通信系统设计仿真软件.docx

Agilent ADS通信系统设计仿真软件 安捷伦科技有限公司目 录插图列表31 ADS对于通信系统设计仿真的意义42 ADS设计仿真软件的优点42.1 集成的自顶向下的系统设计42.2 灵活的设计环境52.3 优化系统架构52.4 灵活快速地建立DSP算法62.5 快速准确地建立射频模型62.6 通过优化得到最佳的系统性能72.7 利用已有的用户自定义模型72.8 ADS软件与测量仪表连接加快从设计到现实的转变72.8.1 据硬件测试建立仿真模型72.8.2 尽早进行验证实验，降低系统集成风险72.8.3 创建新的测试能力82.8.4通信信道，干扰测试83 ADS加速B3G/4G通信系统研发103.1 ADS具有可以灵活产生各种制式的信号源的能力103.2 ADS具有可以仿真MIMO 信道的能力103.3 ADS具有仿真空-时(Spacing-time coding)编码性能的能力113.4 ADS具有给用户提供Test Bench的能力113.5 与仪器的互联114 ADS在RF系统设计流程中的地位124.1 系统级设计与仿真124.1.1 分析并设定RF系统设计指标124.1.2 研究并选择恰当的RF拓扑结构134.1.3 定义功能模块并进行RF系统性能优化134.2 电路级设计与仿真144.2.1 研究选择合适的电路拓扑结构144.2.2 器件选型与建模144.2.3 关键模块设计与电路级仿真144.2.4 综合仿真验证RF系统性能144.2.5 各独立模块制作与测试144.3 集成测试144.3.1组合各个单独电路模块144.3.2 调试144.3.3修改系统指标（如果需要）154.3.4重新定义项目目标（如果需要）15插图列表图1 自顶向下的设计流程图2 据硬件测试建立仿真模型图3尽早进行验证实验，降低系统集成风险图4创新新的测试能力(1)图5创新新的测试能力(2)图6通信信道，干扰测试图7 ADS与仪器互联加快设计流程图8. 射频系统设计流程图9 数字中频RF收发信机结构1 ADS对于通信系统设计仿真的意义当今的通信系统设计工程师遇到更多的设计挑战，除了进一步减小系统的体积和成本同时要更好地进行数字和射频部分指标的分配从而获得更好的系统整体性能。与此同时，整个公司也面临着激烈市场竞争，需要提高产品性能，缩短产品上市周期，降低成本。为了应对这些挑战，越来越多的公司依赖安捷伦ADS软件，使得他们的通信设计尽早变成现实产品。2 ADS设计仿真软件的优点2.1 集成的自顶向下的系统设计传统的设计仿真软件往往缺乏全面的技术来开发完整的通信系统。这是由于当今的通信系统中包括了DSP，模拟和射频，空间传输信道等部分。设计软件必须能够集成混合信号仿真技术，进行不同部分的混合仿真。ADS软件的系统仿真提供了通信系统的自顶向下设计和自底向上的验证能力，可以在ADS软件中进行DSP，模拟，射频的单独仿真或进行不同部分的协同仿真，帮助设计师提早完成系统设计。ADS软件独有的专利仿真技术包括：用于DSP仿真的同步数据流Ptoemly仿真技术，用于复杂模拟和射频信号仿真的电路包络仿真技术和谐波平衡仿真技术。加上大量的经过验证的DSP，模拟，射频行为级模型使得设计流程十分顺畅。图1给出了一个自顶向下的射频系统设计流程范例。分析仿真处理的数据系统级射频子系统DSP浮点或定点晶体管级RTL HDL下变频数字接收机GMSK解调射频前端wire 6:0 M1_B_1_Result; / hpeesof_id : M1.B_1wire 9:0 M1_B_2_Result; / hpeesof_id : M1.B_2hp_CONST_S C5 (.Result(C5_Result);defparam C5.Width = 3;defparam C5.ConstValue = 24576;hp_ADD_SATTRUNC_S A5 (.A(R4_R1_Q),.B(M3_Result),.Result(A5_Result);结果从仪器获得真实信号图1 自顶向下的设计流程2.2 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。2.3 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。