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基于R&S矢量源及信号分析仪的无线系统仿真及设计方案

2015-07-21 10:11:41

[导读] 在民用和军用领域,随着无线通信系统的发展,新器件、新工艺、新产品层出不穷,也使得新的通信系统越来越复杂。为了保证设计的准确性,同时缩短相应的设计周期,需要在设计初期就开始对系统进行相应的仿真和验证,同时对于各个阶段完成的不同模块也要进行分别的仿真和测试。

在民用和军用领域,随着无线通信系统的发展,新器件、新工艺、新产品层出不穷,也使得新的通信系统越来越复杂。为了保证设计的准确性,同时缩短相应的设计周期,需要在设计初期就开始对系统进行相应的仿真和验证,同时对于各个阶段完成的不同模块也要进行分别的仿真和测试。虽然各类大型的EDA软件相继成熟,针对不同的领域都有不同的专业软件,为完成设计提供了强大的支持。但是,由于缺少实际的被测系统,在系统仿真和模块仿真阶段如何进行相应的验证一直是困扰设计人员的主要问题。因此从设计初期开始就有必要引入相应的测试功能,这也是整个无线系统设计的重点和难点。

基于罗德与施瓦茨(R&S)公司的矢量源和信号分析仪可以充分利用仿真设计软件的优势,构建无线系统的通用仿真平台,完成从天线设计、射频电路与系统仿真、频率合成仿真、基带信号处理等全系统仿真任务。同时利用仪表测试的准确性,在设计的不同阶段,对于从天线到射频到基带、从模拟到射频的系统和模块进行测试,以优化系统设计,满足研发和测试人员的多方面需求。

无线系统设计流程

在整个无线通信系统的研发中,我们采用自上而下的方式。第一步是系统级设计:对系统进行论证和分析,对系统要完成什么样的功能,达到什么样的性能指标,哪些功能用硬件电路来实现,哪些功能用软件实现做好规划。第二步是电路级设计,也可称为子系统设计:在此会把整个系统分为几个有机的模块,对分模块进行设计,针对每一个模块进行精心设计,如果有的模块仍然比较复杂,还可对该模块进行细分。模块设计完成以后,第三步是产品的硬件系统设计:对模块和子系统进行相应设计,并尽早引入测试仪表以保证设计的准确性。第四步是产品的集成和验证:在保证模块和子系统准确性的前提下,完成系统集成和总体测试,观察是否完成预期的目标;如果仿真出现问题,就需要重复修改设计,直至通过。最后,在形成产品之前,进行必要的设备批准和生产,以此完成产品的开发过程(图 1)。

从系统设计流程可以看出,为了节省设计周期,应该尽早的引入测试环节,这样可以保证整个系统的准确性。

 


图1:自上而下的设计流程框图。

仿真系统

对于雷达和通信等无线系统,按其功能通常可分为几个部分:反馈部分、射频收发部分、频率源部分、基带信号处理部分,其中基带处理部分又包括信源编解码、信道编解码、交织解交织、扩频解扩、调制解调、信道均衡和加密解密等。软件无线电的概念提出来以后,所有的基带处理都可以在通用的DSP和大规模可编程逻辑器件上实现。但是,在系统设计之初,必须确定系统的各类参数和工作模式,软件算法实现的可行性,因此有必要进行系统各模块的仿真和全系统仿真。现在市面上的EDA设计软件中,AWR的MWO(Microwave Office)和VSS(Visual System Simulator)作为功能强大的仿真设计软件,可以用于当今多种复杂无线通信系统的设计和仿真,而且由于其易用性受到了较多的青睐。

MWO设计套件提供业界最强大、最灵活的射频/微波设计环境。MWO采用独一无二的AWR高频设计平台,结合开放式设计环境和先进的统一数据模型,实现了前所未有的开放性和交互性,不仅便于使用,还能顺应设计过程中每个阶段的需要来整合业界最佳工具。面向对象的统一资料库与电路图、模拟资料和布局资料实现自动同步,提供设计人员所需的一切资料。一个方案的从构思经仿真直接进入实际操作,全部都在一个平台即可完成。该产品的最新版本将继续协助微波设计人员提高工作效率、缩短设计周期,并加快射频/微波产品上市。AWR的VSS是一套功能完备、用于设计完整的端对端通信系统的套件。VSS不仅可以用于系统级的各种通信系统的结构设计,可以对系统中采用MWO、Matlab、C++完成的各个模块进行分析和调用。利用VSS的独特功能,设计人员能够针对当今复杂通信设计的每一个基础元件,设计出正确的系统架构并确定适当的规格(图2)。

