无线通信参考设计实验室解决方案

无线通信参考设计实验室解决方案AgilentEESOFDivisionAgilentTechnologies2005-4-5随着无线通信的兴起，系统越来越向着复杂化、集成化和分工明确的方向发展，这就要求今天的通信系统设计商和制造商越来越注重IP的集成和使用统一的研发和设计平台。复杂的通信系统尤其是多标准通信系统的集成化，使得系统设计越来越复杂和难以实现，主要体现在以下方面:1.传统的参考设计商面临的困难1.1.时间和成本的矛盾：时间－市场的压力要求缩短产品开发的周期，而成本的要求又要求将尽量在设计初期解决可能出现的问题。1.2.集成的IP平台进行系统仿真:预测系统集成时出现的问题需要集成的IP平台，而传统上，基带、射频采用不同的EDA软件开发，彼此很难结合仿真。由于电路板级的性能也非常重要，而传统的方案无法实现通信信号激励下电路板级的仿真。1.3.建模的流程:由于参考设计商通常采用采购的器件，而我们需要验证这些器件是否可以应用在新的通信系统中并满足系统指标，这样就需要对这些器件进行系统级的仿真，因而需要对这些器件进行精确的建模，而传统的EDA软件不能够提供完善和器件接口以及建模方法。1.4.测试平台的建设:由于测试仪器只能提供标准的测试方案，而对于某些非标准的测试方案，例如，加入信道衰落或者环境恶化的信号源对系统的影响，以及评估子系统对误码率的影响等等，传统的测试方案不能够实现。2.安捷伦提供的解决方案随着技术的进步，电子设备的功能与结构日趋完善和复杂，相应的研究成本与周期也更长。为了降低研制工作的总体成本，缩短研制周期，采用先进的计算机电子设计自动化（EDA）软件，提高设计工作的效率与成功率，是一个已经被公认的行之有效的手段。在目前传统的设计中，系统设计、部件设计及最终的系统联调是相对孤立的。这往往在系统设计时对部件的指标要求过高，这往往加大系统成本或使部件难以实现。另一方面，可能在系统设计时对部件的指标要求太低或不正确，往往在联调时，才发现某些部件有问题。这都使整个项目的研制周期大大加长，研制成本提高。22.1.完整的研发、测试和验证平台完整的研发平台包括AgilentADS软件，信号源、频谱仪、网络仪以及矢量信号分析仪等仪表。如图所示，安捷伦EDA软件ADS与仪表的连接解决方案称为“connectedsolutions”。图1.安捷伦完整的设计、测试和验证平台AgilentEEsof新的高级设计系统（ADS）软件就为上述的问题提供了解决之道。她将平面电磁场仿真，RF&微波、DSP设计和整个系统设计集成到一个统一的，灵活的环境中。在ADS软件中,用户可以完成从系统设计到电路仿真,PCB板生成,PCB板上的电磁场分析,信号完整性分析。同时可以同安捷伦公司的仪表连接，进行半实物仿真，及时进行设计验证。2.2.完整的研发、验证和测试流程完整的研发、验证和测试流程包括以下步骤：a.系统级设计和仿真b.器件的建模c.电路板级仿真d.半实物仿真e.定制测试方案－误码率测试2.2.1.系统级仿真在ADS软件中提供了强大的系统仿真能力，这包括对于数模混合系统，数字系统，射频/微波子系统的设计和仿真。在数字平台上，安捷伦公司ADS的PtolemyDSP仿真器可以对软件本身DSP模型如各种运算器，编码器，调制器，数字滤波器进行仿真，同时用户可以根据不同的协议规范方便的编写用户自定义的DSP模型，如满足卫星通讯规范的或军队标准的调制单元，扩频单元，跳频模型。利用ADS提供的DSP模型和用户自定义的模型，可以搭建出用户所设计产品的数字系统部分。ADS软件提供多种通信协议库，如CDMA,CDMA2000,3GPP,TD-SCDMA等。利用通信协议库，设计人员可以方便地进行基带算法仿真，验证用户自己的算法。在射频子系统中，ADS提供了1000多种射频系统模型，如功放，滤波器，混频器，振荡器等等。用户为这些行为级的系统模型加入不同的指标，连接在一起，从而描述出用户自定义的射频子系统。