Построение систем IoT и 5G из серийно выпускаемых компонентов

№ 4’2016
PDF версия
В статье рассказывается о возможностях и способах моделирования ВЧ-систем для технологий мобильной связи 5G и приложений IoT с использованием серийно выпускаемых компонентов и быстрого синтеза многокаскадных схем согласования импеданса на печатных платах.

5G — это перспективное поколение радио­сетей мобильной связи, работающих в диапазоне 24–95 ГГц. Данная технология обещает чрезвычайно высокие скорости передачи данных по радиоканалу, например передачу видеопотоков для телевидения сверхвысокой четкости 4К/8К. Другим быстроразвивающимся приложением беспроводных технологий является «Интернет вещей» (IoT). По прогнозам, к 2020 г. к Сети будет подключено более 50 млрд объектов IoT. Все это создаст огромную нагрузку на радиоинженеров, вынуждая их быстро проектировать и выпускать продукты 5G и IoT, чтобы успешно конкурировать на рынке.

 

Моделирование ВЧ-систем 5G на частоте 28 ГГц

Проектирование и построение ВЧ-систем, работающих на частоте 24 ГГц и выше, связано с определенными проблемами из-за паразитных эффектов межсоединений в печатной плате, взаимовлияния компонентов и отсутствия моделей новых компонентов для моделирования на уровне системы. Использование электронных таблиц для оценки характеристик системы и последующее макетирование на макетных платах с помощью реальных элементов обходится очень дорого, отнимая много времени, требуя множества приборов и значительной трудоемкости на каждую итерацию.

Однако теперь появилась эффективная возможность проектировать, создавать прототип и налаживать производство законченной ВЧ-системы за один цикл без лишних итераций, и эта возможность иллюстрируется приведенным ниже примером. На рис. 1 показана структурная схема системы с входным сигналом 28 ГГц и двумя гетеродинами 22 и 7 ГГц, понижающими частоту до промежуточной частоты 1 ГГц. Структурная схема смоделирована в системе Keysight Genesys Spectrasys, причем системные блоки моделировались следующим образом:

  • X-параметры для нелинейных цепей;
  • поведенческие модели устройств на основе системных параметров Keysight Sys-parameters, описывающих характеристики отдельных узлов системы в зависимости от частоты, смещения и температуры;
  • S-параметры для линейных цепей;
  • поведенческие модели, описанные уравнениями.
Приемник 5G на 28 ГГц с двойным преобразованием до промежуточной частоты 1 ГГц. Моделирование проводилось с помощью системного ВЧ-симулятора Keysight Genesys

Рис. 1. Приемник 5G на 28 ГГц с двойным преобразованием до промежуточной частоты 1 ГГц. Моделирование проводилось с помощью системного ВЧ-симулятора Keysight Genesys

Технология моделирования ВЧ-систем прошла долгий путь развития. Примеры произведенных улучшений включают идентификацию происхождения составляющих спектра, расчет нелинейной интермодуляции, определение того, какие системные блоки и их характеристики при подаче на вход ВЧ-сигнала с цифровой модуляцией вносят вклад в ухудшение таких параметров, как модуль вектора ошибки (EVM), коэффициент битовых ошибок (BER) и соотношение мощностей соседнего и основного канала (ACPR).

На рис. 2 показан анализ зависимости EVM от расположения системных компонентов, который позволяет мгновенно выявлять основные причины деградации EVM, такие как фазовый шум гетеродина и нелинейность смесителей и усилителей. Щелкнув мышью на подозреваемом компоненте, можно настроить его параметры и улучшить характеристики системы. Это позволяет выбрать оптимальное расположение системных компонентов, избегая чрезмерного их сближения или разнесения, и достичь наилучших характеристик при минимальных затратах.

Новейший метод анализа амплитуды вектора ошибки позволяет выявить компоненты, вызывающие деградацию ВЧ-сигналов с цифровой модуляцией, и исключить дорогостоящие итерации в процессе создания прототипа

Рис. 2. Новейший метод анализа амплитуды вектора ошибки позволяет выявить компоненты, вызывающие деградацию ВЧ-сигналов с цифровой модуляцией, и исключить дорогостоящие итерации в процессе создания прототипа

Определение характеристик на этапе проектирования и последующий поиск реальных компонентов, обладающих такими характеристиками, на этапе реализации является широко распространенным, но неэффективным подходом, который неизбежно порождает необходимость в нескольких итерациях. Sys-параметры, представляющие собой поведенческие модели реальных серийных компонентов, или X-параметры нелинейных компонентов могут непосредственно использоваться в ВЧ-моделировании, и в результате к концу проектирования компоненты будут уже определены и проверены на работоспособность в системе. После этого система готова к аппаратной реализации.

 

Построение систем 5G из серийно выпускаемых компонентов

Аппаратный прототип приемника 28 ГГц, использующий X-блоки из X-Microwave

Рис. 3. Аппаратный прототип приемника 28 ГГц, использующий X-блоки из X-Microwave

В конструкции приемника 5G на 28 ГГц использовались серийно выпускаемые компоненты таких производителей, как Mini-circuits, Analog Devices, Qorvo, Marki и Avago, реализованные в виде модулей X-Microwave, как показано на рис. 3. Все модули, называемые X-блоками, включают необходимые внешние цепи питания и пассивные периферийные компоненты для таких активных устройств, как гетеродины, смесители и усилители. Они характеризуются моделями X-параметров на основе измерений или моделями на основе Sys-параметров, что позволяет точно моделировать их применение в реальной системе. Модули представляют собой печатные платы с компонентами поверхностного монтажа, соединенными между собой посредством термокомпрессионного метода без пайки, что обеспечивает надежную работу в диапазоне до 67 ГГц. Измерительные разъемы 1,9 мм тоже закреплены термокомпрессией, поэтому X-блоки можно использовать повторно без повреждения. Когда сборка прототипа завершена, такую же композитную топологию можно использовать в производстве, поскольку все компоненты располагаются на аналогичной многослойной подложке.

