测量获得，矢量信号的频谱本身就是不平的，不行能通过频谱得到信号的中心频点和平坦度指标。实际上频域误差是在信号解调过程中通过解调参考信号DMRS（DemodulationReferenceSignal）或者循环前缀(CyclicPrefix,CP)获得，而频谱平坦都是解调过程中通过均衡系数（Equalizercoefficient）获得。

DMRS的重要的作用就是相干解调（CoherenceDemodulation），解调软件通过DMRS信号进行信号的同步，频率误差估量，信道估量。对于5GNR的信号的解调，待测信号的参数设置特别重要，频谱仪解调软件正是通过设置的参数生成本地DMRS信号，从而完成信号检测和解调。这些参数会影响解DMRS信号序列生成和时频域分布，因此这些信号参数设置的正确与否直接打算了解调软件能否生成与待测信号相匹配的DMRS序列，只有正确得到DMRS序列，才能正确完成信号解调，从而得到正确的EVM指标，频率误差和频谱平坦度指标。

与4G信号不同，5GNR信号为了支持eMBB(EnhanceMobileBroadband，增加型移动宽带)，uRLLC(UltraReliableLowLatencyCommunication，低时延高牢靠通信)和mMTC（MassiveMachineTypeCommunication，海量物联网通信）三大场景，5GNR信号可以敏捷多变，但也导致信号结构要简单得多，信号解调分析时参数设置也要简单得多，对于常常使用频谱仪对5GNR信号进行解调分析的研发测试人员也提出了更高的要求，需要对5GNR信号有足够的理解。

本文主要整理了5GNR信号解调分析中关键参数的设置，包括这些参数在3GPP物理层协议中的定义，为什么这些参数会影响解调，这些参数设置不合理睬消失什么特别结果等，从而关心仪表使用者理解3GPP协议，正确地对5G信号进行分析，当测试消失问题时，能快速定位信号解调分析中的问题。

总结起来，影响5GNR信号解调的主要参数有以下参数。

1、CellID

PUSCHDMRS序列在Transformprecodingon和off时候使用的序列不一样，但是该序列都可能与CellID有关。以Transformprecodingdisabled时为例，在TS38.2116.4.1.1章节定义其序列生成如下：

其中c(i)的初始值如下：

在没有higher-layer参数指示的状况下，其中。通常在非信令测试条件下，都满意。因此CellID设置不正确会影响本地DMRS序列的生成，从而影响仪表信号的解调。当CellID设置不正确的时候，信号解调可能会消失"SyncNotFound'的无法解调的提示。

2、BW（Bandwidth）和RB（ResourceBlock）参数

BW和RB的起始位置及RB个数会影响DMRS的频域分布，同时根据38.211协议，DMRS序列的生成也与RB的个数有关，因此这两个参数设置不合理可能会导致仪表消失"SyncNotFound'的无法解调的提示。

图2、仪表同步失败错误提示

3、TransformPrecoding

与LTE信号不同，5GNR的上行信号同时支持CP-OFDM和SC-FDMA，是通过TransformPrecodingon和off参数进行设置的。依据TS38.211协议6.4.1.2章节，在TransformPrecodingon和off下，DMRS序列生成公式是不同的，因此TransformPrecoding参数设置不合适也会引起信号同步失败，消失"SyncNotFound'的无法解调的提示。

4、mappingtype和dmrs-TypeA-Position

MappingType打算了第一个DMRS符号的位置l0。

1）对于mappingtypeA，DMRS符号的起始位置l0取决于dmrs-TypeA-Position。dmrs-TypeA-Position的取值为pos2（表示第一个DMRS符号是符号2）或者pos3（表示DMRS符号是符号2）。

2）对于mappingtypeB，l0=0，表示第一个DMRS符号是符号0。

如图3所示，可以直观地看到在不同的mappingtype下DMRS所在的符号位置是不同的。

图3、在不同mappingtype下DMRS信号的频域分布

当mappingtype和dmrs-TypeA-Position设置与真实信号不全都时，由于解调软件预期的DMRS符号时域位置与真实信号不全都，从而无法搜寻到正确的帧头，会消失"SyncNotFound'的无法解调的提示。图4显示了待测信号的mappingtype是TypeA，但是在解调时却设置成了mappingtypeB，从而导致信号解调失败。

图4、mappingtype参数设置不合适导致信号解调失败

5、DMRSConfigurationType

DMRSconfig打算了DMRS在频域的密度，在38.2116.4.1.1.3章节中有如下定义，从这个公式可以看出，对于DMRSconfiguration为Type1时，在频域每隔1个子载波分布着1个DMRS载波，每个RB具有6个DMRS子载波，而当DMRSconfiguration为Type2时，每隔2个子载波分布着1个DMRS载波，每个RB具有4个DMRS子载波。图5显示了不同DMRSconfigurationDMRSRE在频域的分布。

图5、不同DMRSconfiguration时DMRS子载波的频域分布

由于DMRSconfigurationtype打算了DMRS载波的频域分布，因此当DMRSconfigurationtype参数设置不合理时，由于解调软件预期的DMRS信号与待测信号的真实DMRS不全都，会消失信号同步失败，如图6所示，消失"SyncNotFound'的无法解调的提示。

图6、DMRSconfigurationtype设置错误导致信号同步失败

6、DM-RSduration

表1、TS38.211Table6.4.1.1.3-5:PUSCHDM-RStimeindexl.