通过ADS的射频系统仿真器，可以完成对射频子系统的仿真，分析系统指标的分配是否合理。同时ADS的优化功能可以自动地对系统指标进行优化，使得系统的整体性能达到要求。在射频系统仿真中，ADS软件还提供设计指导这样的专家系统引导设计人员快速的完成设计任务。在系统设计中，DSP和RF的混合仿真是必不可少的，它关系到解决DSP部分和RF的相互影响及作用。ADS的Ptolemy仿真器提供时间同步算法，可以将设计的DSP系统和射频系统进行联合仿真，优化。确保了系统设计的完整周密。图3.自顶向下的系统设计流程3灵活的设计环境ADS软件的设计环境负责管理仿真和建模的工作。通过ADS软件设计环境可以使设计人员的精力集中在自己的设计工作上而并非设计工具。例如：一个通信系统顶层原理图包括DSP，模拟，射频，天线，空间信道可以在设计环境中轻松的搭建起来。ADS软件会自动地选择不同的仿真技术对系统中不同的部分进行最准确高效的仿真。这种灵活的设计环境是ADS软件所有仿真功能共用的平台，无论是进行系统，还是电路，电磁场设计，工程师都是在同样的设计环境中完成他们的工作，这样使得不同设计任务的工程师可以将他们的设计集成在一起进行设计验证，减少设计的反复。优化系统架构高效率的系统级设计必须包含多种多样的系统模型来描述真实系统中不同的部分。例如：无线通信系统中需要射频和DSP技术来建立在不同传播环境中的可靠的无线连接。为了能够建立最优化的通信系统顶层架构，设计者必须对系统中每一组成部分对整体系统性能影响进行评估。然而，不对通信系统物理层进行精准的建模，我们很难得到准确的评估。这种建模包括信道传输模型，射频发射机模型和DSP算法模型。在ADS软件中，不同的通信系统设计库为设计者带来了符合标准通信协议的DSP算法，射频系统模型库提供了1500多种行为级模拟射频模型。ADS可以在真实的含有损伤，相位噪声和干扰的模拟射频通道中验证设计者自己的算法。图2.安捷伦系统－电路－物理级－实物设计和验证流程快速准确地建立射频模型为了完成一个成功的系统设计，设计者必须考虑系统中射频部分的干扰。不同与传统的射频系统分析，ADS软件不再是简单地用表格的方式计算出射频系统增益和功率预算，而是对射频子系统进行深入的仿真分析从而尽早地发现问题所在。工程师现在利用ADS软件可以精确地分析射频系统中阻抗适配，隔离，谐波，互调，噪声等等对系统的影响，并且可以进行并行信号通路或反馈信号通路工作条件下的系统仿真。通过优化得到最佳的系统性能为了帮助设计者获得最佳的系统设计，ADS提供了一系列功能强大的优化器。这些优化技术帮助设计者调节不同模型的参数设定使得系统性能满足所要求的指标，例如优化BER，EVM，ACPR等。优化可以通过连续或者离散取值的方法进行，利用随机，梯度，蒙特卡罗等多种优化算法最终得到优化结果，获到理想的性能。为帮助BER仿真，有一种快速估算算法叫做“Improvedimportancesampling”。利用这种先进的算法，在对高性能低误码率的系统进行误码率分析时比传统的MonteCarlo算法快100到1000倍。利用已有的用户自定义模型很多时候，设计者依靠专有的行为级模型作为系统中的一部分。对于很多公司，开发特有的IP花去了大笔的资金和大量的时间，这些IP是非常有市场竞争力的产品。ADS软件提供的模型开发工具可以非常方便得将C或者C++源代码转入到ADS软件中，利用ADS软件的仿真器对其进行仿真分析。同样在ADS软件中有双向的MATLAB界面和集成SPW的工具。2.2.2.电路级仿真目前整机设计单位大多采用其他厂家的集成电路或模块电路，ADS提供无源电路设计指导的电路综合器帮助设计人员快速的完成匹配电路，滤波器等级间电路的设计，保证外购模块很好地嵌入到自己的产品中。此时还可以通过安捷伦所独有的软件/仪表相连接的方法，将外购的硬件模块电路连接到软件仿真环境中，验证所采用的模块电路是否满足要求，这也相当于在软件中建立了该模块电路的模型。