 


图2:基于MWO和VSS的系统设计框图。

测试系统

对于整个无线系统而言,在完成最初的仿真后,为了保证设计的准确性,我们需要对各个设计阶段进行验证。无论从基带和射频的角度,还是从模拟到数字的角度来看:现有的测试系统需要相应的接口以完成不同模块、不同阶段的测试。除此之外,由于现有的被测系统具有的多样性特点,测试系统提供的接口需要尽可能地灵活以满足不同的被测设备。R&S公司的矢量源和信号分析仪可以提供从基带到射频、从模拟到数字、从单端到差分、以及从输入到输出的多种接口以满足设计和测试的多方面需求。

R&S的矢量源从SMU200A到SMBV,都可以通过实时或者ARB的方式产生所需的测试数据,同时SMU独特的双通道设计理念和内置衰落模拟器功能可以方便的进行不同的配置以满足不同的测试需求。另外所有矢量源提供的基带、射频接口可以对无线系统中的不同链路模块进行测试;而基带部分(包括基带源AMU及AFQ系列)提供的基带模拟和数字IQ输入、输出接口又可以满足不同被测器件的需求。R&S的信号分析仪从FSQ到FSV 系列,也可以直接分析从基带到射频的输入信号,通过解调选件、矢量分析选件或内置的移动通信选件完成对不同设计阶段的数据分析。另外,FSx系列提供的模拟和数字IQ输入输出接口,不但可以对不同的模块进行分别测试,还可以完成相应的数据采集功能,以方便在后续进行数据处理(图3)。

 


图3:矢量源SMU及信号分析仪FSQ。

除此之外,对于基带仿真及测试所需的数字接口,由于标准和使用器件的差异性,需要满足不同速率、不同接口形式、不同电平形式的数字接口。 R&S提供的EX-IQ Box可以将不同的逻辑电平形式、不同的速率、不同的接口形式转换为R&S统一的TVR290接口,并且支持矢量源和信号分析仪的数字IQ输入和输出,可以方便地和被测设备进行连接。此外,对于最新版本的EX-IQ Box,也可以支持OBSAI和CPRI接口(图4)。

 


图4:应用于矢量源及信号分析仪的EX-IQ Box接口。

基于矢量源与信号分析仪仿真及设计方案

如前所述,为了节省整个设计周期并且尽可能的保证设计的准确性,我们需要将仿真、设计和测试系统联系起来,以达到最佳的设计效果。对应仿真系统而言,它主要通过软件进行分析,而被测系统往往都是硬件设备。因此,在设计中需要将软件和硬件有机的结合起来完成相应的工作。而我们的测试系统恰恰可以作为整个软件系统和硬件系统连接的桥梁,达到优化设计的目的。测试系统及仿真系统的连接,可以通过GPIB或LAN口实现(图5)。

 


图5:基于R&S矢量源、信号分析仪以及VSS仿真软件的仿真及设计方案框图。

AWR公司的TestWave软件将测试测量(T&M)设备与通信系统和射频/微波电路仿真软件相整合。结合MWO和VSS仿真软件,TestWave为无线系统和射频/微波电路设计人员提供了一个全面整合的设计流程,它将电路图仿真、测试信号生成与测试测量验证合而为一。这些功能让设计人员能利用半实物仿真进行计算机比较研究。在同一环境将这两个以前脱钩的开发阶段整合,将能够节省宝贵时间。其功能特色主要在于:连接VSS和 MWO与外部测试测量设备、 全面整合设计流程,最终达到节省时间、加快产品上市的目的。

仿真及测试系统应用

从设计的角度来看,最初我们可以完成从仿真系统到硬件系统的模拟(图6);也可以完成从硬件系统到仿真系统的模拟(图7)。从仿真系统到硬件意味着:首先可以通过仿真软件建立我们需要的波形文件,然后通过ARB的方式传送至矢量源,通过其不同的接口完成相应模块测试;从硬件系统到仿真软件意味着:将被测的硬件设备直接和我们的信号分析设备相连,通过不同的接口在仪表内做相应的数据采集,然后发送至仿真软件进行模拟测试。这也是我们在整个仿真及测试系统里的基本应用。

