基于RS矢量源及信號分析儀的無線系統(tǒng)仿真設計

在民用和軍用領域，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)越來越復雜。為了保證設計的準確性，同時縮短相應的設計 周期，需要在設計初期就開始對系統(tǒng)進行相應的仿真和驗證，同時對于各個階段完成的不同模塊也要進行分別的仿真和測試。雖然各類大型的EDA軟件相繼成熟， 針對不同的領域都有不同的專業(yè)軟件，為完成設計提供了強大的支持。但是，由于缺少實際的被測系統(tǒng)，在系統(tǒng)仿真和模塊仿真階段如何進行相應的驗證一直是困擾 設計人員的主要問題。因此從設計初期開始就有必要引入相應的測試功能，這也是整個無線系統(tǒng)設計的重點和難點。

　　基于羅德與施瓦茨(RS)公司的矢量源和信號分析儀可以充分利用仿真設計軟件的優(yōu)勢，構建無線系統(tǒng)的通用仿真平臺，完成從天線設計、 射頻電路與系統(tǒng)仿真、頻率合成仿真、基帶信號處理等全系統(tǒng)仿真任務。同時利用儀表測試的準確性，在設計的不同階段，對于從天線到射頻到基帶、從模擬到射頻 的系統(tǒng)和模塊進行測試，以優(yōu)化系統(tǒng)設計，滿足研發(fā)和測試人員的多方面需求。

　　無線系統(tǒng)設計流程

　　在整個無線通信系統(tǒng)的研發(fā)中，我們采用自上而下的方式。第一步是系統(tǒng)級設計：對系統(tǒng)進行論證和分析，對系統(tǒng)要完成什么樣的功能，達到什么樣的性 能指標，哪些功能用硬件電路來實現(xiàn)，哪些功能用軟件實現(xiàn)做好規(guī)劃。第二步是電路級設計，也可稱為子系統(tǒng)設計：在此會把整個系統(tǒng)分為幾個有機的模塊，對分模 塊進行設計，針對每一個模塊進行精心設計，如果有的模塊仍然比較復雜，還可對該模塊進行細分。模塊設計完成以后，第三步是產(chǎn)品的硬件系統(tǒng)設計：對模塊和子 系統(tǒng)進行相應設計，并盡早引入測試儀表以保證設計的準確性。第四步是產(chǎn)品的集成和驗證：在保證模塊和子系統(tǒng)準確性的前提下，完成系統(tǒng)集成和總體測試，觀察 是否完成預期的目標；如果仿真出現(xiàn)問題，就需要重復修改設計，直至通過。最后，在形成產(chǎn)品之前，進行必要的設備批準和生產(chǎn)，以此完成產(chǎn)品的開發(fā)過程(圖 1)。

　　從系統(tǒng)設計流程可以看出，為了節(jié)省設計周期，應該盡早的引入測試環(huán)節(jié)，這樣可以保證整個系統(tǒng)的準確性。

圖1：自上而下的設計流程框圖。

　　仿真系統(tǒng)

　　對于雷達和通信等無線系統(tǒng)，按其功能通?？煞譃閹讉€部分：反饋部分、射頻收發(fā)部分、頻率源部分、基帶信號處理部分，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、擴頻解擴、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現(xiàn)。但是，在系統(tǒng)設計之初，必須確定系統(tǒng)的各類參數(shù)和工作模式，軟件算法實現(xiàn)的可行性，因此有必要進行系統(tǒng)各模塊的仿真和全系統(tǒng)仿真。 現(xiàn)在市面上的EDA設計軟件中，AWR的MWO(Microwave Office)和VSS(Visual System Simulator)作為功能強大的仿真設計軟件，可以用于當今多種復雜無線通信系統(tǒng)的設計和仿真，而且由于其易用性受到了較多的青睞。

