基于RS矢量源及信號(hào)分析儀的無線系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

在民用和軍用領(lǐng)域，隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，新器件、新工藝、新產(chǎn)品層出不窮，也使得新的通信系統(tǒng)越來越復(fù)雜。為了保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，同時(shí)縮短相應(yīng)的設(shè)計(jì) 周期，需要在設(shè)計(jì)初期就開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的仿真和驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)于各個(gè)階段完成的不同模塊也要進(jìn)行分別的仿真和測(cè)試。雖然各類大型的EDA軟件相繼成熟， 針對(duì)不同的領(lǐng)域都有不同的專業(yè)軟件，為完成設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持。但是，由于缺少實(shí)際的被測(cè)系統(tǒng)，在系統(tǒng)仿真和模塊仿真階段如何進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證一直是困擾 設(shè)計(jì)人員的主要問題。因此從設(shè)計(jì)初期開始就有必要引入相應(yīng)的測(cè)試功能，這也是整個(gè)無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　基于羅德與施瓦茨(RS)公司的矢量源和信號(hào)分析儀可以充分利用仿真設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建無線系統(tǒng)的通用仿真平臺(tái)，完成從天線設(shè)計(jì)、 射頻電路與系統(tǒng)仿真、頻率合成仿真、基帶信號(hào)處理等全系統(tǒng)仿真任務(wù)。同時(shí)利用儀表測(cè)試的準(zhǔn)確性，在設(shè)計(jì)的不同階段，對(duì)于從天線到射頻到基帶、從模擬到射頻 的系統(tǒng)和模塊進(jìn)行測(cè)試，以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足研發(fā)和測(cè)試人員的多方面需求。

　　無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

　　在整個(gè)無線通信系統(tǒng)的研發(fā)中，我們采用自上而下的方式。第一步是系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行論證和分析，對(duì)系統(tǒng)要完成什么樣的功能，達(dá)到什么樣的性 能指標(biāo)，哪些功能用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，哪些功能用軟件實(shí)現(xiàn)做好規(guī)劃。第二步是電路級(jí)設(shè)計(jì)，也可稱為子系統(tǒng)設(shè)計(jì)：在此會(huì)把整個(gè)系統(tǒng)分為幾個(gè)有機(jī)的模塊，對(duì)分模 塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，如果有的模塊仍然比較復(fù)雜，還可對(duì)該模塊進(jìn)行細(xì)分。模塊設(shè)計(jì)完成以后，第三步是產(chǎn)品的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)：對(duì)模塊和子 系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，并盡早引入測(cè)試儀表以保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。第四步是產(chǎn)品的集成和驗(yàn)證：在保證模塊和子系統(tǒng)準(zhǔn)確性的前提下，完成系統(tǒng)集成和總體測(cè)試，觀察 是否完成預(yù)期的目標(biāo)；如果仿真出現(xiàn)問題，就需要重復(fù)修改設(shè)計(jì)，直至通過。最后，在形成產(chǎn)品之前，進(jìn)行必要的設(shè)備批準(zhǔn)和生產(chǎn)，以此完成產(chǎn)品的開發(fā)過程(圖 1)。

　　從系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程可以看出，為了節(jié)省設(shè)計(jì)周期，應(yīng)該盡早的引入測(cè)試環(huán)節(jié)，這樣可以保證整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖1：自上而下的設(shè)計(jì)流程框圖。

　　仿真系統(tǒng)

　　對(duì)于雷達(dá)和通信等無線系統(tǒng)，按其功能通?？煞譃閹讉€(gè)部分：反饋部分、射頻收發(fā)部分、頻率源部分、基帶信號(hào)處理部分，其中基帶處理部分又包括信源 編解碼、信道編解碼、交織解交織、擴(kuò)頻解擴(kuò)、調(diào)制解調(diào)、信道均衡和加密解密等。軟件無線電的概念提出來以后，所有的基帶處理都可以在通用的DSP和大規(guī)模 可編程邏輯器件上實(shí)現(xiàn)。但是，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，必須確定系統(tǒng)的各類參數(shù)和工作模式，軟件算法實(shí)現(xiàn)的可行性，因此有必要進(jìn)行系統(tǒng)各模塊的仿真和全系統(tǒng)仿真。 現(xiàn)在市面上的EDA設(shè)計(jì)軟件中，AWR的MWO(Microwave Office)和VSS(Visual System Simulator)作為功能強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)軟件，可以用于當(dāng)今多種復(fù)雜無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真，而且由于其易用性受到了較多的青睞。

