建立5G毫米波波束成形器IC模型

在設(shè)計相位數(shù)組系統(tǒng)時需要驗證設(shè)計的訊號完整性，利用測試平臺將成為天線數(shù)組測試平臺的延伸，可以幫助建立帶有波束成形功能的完整無線電連接的模型。

射頻（RF）工程師在設(shè)計相位數(shù)組系統(tǒng)時需要盡早驗證設(shè)計的訊號完整性，并且確認他們的設(shè)計遵照3GPP標準規(guī)格。同一時間，還必須確保設(shè)計符合客戶的實際需求，包含相位數(shù)組尺寸、天線方向圖（antenna pattern）的質(zhì)量、以及各種參數(shù)值的靈敏度。

當天線、波束成形裝置、和收發(fā)器硬件皆組裝完成，工程師就可以在空中測試實驗室進行實驗，將設(shè)計特性化。然而，視硬件和軟件的開發(fā)時間長短，還有產(chǎn)品的可取得性，若要備齊無線電系統(tǒng)的所有組件，通常需要幾周，或甚至幾個月的時間。

我們的團隊建立一個Otava OTBF103波束成形器集成電路（Beamformer Integrated Circuit；BFIC）的行為模型，讓工程師可以執(zhí)行5G毫米波設(shè)計的系統(tǒng)層級仿真來獲取必要的系統(tǒng)性能表現(xiàn)信息。

這個模型可以在24 GHz到40 GHz范圍內(nèi)的八個傳送信道和八個接收信道進行仿真，該范圍涵蓋了好幾個5G NR頻段。工程師可以將該模型與自己的天線模型結(jié)合，或使用我們的測試平臺所提供的天線模型。他們可以使用自有的Simulink收發(fā)器設(shè)計、測試平臺內(nèi)含的收發(fā)器模型、或者從真實世界的RF系統(tǒng)捕捉到的訊號數(shù)據(jù)來執(zhí)行仿真。

藉由使用BFIC模型執(zhí)行全面性位到天線端的仿真，工程師可以在各種RF運作頻段、可變增益放大器（variable gain amplifier；VGA）設(shè)定、移向器設(shè)定、和輸入/輸出功率等級來優(yōu)化，并驗證他們的系統(tǒng)設(shè)計—這些全都在硬件交付或使用OTBF103評估板（圖1）執(zhí)行空中測試（over-the-air tests）之前就能進行。一旦取得硬件，工程師便可以繼續(xù)使用模型來進一步改善及驗證他們的設(shè)計。


 
圖1 : Otava OTBF103評估板。

建立BFIC模型
我們從建立發(fā)射器信道模型開始，并且以BFIC電路層級行為作為模型架構(gòu)的基礎(chǔ)。每一個TX訊號信道捕捉電路的功率分配器、移向器、可變增益放大器和輸出功率放大器的行為，并且分別使用RF Blockset Power Divider、Phase Shift block、以及nonlinear Amplifier block來建模。

這個模型以大量的量測數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，包含實際從BFIC裝置收集來的完整電路輸和輸出端的S參數(shù)。因此，它確實捕捉到波束成形器在各種RF參數(shù)的響應(yīng)，如中心頻率、相位位移、增益工作點，以及剩余振幅和相位誤差。

完成初版模型的驗證之后，我們與MathWorks的工程師合作來精進模型。以更有效率的方式來重新配置模型，將分散在幾個組件的減損和非線性歸到同一個位置（圖2）。


 
圖2 : BFIC發(fā)射器模塊（左）和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（右），包含可變相位位移和可變增益放大器組件。

這樣的歸類可以簡化模型，使模型更易于使用、更具運算效率。這種方式也有助于保護我們的智慧財產(chǎn)，因為重新建構(gòu)的模型看起來比起初始的版本，還更不像實際執(zhí)行的電路。

完整的FIC模型包含了發(fā)射器與接收器模塊（blocks）。接收器模塊反映了它與發(fā)射器的對應(yīng)關(guān)系，包含來自八根天線輸入，通過了低噪聲放大器、可變增益放大器和變相器的輸入訊號。

模擬5G毫米波設(shè)計
Otava的客戶使用我們的BFIC模型來透過多種方式評估他們的設(shè)計。舉例來說，他們不只可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)CW RF的性能特性，像是增益、IP3、噪聲指數(shù)，還可以使用我們提供的RF Measurement Testbench來運用5G NR波形（圖3）。


 
圖3 : RF量測測試平臺。

默認的調(diào)變訊號為100 MHz的OFDM訊號。這個模擬送回一些關(guān)鍵的參數(shù)，讓無線電設(shè)計人員可以檢查是否符合3GPP標準，例如集成輸出功率等級（integrated output power level）、ACLR、誤差向量幅度（error vector magnitude；EVM）、和星座圖（圖4）。

 
圖4 : 一個標準100 MHz OFDM訊號的單一信道ACLR圖表和EVM。

我們也提供測試平臺來進行TX或RX BFIC模型和天線數(shù)組模型的協(xié)同仿真。用戶可以從這些范例開始，檢視配置了波束成形器的天線設(shè)計表現(xiàn)如何，檢驗天線放射型態(tài)、旁波瓣（sidelobe）或無效值等級，以及目標波束方向和各種操作條件下的有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power；EIRP）（圖5）。

這個天線分析測試平臺透過天線工具箱（Antenna Toolbox）執(zhí)行一個偶極數(shù)組或圓形貼片天線（circular patch antennas）來仿真極指向性型態(tài)（polar directivity patterns），以及計算表現(xiàn)其與RF中心頻率和波束方向之間的關(guān)系的EIRP函式。使用者也可以變更測試平臺來加入他們自己使用MATLAB Antenna Designer app產(chǎn)生的客制天線設(shè)計，或是S參數(shù)數(shù)據(jù)和從EM仿真工具取得的方向性輪廓。


 
圖5 : 包含BFIC發(fā)射器模塊和偶極天線數(shù)組的Simulink模型，也附上仿真的極指向性型態(tài)和EIRP（右）。

計劃中的改善
當目前供應(yīng)的OTBF103模型對于各種RF訊號鏈分析的支持已相當完整，我們計劃依據(jù)裝置現(xiàn)有和未來的能力來改善后續(xù)的版本。其中一項列入考慮的改良是增添多重偏差控制（multi-bias control）。加入偏差控制可幫助工程師評估他們的系統(tǒng)在功率等級下降的情況下會如何表現(xiàn)。

功率消耗已成為4G蜂巢式無線電的一個重要設(shè)計參數(shù)—在多通道的5G蜂巢式基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備尤其更是。了解在較低流量負荷時如何使用裝置可以節(jié)省電力至為關(guān)鍵，捕捉這一方面的裝置行為對模型相當重要。我們也計劃要重復(fù)使用現(xiàn)有模型，將模型改寫后，讓它能夠反映正在開發(fā)中的波束成形器ICs行為。

短期之內(nèi)，我們即將推出一個連接了兩個MIMO系統(tǒng)的端到端空中（over-the-air）分析測試平臺。這個測試平臺將會是我們天線數(shù)組測試平臺的延伸，可以幫助建立帶有波束成形功能的完整無線電連接的模型。這樣的設(shè)置考慮到任何客制的路徑損耗（path loss），并且內(nèi)含支持訊號預(yù)算分析的TX-to-RX波束校準（beam alignment）函式。

（本文由鈦思科技提供；作者Cecile Masse任職于Otava公司）