用ADS提供的电路模型/库进行电路的设计和优化，ADS拥有12万种有源/无源器件模型。ADS提供的各种仿真器支持电路设计。ADS提供的仿真器工具4当系统架构已经确定以后，下一步要进行系统性能的优化。这需要一个强大的自动优化技术，这种技术应该包含多种统计方法进而获得设计参数和最优的设计。ADS软件提供的优化功能帮助设计者调节多种多样的模型参数以使系统的性能满足设计者规定的设计目标。精确的通信系统仿真器安捷伦Ptolemy仿真器：安捷伦Ptolemy仿真器是一个基于数据流和时间同步数据流技术的系统级仿真。用它可以完成DSP、射频和模拟仿真设计，例如射频和DSP接收机和发射机，调制解调器、蜂窝电话、雷达等。这个模块的数字部分可以帮助你搭建复杂的算法并进行仿真，观察性能，进行诸如误码率、眼图、星座图等指标的量测。仿真器射频建模的能力包括了为模型添加例如三阶互调、相位噪声、频率独立性和噪声系数等指标。Ptolemy仿真器同样可以帮助设计者在分析混合的模拟、RF和DSP系统时加入真实情况下信号效果（与测量仪表相连），这样可以准确地分析性能。射频系统仿真器：射频系统仿真器包括了四种仿真技术：线性，非线性，包络，射频系统性能测量技术。利用系统仿真器可以对用系统模型搭建起来的线性或非线性系统框图进行系统性能分析，指标分配，优化。最新的ADS2004A中集成了射频预算仿真器，它可以进行射频系统的多级指标分配，通信前端功率压缩指标、噪声系数、三阶交调等各种电路指标和系统指标的快速分配。从而使得用户可以脱离繁琐而不精确的手算系统指标，真正使得系统的设计和优化得以快速和精确的设计。灵活快速地建立DSP算法不同的通信系统拥有特定的信源编码，信道编码，基带调制等数字信号处理算法。ADS软件允许设计者利用ADS软件提供的多种定制和通用算法模型或C语言灵活地编写算法并利用ADSPtolemy仿真器进行算法仿真。在DSP算法库中，ADS软件已经提供了针对于多种雷达DSP信号源，以及GSM，CDMA，WCDAM，CDMA2000，TDS－CDMA，WLAN的设计库和信道模型。设计人员可以直接调用这些设计库中的算法模型或对其进行修改从而快速的搭建自己完整的信号处理链路。包括：直流分析（进行有源电路的偏置电路的设计优化及功耗分析优化等）、S参量分析（完成小信号线性频域分析优化）、谐波平衡分析（完成大信号非线性频域优化）、高频SPICE及卷积分析（完成时域分析和优化）、电路包络仿真（可同时进行时域频域分析和优化，可进行AGC、PLL及矢量信号的分析）。以上提供的仿真器还都可进行噪声分析及产量分析。在电路设计中，安捷伦ADS软件提供不同的设计指导模块作为嵌入的专家系统引导设计人员使用ADS完成例如功放，滤波器，振荡器，混频器等电路，加快有经验的工程师对软件的掌握，指导年轻工程师进行不同电路的设计。先进的电路设计仿真器安捷伦的ADS软件集成了经过40多年技术革新和经验积累的业界最领先的仿真技术，这些仿真技术可以精确快速地功率放大器设计或其它电路的设计。线性仿真器：线性频域电路仿真是用于分析和优化工作在线性条件下的射频和微波电路（例如：功放、振荡器、耦合器、滤波器、匹配电路）这种技术可以应用在设计无源和小信号有源电路，这种电路常见于无线通信、射频微波、监视系统、雷达和其它通信领域谐波平衡仿真器：这个快速的谐波平衡仿真器在设计射频微波的无线通信系统中的非线性电路特别有用。这个仿真器基于新的Krylov子空间迭代算法，在运算速度和内存占用上面与先前版本的仿真器有了重大改进，它可以仿真和优化功放乘法器、混频器、振荡器、射频系统模型等的非线性稳定响应。同时它提供例如直流偏置，混频器噪声系数，振荡频率和相位噪声，大信号S参数，功率附加效率等性能的量测，并可以进行变量（如功率、频率或电路参数），参数子网络、大信号S参数的扫描分析。电路包络仿真器：安捷伦电路包络仿真器可以对现代通信电路和系统中的复杂调制信号进行高效地、准确地分析。通过利用一种综合考虑