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。2.4 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、Matlab语言灵活地编写算法并利用ADS Ptolemy 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GSM，CDMA，WCDAM，CDMA2000，TDSCDMA，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。2.5 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。2.6 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“Improved importance sampling”。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Monte Carlo算法快100到1000倍。2.7 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MATLA界面和集成SPW的工具。2.8 ADS软件与测量仪表连接加快从设计到现实的转变使用软件工具进行仿真设计毕竟是产品开发过程中的第一步，软件中设计的电路系统最终还是要在硬件上实现并使用测试仪表进行测试。这样，软件仿真与硬件测量之间的联系就显得格外重要。只有软件与测试仪表之间流畅的数据传递和通讯才能加快从软件中虚拟电路到真实硬件电路转换。安捷伦公司的ADS软件与仪表构成的软硬件半实物仿真系统完成了这个工作。2.8.1 据硬件测试建立仿真模型如图2。2.8.2 尽早进行验证实验，降低系统集成风险如图3。2.8.3 创建新的测试能力如图4和图5。2.8.4通信信道，干扰测试 如图6。网络分析仪现成元件在ADS软件中进行仿真建模测得的S参数用于仿真模型现存元件将 ESG/VSA用于建立仿真模型 (特定应用) 在仿真中进行设计判定和折衷:§ 评估现成的元件在新设计中的应用性能§ 评估原有硬件设计在新设计中性能 § 了解设计返工情况，以帮助减少重复设计的次数ESG信号发生器.ADSE4440A PSA图2 据硬件测试建立仿真模型被测件 为了有更好的设计预示能力,仿真与测量之间应有一致的测量算法,将产生意外的可能性减到最小 利用硬件和仿真模型进行早期验证.信号分析仪供测试用的硬件ESG信号发生器用ADS模拟的设计图3尽早进行验证实验，降低系统集成风险在仿真中建立损伤的模型在仿真中建立特定的测试算法在仿真中建立信号源的模型当缺乏测试方案时,使用ADS软件来建立专用射频测试信号和完成特定的测试信号分析仪被测件ESG 信号发生器.在ADS软件中建立特定的专用信号调制模型图4创新新的测试能力(1)仿真接收机设计仿真信号源被测件ESG信号发生器使用ADS软件的连接方案完成BER测试借助ADS软件将测试仪表的功能扩展到一些新领域,如BER测试 .sdf 文件 经过被测件的测试信号参考信号896XX VSABER测量图5创新新的测试能力(2)ADS软件仿真：发射机模型接收机测试E4440A PSA896XX VSA通过测试仪表测得真实的空间干扰。信号合成空间噪声模型通信信号空间传播模型（衰减，时延，多普勒效应等）图6通信信道，干扰测试3 ADS加速B3G/4G超宽带通信系统研发3.1 ADS具有可以灵活产生各种制式的信号源的能力因为Beyond 3G 的信号调制方式及帧结构未定，ADS 可以灵活产生研发中需要的信号源。尤其是现在的Beyond 3G 大多采用OFDM技术，ADS 中的generic OFDM models 可以很方便搭建出具有特殊的子载波分配方式的OFDM信号；3.2 ADS具有可以仿真MIMO 信道的能力Beyond 3G 的特征是高速率，MIMO是提高信道容量的有效方法，MIMO 信道的产生是一个公认的难题。