Измеренные параметры системы соответствуют смоделированным, как показано в таблице, разница объясняется погрешностью измерений на векторном анализаторе сигналов. Как видно, имеет место превосходная корреляция в пределах погрешности измерительных приборов.

Таблица. Сравнение измеренного и смоделированного модуля вектора ошибки для разной входной мощности

Входная мощность, дБм

Измеренная EVM, % ср.кв.

Оценка EVM, % ср.кв.

–50

1,8

2,2

–60

3,1

3,5

–70

9,3

9,3

–75

17,9

16,3

–78

20,0

22,9

 

Проектирование для IoT

Для IoT разрабатывается несколько стандартов, отличающихся зоной покрытия, полосой передачи данных и рабочей частотой. Рабочие частоты IoT обычно подразделяются на две категории: нижние и верхние, а именно — диапазоны ISM 2,4 ГГц и 5,8 ГГц (диапазон для промышленного, научного и медицинского применения). С точки зрения проектирования физических радиоканалов IoT, работающих в этих частотных диапазонах, основной упор должен делаться на согласование импеданса чипсета IoT с антенной. Для увеличения дальности действия между чипсетом и антенной можно включать усилители.

В идеале схема согласования импеданса должна быть компактной и недорогой. Многокаскадные схемы, согласующие импеданс в широкой полосе частот (30% и более) со сложными частотно-зависимыми импедансами таких устройств, как антенны, измеренными S-параметрами чипсетов IoT или нестабильными не-однонаправленными усилителями на дискретных транзисторах, чрезвычайно сложно рассчитать с помощью традиционной диаграммы Смита или методом проб и ошибок.

Более эффективный подход заключается в применении автоматического синтеза согласующей схемы, который использует для решения упомянутых выше сложных случаев согласования несколько методов — от простых Т-образных схем до метода real frequency. Поскольку такой синтез позволяет выполнять сложные одновременные многокаскадные согласования в считанные секунды с помощью цепей с распределенными или сосредоточенными параметрами, разработчики IoT могут быстро опробовать несколько многокаскадных вариантов и выбрать из них наиболее экономичный. На рис. 4 показаны результаты одновременного синтеза трех­каскадной схемы, согласующей антенну с малошумящим стабилизированным транзисторным усилителем, с последующим измерением S-параметров чипсета усилителя мощности. В результате этого синтеза удалось получить обратные потери –20 дБ в диапазоне от 2 до 3 ГГц при усилении 35 дБ. Кроме того, были синтезированы размеры микрополосковой топологии с автоматической вставкой неоднородностей, таких как Т-образные соединения и разомкнутые шлейфы. Весь процесс занял менее часа.

Синтез схемы согласования импеданса и микрополосковая топология трехкаскадной согласующей схемы, работающей в диапазоне 2–3 ГГц и позволяющей достичь обратных потерь –20 дБ и усиления 35 дБ, выполняется менее чем за час

Рис. 4. Синтез схемы согласования импеданса и микрополосковая топология трехкаскадной согласующей схемы, работающей в диапазоне 2–3 ГГц и позволяющей достичь обратных потерь –20 дБ и усиления 35 дБ, выполняется менее чем за час

* * *

ВЧ-системы для приложений 5G и IoT можно эффективно моделировать, создавать их прототипы и изготавливать из серийно выпускаемых компонентов благодаря революционным диагностическим функциям, позволяющим выявлять компоненты с неподходящими параметрами. Точные модели X- и Sys-параметров для серийно выпускаемых ВЧ-компонентов позволяют эффективно получать то, что было смоделировано, на всех этапах — от проектирования до создания прототипа и производства, причем без лишних итераций. Синтез согласующих цепей заменяет сложную ручную разработку и оптимизацию мгновенным выбором нескольких подходящих согласующих топологий, позволяющих получить наиболее экономичную реализацию.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

سكس عربي مصري مجاني sexauskunft.net سكسحر unblurred hentai nicehentai.com omega hentai chinki sex renklipornoo.net village naked dance hot x porn video hindipornsite.com heather jayne nude huge dick comics streamhentai.net hentai msngs
قصص وصور سكس wiwiuku.com مشاهدة أفلام سكس ラブホテル完全盗撮 浮気ドキュメント 禁断の関係 javshare.info とらぶるだいありー brawling go 132 hentaika.org all the way through futa www.indiansexmms pornhindivideo.com ftv hot live 福岡 風俗 図鑑 javwhores.mobi 日本で一番黒いgカップグラドルの絶倫性欲でハメ撮りsexしまくった日常を記録
x videos american fucktube24.com sex odia video 完全拘束イラマチオ 3 あべみかこ javpussy.net 300maan-316 xnxx miya khalifa indianpornsearch.com www.tamil sex videos どエロイ女のムチムチ肉感!ふにゃふにゃ星人 羽生ありさ freejavstreaming.net 生意気j○妹プリ尻挑発 telugu outdoor sex hindipornmovies.org mehreen kaur pirzada