　　MWO設計套件提供業(yè)界最強大、最靈活的射頻/微波設計環(huán)境。MWO采用獨一無二的AWR高頻設計平臺，結合開放式設計環(huán)境和先進的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模 型，實現(xiàn)了前所未有的開放性和交互性，不僅便于使用，還能順應設計過程中每個階段的需要來整合業(yè)界最佳工具。面向對象的統(tǒng)一資料庫與電路圖、模擬資料和布 局資料實現(xiàn)自動同步，提供設計人員所需的一切資料。一個方案的從構思經(jīng)仿真直接進入實際操作，全部都在一個平臺即可完成。該產(chǎn)品的最新版本將繼續(xù)協(xié)助微波 設計人員提高工作效率、縮短設計周期，并加快射頻/微波產(chǎn)品上市。AWR的VSS是一套功能完備、用于設計完整的端對端通信系統(tǒng)的套件。VSS不僅可以用 于系統(tǒng)級的各種通信系統(tǒng)的結構設計，可以對系統(tǒng)中采用MWO、Matlab、C＋＋完成的各個模塊進行分析和調(diào)用。利用VSS的獨特功能，設計人員能夠針 對當今復雜通信設計的每一個基礎元件，設計出正確的系統(tǒng)架構并確定適當?shù)囊?guī)格(圖2)。

圖2：基于MWO和VSS的系統(tǒng)設計框圖。

　　測試系統(tǒng)

　　對于整個無線系統(tǒng)而言，在完成最初的仿真后，為了保證設計的準確性，我們需要對各個設計階段進行驗證。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)有的測試系統(tǒng)需要相應的接口以完成不同模塊、不同階段的測試。除此之外，由于現(xiàn)有的被測系統(tǒng)具有的多樣性特點，測試系統(tǒng)提供的接口需要盡 可能地靈活以滿足不同的被測設備。RS公司的矢量源和信號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 口以滿足設計和測試的多方面需求。

　　RS的矢量源從SMU200A到SMBV，都可以通過實時或者ARB的方式產(chǎn)生所需的測試數(shù)據(jù)，同時SMU獨特的雙通道設計理念和內(nèi) 置衰落模擬器功能可以方便的進行不同的配置以滿足不同的測試需求。另外所有矢量源提供的基帶、射頻接口可以對無線系統(tǒng)中的不同鏈路模塊進行測試；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器件的需求。RS的信號分析儀從FSQ到FSV 系列，也可以直接分析從基帶到射頻的輸入信號，通過解調(diào)選件、矢量分析選件或內(nèi)置的移動通信選件完成對不同設計階段的數(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，不但可以對不同的模塊進行分別測試，還可以完成相應的數(shù)據(jù)采集功能，以方便在后續(xù)進行數(shù)據(jù)處理(圖3)。

圖3：矢量源SMU及信號分析儀FSQ。

　　除此之外，對于基帶仿真及測試所需的數(shù)字接口，由于標準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、不同的接口形式轉換為RS統(tǒng)一的TVR290接口，并且支持矢量源和信號分析儀的數(shù)字IQ輸入和 輸出，可以方便地和被測設備進行連接。此外，對于最新版本的EX-IQ Box，也可以支持OBSAI和CPRI接口(圖4)。

　圖4：應用于矢量源及信號分析儀的EX-IQ Box接口。

　　基于矢量源與信號分析儀的仿真及設計方案

　　如前所述，為了節(jié)省整個設計周期并且盡可能的保證設計的準確性，我們需要將仿真、設計和測試系統(tǒng)聯(lián)系起來，以達到最佳的設計效果。對應仿真系統(tǒng) 而言，它主要通過軟件進行分析，而被測系統(tǒng)往往都是硬件設備。因此，在設計中需要將軟件和硬件有機的結合起來完成相應的工作。而我們的測試系統(tǒng)恰恰可以作 為整個軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)連接的橋梁，達到優(yōu)化設計的目的。測試系統(tǒng)及仿真系統(tǒng)的連接，可以通過GPIB或LAN口實現(xiàn)(圖5)。

圖5：基于RS矢量源、信號分析儀以及VSS仿真軟件的仿真及設計方案框圖。

　　AWR公司的TestWave軟件將測試測量(TM)設備與通信系統(tǒng)和射頻/微波電路仿真軟件相整合。結合MWO和VSS仿真軟 件，TestWave為無線系統(tǒng)和射頻/微波電路設計人員提供了一個全面整合的設計流程，它將電路圖仿真、測試信號生成與測試測量驗證合而為一。這些功能 讓設計人員能利用半實物仿真進行計算機比較研究。在同一環(huán)境將這兩個以前脫鉤的開發(fā)階段整合，將能夠節(jié)省寶貴時間。其功能特色主要在于：連接VSS和 MWO與外部測試測量設備、 全面整合設計流程，最終達到節(jié)省時間、加快產(chǎn)品上市的目的。