有了MIMO信道，我们可以精确地描述天线的空间特性（到达角AOA（angle-of-arival), 离开角AOD(angle-of-departure)以及方向角的分布(angular spread)，路径的延迟，衰落，多谱勒频移，用户可以仿真这种系统来验证自己动的发射接收机的在MIMO衰落信 道下的分集増益，天线增益，接收机抗干扰的能力以及天线分布对提高信道容量的影响；3.3 ADS具有仿真空-时(Spacing-time coding)编码性能的能力空时码是另一个可以提高信道容量的技术，也是和MIMO相匹配的一种编码技术。在中，用户可以设计自己的编码方案，在MIMO系统中验证编码性能；3.4 ADS具有给用户提供Test Bench的能力在新的通信标准发布之前，ADS可以根据协议草案提供Test Bench, 用户可以在Test Bench 上加入自己的模块或修改感兴趣的参数来测试是否达到协议规定的指标，从而加快研发进度；3.5 与仪器的互联可以产生具有空间特性的信号（把后的信号灌入）。（如图7所示）仿真域测试域 实体域仿真设计结果 实现 实际信号 测试测试结果反馈， 修改算法设计图7 ADS与仪器互联加快设计流程4 ADS在RF系统设计流程中的地位RF系统的基本设计流程如图8所示。分为三个阶段：系统设计、电路设计与集成。系统设计阶段的工作包括：进行需求分析，定义RF系统的指标，明确设计目标；选择系统结构，为各个模块使用ADS优化分配性能指标；使用ADS完成系统级仿真。电路级设计阶段的工作包括：器件选型与ADS建模、电路级设计与ADS仿真、模块制作与测试等等。集成阶段需要将各功能模块连接，完成系统功能。各个阶段中间如果发现指标难以实现或者结构过于复杂等问题，需要回溯到响应的以前的阶段，进行重新设计和指标分配，整个流程是一个迭代的处理过程。RF系统设计RF电路设计RF各模块集成基带部分Ø 用户需求 Ø 系统目标Ø 网络结构Ø 其他RF设计流程需求迭代集成图8. 射频系统设计流程4.1 系统级设计与仿真4.1.1 分析并设定RF系统设计指标根据系统总体需求与复杂空中接口的实现需要定义RF系统指标，例如MIMO技术的实现需要多个RF通道；峰均比的问题需要功放提高饱和功率和线性度。根据输入的需求，可以分析出射频需要达到的性能指标：发射频谱模板、发射功率控制范围、接收机灵敏度、杂散等等。根据需求的重要程度，还可以设定各指标之间的优先级，以便在以后的设计和实现阶段能够灵活地进行折中分配。4.1.2 研究并选择恰当的RF拓扑结构RF系统的结构有多种，包括：u 超外差u 零中频u 低中频u 数字中频u 其他考虑到通用测试平台的灵活性以及B3G/4G可能选择比较复杂的调制方式，根据需要可以选择数字中频结构（图9）。图9 数字中频RF收发信机结构4.1.3 定义功能模块并进行RF系统性能优化系统结构确定后，可以划分定义各个功能模块，进行链路预算分配（利用ADS进行优化），给出各功能模块性能指标要求，为下一阶段电路级设计提供设计指标。4.2 电路级设计与仿真4.2.1 研究选择合适的电路拓扑结构4.2.2 器件选型与建模针对不同的功能模块和设计指标需求，进行器件选型，对关键器件进行ADS建模，以便于模块的电路级仿真以及最后的系统综合仿真。4.2.3 关键模块设计与电路级仿真需要进行市场调查，对于一些性能指标不太严格的模块，可以考虑购买。而关键的模块则需要要自己设计、利用ADS仿真、制作、测试。4.2.4 综合仿真验证RF系统性能各个电路级功能模块连接成系统，进行ADS综合仿真。这个仿真与前面的系统级仿真不同，其中许多关键模块和器件以及不是行为级模型，而是用电路级模型替代了。如果仿真结果达不到RF系统设计目标，则需要返回系统设计阶段，重新进行指标定义或结构研究。4.2.5 各独立模块制作与测试各个关键模块在设计完成并且通过ADS综合仿真验证以后，就进入制版、焊接、测试过程，变成实物。4.3 集成测试4.3.1组合各个单独电路模块将各个功能模块进行连接，测试。4.3.2 调试往往各个独立模块独立工作正常，而一旦集成，就发生诸多问题，这时候需要进行仔细的调试工作，如果需要的话，还要返回前面的阶段，进行：u 重新设计系统（ADS设计仿真）u 重新设计电路（ADS设计仿真）u 重新布置电路u 重新配置系统4.3.3修改系统指标（如果需要）如果很不幸地怎么调试都通不过，则需要返回最初阶段，对系统目标进行修改。4.3.4重新定义项目目标（如果需要）或者，可以由RF系统出发怀疑项目目标的可行性，从而提出修改意见。 保密 第 15 页 共 15 页