TS38.211Table6.4.1.1.3-5定义了DM-RSduration,DM-RSduration打算了时域连续DMRS符号的个数，如图7所示。因此，当信号的DM-RSduration设置与真实信号不全都时，也会导致信号同步失败，消失"SyncNotFound'的无法解调的提示。

图7、不同DM-RSduration时DMRS信号的时域分布

7、dmrs-AdditionalPosition

在协议TS38.211中，Table6.4.1.1.3-3和Table6.4.1.1.3-4定义了不同dmrs-AdditionalPosition下DMRS信号的时域符号位置。将不同dmrs-AdditionalPosition下DMRS的时域符号分布直观地显示出来如图8所示，由此可见，dmrs-AdditionalPosition会影响DMRS信号的时域分布，因此，当信号的dmrs-AdditionalPosition设置与真实信号不全都时，可能导致信号同步失败，消失"SyncNotFound'的无法解调的提示，或者如图9所示，同步胜利，但是星座图是乱的，由于解调软件将一些数据RE（Resourceelement）误判为DMRS或者将DMRS误判为数据RE。

表2、PUSCHDM-RSpositionswithinaslotforsingle-symbolDM-RSandintra-slotfrequencyhoppingdisabled.

表3、PUSCHDM-RSpositionswithinaslotfordouble-symbolDM-RSandintra-slotfrequencyhoppingdisabled.

图8、不同dmrs-AdditionalPosition时DMRS信号的时域分布

图9、dmrs-AdditionalPosition设置不合适导致信号解调失败

8、NumberofDMRSCDMgroupswithoutdata

图10、不同NumberofDMRSCDMgroupswithoutdata参数下DMRS符号DMRS与数据复用

NumberofDMRSCDMgroupswithoutdata参数打算DMRS与Data是否在同一symbol内复用，如图10所示的DMRS符号（symbol#2）内，红色子载波代表DMRS，其余的子载波位置既可以配置成发送蓝色的Data，也可以配置成不发送任何数据的保留子载波，当NumberofDMRSCDMgroupswithoutdata为1的时候，其余RE被配置成数据RE，当NumberofDMRSCDMgroupswithoutdata为2的时候，其余RE不发任何数据。

因此在进行信号解调的时候，NumberofDMRSCDMgroupswithoutdata设置不合适会导致星座图上消失零点的星座点，如图11所示，解调端误认为在那些保留子载波的位置也是正常发送了调制数据的，但实际检测到的都是功率为0的星座点，导致在这些RE上的EVM值很高。此时需要正确设置NumberofDMRSCDMgroupswithoutdata，这样软件就不会去试图解调那些不发送任何数据的保留子载波，使得零点得以消退，如图12所示。

图11、NumberofDMRSCDMgroupswithoutdata参数设置不正确导致星座图消失零点

图12、NumberofDMRSCDMgroupswithoutdata参数设置正确时的解调结果

9、SymbolPhasecompensation

与4G不同，5GNR支持多种可变的载波带宽以及载波内BWP的安排，因此收发两端的中心频点不全都是一个特别典型的场景，如不进行合适的相位补偿会消失接收机无法正确解调信号的状况。在TS38.2115.4章节Modulationandupconversion中定义了5GNR逐符号进行相位补偿SymbolPhasecompensation，并且是补偿到特定的某个放射频点(f0)，这个补偿需要在基带信号中完成，用于解决放射端的中心频点与接收端的中心频点不全都而带来的相位旋转问题。

因此，在信号进行解调的时候相位补偿也要设置成与待测信号全都，否则星座图可能会凌乱，消失有规律的旋转，EVM也很差，如图13所示，它并不是完全随机性混乱的星座图，而是呈现出有某种规律的图样。当相位补偿设置正确的时候，星座图就恢复正常。

图13、SymbolPhasecompensation参数设置不正确时的解调结果

10、小结

5GNR信号的参数比较简单，解调分析需要正确设置信号参数，假如参数设置不合适可能会导致解调失败或者EVM很差，测试者可以依据详细现象推断可能是哪些缘由导致解调失败，快速定位问题，各参数设置不合适导致的解调特别问题总结如表4所示。

表4、5GNR各参数设置不合适导致的解调特别问题总结

参数设置错误导致的解调特别现象1CellID同步失败2BW和RB同步失败3TransformPrecodin