　　MWO設(shè)計(jì)套件提供業(yè)界最強(qiáng)大、最靈活的射頻/微波設(shè)計(jì)環(huán)境。MWO采用獨(dú)一無二的AWR高頻設(shè)計(jì)平臺(tái)，結(jié)合開放式設(shè)計(jì)環(huán)境和先進(jìn)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模 型，實(shí)現(xiàn)了前所未有的開放性和交互性，不僅便于使用，還能順應(yīng)設(shè)計(jì)過程中每個(gè)階段的需要來整合業(yè)界最佳工具。面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一資料庫(kù)與電路圖、模擬資料和布 局資料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同步，提供設(shè)計(jì)人員所需的一切資料。一個(gè)方案的從構(gòu)思經(jīng)仿真直接進(jìn)入實(shí)際操作，全部都在一個(gè)平臺(tái)即可完成。該產(chǎn)品的最新版本將繼續(xù)協(xié)助微波 設(shè)計(jì)人員提高工作效率、縮短設(shè)計(jì)周期，并加快射頻/微波產(chǎn)品上市。AWR的VSS是一套功能完備、用于設(shè)計(jì)完整的端對(duì)端通信系統(tǒng)的套件。VSS不僅可以用 于系統(tǒng)級(jí)的各種通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以對(duì)系統(tǒng)中采用MWO、Matlab、C＋＋完成的各個(gè)模塊進(jìn)行分析和調(diào)用。利用VSS的獨(dú)特功能，設(shè)計(jì)人員能夠針 對(duì)當(dāng)今復(fù)雜通信設(shè)計(jì)的每一個(gè)基礎(chǔ)元件，設(shè)計(jì)出正確的系統(tǒng)架構(gòu)并確定適當(dāng)?shù)囊?guī)格(圖2)。

圖2：基于MWO和VSS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

　　測(cè)試系統(tǒng)

　　對(duì)于整個(gè)無線系統(tǒng)而言，在完成最初的仿真后，為了保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，我們需要對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行驗(yàn)證。無論從基帶和射頻的角度，還是從模擬到數(shù) 字的角度來看：現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)需要相應(yīng)的接口以完成不同模塊、不同階段的測(cè)試。除此之外，由于現(xiàn)有的被測(cè)系統(tǒng)具有的多樣性特點(diǎn)，測(cè)試系統(tǒng)提供的接口需要盡 可能地靈活以滿足不同的被測(cè)設(shè)備。RS公司的矢量源和信號(hào)分析儀可以提供從基帶到射頻、從模擬到數(shù)字、從單端到差分、以及從輸入到輸出的多種接 口以滿足設(shè)計(jì)和測(cè)試的多方面需求。

　　RS的矢量源從SMU200A到SMBV，都可以通過實(shí)時(shí)或者ARB的方式產(chǎn)生所需的測(cè)試數(shù)據(jù)，同時(shí)SMU獨(dú)特的雙通道設(shè)計(jì)理念和內(nèi) 置衰落模擬器功能可以方便的進(jìn)行不同的配置以滿足不同的測(cè)試需求。另外所有矢量源提供的基帶、射頻接口可以對(duì)無線系統(tǒng)中的不同鏈路模塊進(jìn)行測(cè)試；而基帶部 分(包括基帶源AMU及AFQ系列)提供的基帶模擬和數(shù)字IQ輸入、輸出接口又可以滿足不同被測(cè)器件的需求。RS的信號(hào)分析儀從FSQ到FSV 系列，也可以直接分析從基帶到射頻的輸入信號(hào)，通過解調(diào)選件、矢量分析選件或內(nèi)置的移動(dòng)通信選件完成對(duì)不同設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)分析。另外，F(xiàn)Sx系列提供的模 擬和數(shù)字IQ輸入輸出接口，不但可以對(duì)不同的模塊進(jìn)行分別測(cè)試，還可以完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集功能，以方便在后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(圖3)。