 


图6:从仿真系统到硬件系统的模拟。

 


图7:从硬件系统到仿真系统的模拟。

当然,在仿真和设计系统中,也可以把硬件系统作为仿真环节的一部分进行相应的环路模拟仿真(图8)。首先通过仿真软件得到测试波形,发送至矢量源作为被测设备的激励源,信号分析仪采集被测设备的输出信号后传送至仿真软件进行分析。基于这样的应用,可以将被测硬件设备作为整个仿真系统的一部分。

 


图8:硬件系统作为仿真环节的一部分。

除此之外,还可以把仿真系统作为硬件链路的一部分,进行相应的硬件系统测试(图9)。仿真软件将信号分析仪的数据采集完以后,在软件内完成相应的运算,实时修改相应的预失真算法并发送至矢量源作为被测设备的激励源,以此不断完成相应的测试任务,并进行相应的算法开发。

 


图9:仿真系统作为硬件链路的一部分,线性预失真测试系统。

集成R&S信号产生方案的仿真及设计系统

在整个无线系统的仿真和设计中,VSS为研发和测试人员提供了从最底层到系统级的设计方案,可以发挥设计人员最大的自主性。例如,基带设计工程师可以利用此结构一直深入到信号的各个层面,甚至自己定制或修改信号。为加快相应的设计,VSS集成了R&S公司的WiNIQSim2信号产生软件,可以方便地产生完全符合通信标准的各种复杂的数字调制信号,如GSM、WCDMA、Wimax、LTE等。射频工程师则不需要深入信号的细节,就能设置各种参数如信号功率、调制以及进行相应的物理层参数设置。这样,从系统设计到模块设计,从基带设计工程师到射频设计工程师都可以根据自己的需要选择适合自己的设计方法,完成从仿真到设计再到测试的各个阶段工作(图10)。

 


图10:集成R&S公司WinIQSim2的信号产生方案。

仿真及设计系统实例

在此,我们分别给出基于矢量源及信号分析仪的军用FMCW系统及民用LTE无线系统的仿真及设计方案。

1. 基于矢量源和VSS的FMCW雷达系统

如图11所示,整个仿真系统包括收发两部分,其中为了进行阶段测试,由VSS设计生成的FMCW信号除利用在仿真系统外,还可以直接传送至矢量源,从矢量源的射频直接输出,进而对系统模块进行验证。

 


图11:基于矢量源和VSS的FMCW雷达系统。

图12所示为FMCW系统仿真结果,除FMCW信号源的时域、频域外,也给出了接收机的中频输出的功率谱。通过仿真结果可以对我们的设计系统进行相应指导。

 


图12:基于VSS的FMCW雷达系统的仿真结果。

2. 基于R&S矢量源、信号分析仪以及VSS的LTE测试系统

如图13所示,LTE测试系统中包含接收和发射两部分。在VSS系统中,根据LTE的标准生成LTE测试信号,作为我们被测设备的激励源。信号分析仪采集被测设备的输出,传送至我们的仿真系统,并行相应的结果分析。

 


图13:基于R&S矢量源、信号分析仪以及VSS的LTE测试系统。

图14所示为被测系统的实测结果,可以得到被测系统的EVM及IQ星座图。除此之外,我们也可以从上至下看到LTE测试系统中的收发模块设计。

 


图14:基于R&S矢量源、信号分析仪以及VSS仿真软件的LTE测试系统的测试结果。

本文小结

在目前的无线通信系统设计中,需要对从开始阶段引入测试以保证设计的准确性。本文从设计流程的角度讨论了仿真系统及测试系统在整个研发生产中的作用。 R&S公司的测试仪表以及AWR公司的仿真软件可以很好的将仿真、设计及测试融为一体,方便的在设计、研发、生产、测试各个阶段满足客户的不同需求。从设计实例可以看出,R&S的矢量源及信号分析仪在VSS仿真系统的帮助下,可以广泛应用于各种军用、民用的无线通信系统设计中,为研发设计提供指导性帮助。

[整理编辑:中国测控网]
标签:  信号分析仪[16]    无线通信[5]    仿真[64]
 
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