　　仿真及測試系統(tǒng)應用

　　從設計的角度來看，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模塊測試；從硬件系統(tǒng)到仿真軟件意味 著：將被測的硬件設備直接和我們的信號分析設備相連，通過不同的接口在儀表內(nèi)做相應的數(shù)據(jù)采集，然后發(fā)送至仿真軟件進行模擬測試。這也是我們在整個仿真及 測試系統(tǒng)里的基本應用。

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。

　　當然，在仿真和設計系統(tǒng)中，也可以把硬件系統(tǒng)作為仿真環(huán)節(jié)的一部分進行相應的環(huán)路模擬仿真(圖8)。首先通過仿真軟件得到測試波形，發(fā)送至矢量 源作為被測設備的激勵源，信號分析儀采集被測設備的輸出信號后傳送至仿真軟件進行分析。基于這樣的應用，可以將被測硬件設備作為整個仿真系統(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，進行相應的硬件系統(tǒng)測試(圖9)。仿真軟件將信號分析儀的數(shù)據(jù)采集完以后，在軟件內(nèi)完成相應的運算，實時修改相應的預失真算法并發(fā)送至矢量源作為被測設備的激勵源，以此不斷完成相應的測試任務，并進行相應的算法開發(fā)。

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

　　集成RS信號產(chǎn)生方案的仿真及設計系統(tǒng)

　　在整個無線系統(tǒng)的仿真和設計中，VSS為研發(fā)和測試人員提供了從最底層到系統(tǒng)級的設計方案，可以發(fā)揮設計人員最大的自主性。例如，基帶設計工程 師可以利用此結構一直深入到信號的各個層面，甚至自己定制或修改信號。為加快相應的設計，VSS集成了RS公司的WinIQSim2信號產(chǎn)生軟 件，可以方便地產(chǎn)生完全符合通信標準的各種復雜的數(shù)字調(diào)制信號，如GSM、WCDMA、Wimax、LTE等。射頻工程師則不需要深入信號的細節(jié)，就能設 置各種參數(shù)如信號功率、調(diào)制以及進行相應的物理層參數(shù)設置。這樣，從系統(tǒng)設計到模塊設計，從基帶設計工程師到射頻設計工程師都可以根據(jù)自己的需要選擇適合 自己的設計方法，完成從仿真到設計再到測試的各個階段工作(圖10)。

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

　　仿真及設計系統(tǒng)實例

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

　　1. 基于矢量源和VSS的FMCW雷達系統(tǒng)

　　如圖11所示，整個仿真系統(tǒng)包括收發(fā)兩部分，其中為了進行階段測試，由VSS設計生成的FMCW信號除利用在仿真系統(tǒng)外，還可以直接傳送至矢量源，從矢量源的射頻直接輸出，進而對系統(tǒng)模塊進行驗證。

圖11：基于矢量源和VSS的FMCW雷達系統(tǒng)。

　　圖12所示為FMCW系統(tǒng)仿真結果，除FMCW信號源的時域、頻域外，也給出了接收機的中頻輸出的功率譜。通過仿真結果可以對我們的設計系統(tǒng)進行相應指導。

　圖12：基于VSS的FMCW雷達系統(tǒng)的仿真結果。

　　2. 基于RS矢量源、信號分析儀以及VSS的LTE測試系統(tǒng)

　　如圖13所示，LTE測試系統(tǒng)中包含接收和發(fā)射兩部分。在VSS系統(tǒng)中，根據(jù)LTE的標準生成LTE測試信號，作為我們被測設備的激勵源。信號分析儀采集被測設備的輸出，傳送至我們的仿真系統(tǒng)，并行相應的結果分析。

圖13：基于RS矢量源、信號分析儀以及VSS的LTE測試系統(tǒng)。

　　圖14所示為被測系統(tǒng)的實測結果，可以得到被測系統(tǒng)的EVM及IQ星座圖。除此之外，我們也可以從上至下看到LTE測試系統(tǒng)中的收發(fā)模塊設計。

　圖14：基于RS矢量源、信號分析儀以及VSS仿真軟件的LTE測試系統(tǒng)的測試結果。

　　本文小結