圖3：矢量源SMU及信號(hào)分析儀FSQ。

　　除此之外，對(duì)于基帶仿真及測(cè)試所需的數(shù)字接口，由于標(biāo)準(zhǔn)和使用器件的差異性，需要滿足不同速率、不同接口形式、不同電平形式的數(shù)字接口。 RS提供的EX-IQ Box可以將不同的邏輯電平形式、不同的速率、不同的接口形式轉(zhuǎn)換為RS統(tǒng)一的TVR290接口，并且支持矢量源和信號(hào)分析儀的數(shù)字IQ輸入和 輸出，可以方便地和被測(cè)設(shè)備進(jìn)行連接。此外，對(duì)于最新版本的EX-IQ Box，也可以支持OBSAI和CPRI接口(圖4)。

　圖4：應(yīng)用于矢量源及信號(hào)分析儀的EX-IQ Box接口。

　　基于矢量源與信號(hào)分析儀的仿真及設(shè)計(jì)方案

　　如前所述，為了節(jié)省整個(gè)設(shè)計(jì)周期并且盡可能的保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，我們需要將仿真、設(shè)計(jì)和測(cè)試系統(tǒng)聯(lián)系起來，以達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。對(duì)應(yīng)仿真系統(tǒng) 而言，它主要通過軟件進(jìn)行分析，而被測(cè)系統(tǒng)往往都是硬件設(shè)備。因此，在設(shè)計(jì)中需要將軟件和硬件有機(jī)的結(jié)合起來完成相應(yīng)的工作。而我們的測(cè)試系統(tǒng)恰恰可以作 為整個(gè)軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)連接的橋梁，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。測(cè)試系統(tǒng)及仿真系統(tǒng)的連接，可以通過GPIB或LAN口實(shí)現(xiàn)(圖5)。

圖5：基于RS矢量源、信號(hào)分析儀以及VSS仿真軟件的仿真及設(shè)計(jì)方案框圖。

　　AWR公司的TestWave軟件將測(cè)試測(cè)量(TM)設(shè)備與通信系統(tǒng)和射頻/微波電路仿真軟件相整合。結(jié)合MWO和VSS仿真軟 件，TestWave為無線系統(tǒng)和射頻/微波電路設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)全面整合的設(shè)計(jì)流程，它將電路圖仿真、測(cè)試信號(hào)生成與測(cè)試測(cè)量驗(yàn)證合而為一。這些功能 讓設(shè)計(jì)人員能利用半實(shí)物仿真進(jìn)行計(jì)算機(jī)比較研究。在同一環(huán)境將這兩個(gè)以前脫鉤的開發(fā)階段整合，將能夠節(jié)省寶貴時(shí)間。其功能特色主要在于：連接VSS和 MWO與外部測(cè)試測(cè)量設(shè)備、 全面整合設(shè)計(jì)流程，最終達(dá)到節(jié)省時(shí)間、加快產(chǎn)品上市的目的。

　　仿真及測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用

　　從設(shè)計(jì)的角度來看，最初我們可以完成從仿真系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的模擬(圖6)；也可以完成從硬件系統(tǒng)到仿真系統(tǒng)的模擬(圖7)。從仿真系統(tǒng)到硬件意 味著：首先可以通過仿真軟件建立我們需要的波形文件，然后通過ARB的方式傳送至矢量源，通過其不同的接口完成相應(yīng)模塊測(cè)試；從硬件系統(tǒng)到仿真軟件意味 著：將被測(cè)的硬件設(shè)備直接和我們的信號(hào)分析設(shè)備相連，通過不同的接口在儀表內(nèi)做相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，然后發(fā)送至仿真軟件進(jìn)行模擬測(cè)試。這也是我們?cè)谡麄€(gè)仿真及 測(cè)試系統(tǒng)里的基本應(yīng)用。

圖6：從仿真系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的模擬。

圖7：從硬件系統(tǒng)到仿真系統(tǒng)的模擬。

　　當(dāng)然，在仿真和設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，也可以把硬件系統(tǒng)作為仿真環(huán)節(jié)的一部分進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)路模擬仿真(圖8)。首先通過仿真軟件得到測(cè)試波形，發(fā)送至矢量 源作為被測(cè)設(shè)備的激勵(lì)源，信號(hào)分析儀采集被測(cè)設(shè)備的輸出信號(hào)后傳送至仿真軟件進(jìn)行分析。基于這樣的應(yīng)用，可以將被測(cè)硬件設(shè)備作為整個(gè)仿真系統(tǒng)的一部分。

　圖8：硬件系統(tǒng)作為仿真環(huán)節(jié)的一部分。

　　除此之外，還可以把仿真系統(tǒng)作為硬件鏈路的一部分，進(jìn)行相應(yīng)的硬件系統(tǒng)測(cè)試(圖9)。仿真軟件將信號(hào)分析儀的數(shù)據(jù)采集完以后，在軟件內(nèi)完成相應(yīng)的運(yùn)算，實(shí)時(shí)修改相應(yīng)的預(yù)失真算法并發(fā)送至矢量源作為被測(cè)設(shè)備的激勵(lì)源，以此不斷完成相應(yīng)的測(cè)試任務(wù)，并進(jìn)行相應(yīng)的算法開發(fā)。

圖9：仿真系統(tǒng)作為硬件鏈路的一部分，線性預(yù)失真測(cè)試系統(tǒng)。

　　集成RS信號(hào)產(chǎn)生方案的仿真及設(shè)計(jì)系統(tǒng)

　　在整個(gè)無線系統(tǒng)的仿真和設(shè)計(jì)中，VSS為研發(fā)和測(cè)試人員提供了從最底層到系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)方案，可以發(fā)揮設(shè)計(jì)人員最大的自主性。例如，基帶設(shè)計(jì)工程 師可以利用此結(jié)構(gòu)一直深入到信號(hào)的各個(gè)層面，甚至自己定制或修改信號(hào)。為加快相應(yīng)的設(shè)計(jì)，VSS集成了RS公司的WinIQSim2信號(hào)產(chǎn)生軟 件，可以方便地產(chǎn)生完全符合通信標(biāo)準(zhǔn)的各種復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制信號(hào)，如GSM、WCDMA、Wimax、LTE等。射頻工程師則不需要深入信號(hào)的細(xì)節(jié)，就能設(shè) 置各種參數(shù)如信號(hào)功率、調(diào)制以及進(jìn)行相應(yīng)的物理層參數(shù)設(shè)置。這樣，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到模塊設(shè)計(jì)，從基帶設(shè)計(jì)工程師到射頻設(shè)計(jì)工程師都可以根據(jù)自己的需要選擇適合 自己的設(shè)計(jì)方法，完成從仿真到設(shè)計(jì)再到測(cè)試的各個(gè)階段工作(圖10)。

圖10：集成RS公司W(wǎng)inIQSim2的信號(hào)產(chǎn)生方案。

　　仿真及設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)例

　　在此，我們分別給出基于矢量源及信號(hào)分析儀的軍用FMCW系統(tǒng)及民用LTE無線系統(tǒng)的仿真及設(shè)計(jì)方案。

　　1. 基于矢量源和VSS的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)

　　如圖11所示，整個(gè)仿真系統(tǒng)包括收發(fā)兩部分，其中為了進(jìn)行階段測(cè)試，由VSS設(shè)計(jì)生成的FMCW信號(hào)除利用在仿真系統(tǒng)外，還可以直接傳送至矢量源，從矢量源的射頻直接輸出，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)模塊進(jìn)行驗(yàn)證。

圖11：基于矢量源和VSS的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)。

　　圖12所示為FMCW系統(tǒng)仿真結(jié)果，除FMCW信號(hào)源的時(shí)域、頻域外，也給出了接收機(jī)的中頻輸出的功率譜。通過仿真結(jié)果可以對(duì)我們的設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)指導(dǎo)。

　圖12：基于VSS的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

　　2. 基于RS矢量源、信號(hào)分析儀以及VSS的LTE測(cè)試系統(tǒng)

　　如圖13所示，LTE測(cè)試系統(tǒng)中包含接收和發(fā)射兩部分。在VSS系統(tǒng)中，根據(jù)LTE的標(biāo)準(zhǔn)生成LTE測(cè)試信號(hào)，作為我們被測(cè)設(shè)備的激勵(lì)源。信號(hào)分析儀采集被測(cè)設(shè)備的輸出，傳送至我們的仿真系統(tǒng)，并行相應(yīng)的結(jié)果分析。

圖13：基于RS矢量源、信號(hào)分析儀以及VSS的LTE測(cè)試系統(tǒng)。

　　圖14所示為被測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)果，可以得到被測(cè)系統(tǒng)的EVM及IQ星座圖。除此之外，我們也可以從上至下看到LTE測(cè)試系統(tǒng)中的收發(fā)模塊設(shè)計(jì)。

　圖14：基于RS矢量源、信號(hào)分析儀以及VSS仿真軟件的LTE測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。

　　本文小結(jié)