Моделирование ключевых элементов беспроводных систем

Разработчикам высокопроизводительных устройств сетей пятого поколения (5G) необходимо иметь четкое представление о значениях ключевых параметров (коэффициента шума, точки компрессии, интермодуляционных искажений третьего порядка, отношения сигнал/шум и др.) задолго до передачи прототипов в производство. Стандартные методы оценки таких параметров, включающие применение эмпирических закономерностей или расчеты в табличных процессорах на основе уравнений Фрииса, дают лишь ограниченное представление о характеристиках реальных приборов нового поколения.

Использование специализированных САПР

Как правило, для расчетов каскадных параметров тракта традиционно применяются табличные процессоры. У такого подхода есть два основных преимущества: простой ввод данных и доступность программного обеспечения. К сожалению, с ростом сложности проектируемых систем (как в случае перехода к сетям 5G) недостатки табличных расчетов становятся более очевидными. В частности, в основе подобных расчетов лежат стандартные уравнения, которые не учитывают такие параметры реальных систем, как рассогласование между элементами или шум в зеркальном канале. Кроме того, большинство таблиц не поддерживает работу с файлами данных (будь то таблицы спуров или файлы s2p), а статистический анализ или оптимизация в них могут быть сложно реализуемы или в принципе невозможны. При этом упомянутые выше функциональные возможности становятся востребованными и даже необходимыми, особенно если перед разработчиками стоит задача создания высокопроизводительного и конкурентоспособного устройства.

Более современные и эффективные методы решения подобных задач заключаются в использовании специализированных инструментов для расчета параметров системы. Именно таким инструментом является модуль проектирования на системном уровне Visual System Simulator (VSS), входящий в состав NI AWR DesignEnvironment. Симулятор VSS создавался специально как дополнение к стандартным табличным расчетам, обладающее значительно расширенным набором инструментальных средств для решения таких задач, как каскадный анализ тракта, расчет спуров и других. Пользователь VSS начинает работу с ввода в табличный интерфейс данных о компонентах, затем переходит к измерению необходимых каскадных параметров, а также получает автоматически сгенерированную системную диаграмму. Встроенные в VSS поведенческие, симуляционные и файловые модели компонентов позволяют не только учесть частотные зависимости и эффекты, связанные с коэффициентом стоячей волны по напряжению, но и провести статистический анализ и оптимизацию, что в совокупности обеспечивает значительно более детальное понимание процессов в разрабатываемой системе.

Анализ спектральной плотности мощности на входе смесителя

В качестве первого примера можно рассмотреть стандартный проект, где выполняется расчет спектральной плотности мощности на входе смесителя. Как видно на рис. 1, ВЧ-тракт начинается с источника незатухающих колебаний, за которым следуют усилитель, фильтр, аттенюатор и смеситель. Тракт гетеродина (LO) состоит из источника, аттенюатора, модели кабеля и усилителя. После выполнения моделирования в VSS легко заметить существенную разницу в значении коэффициента шума: он составит 11,45 дБ вместо полученных в таблице 4,64 дБ. В чем причина такого значительного отклонения в поведении тракта? Математически все расчеты в таблице верны, поэтому коэффициент шума должен составлять 4,6 дБ. Тем не менее моделирование в VSS показывает далекий от ожидаемого результат. Понять происходящее можно, воспользовавшись продвинутыми возможностями анализа LO-тракта в VSS.

Рис. 1. Расчет трактов ВЧ и гетеродина в таблице и в VSS

Проанализируем спектральную плотность мощности в тракте опорного генератора (рис. 2). На входе смесителя плотность шума повышается до –138,6 дБм/Гц по сравнению с –174 дБм/Гц в начале тракта. Очевидно, это вызвано наличием в тракте усилителя. С учетом коэффициента усиления и шума усилителя изменяется и тепловой шум в тракте, что и наблюдается на рис. 2. В табличных расчетах данные процессы не учитываются, поэтому разработчик, делая все «по учебнику», оказывается лишенным возможности оценить влияние подобных эффектов на параметры тракта.

Рис. 2. Анализ спектральной плотности мощности по шуму

Решить обнаруженную проблему можно, поместив фильтр на выходе усилителя. На рис. 3 показано, что включение фильтра позволяет уменьшить плотность шума на входе LO-смесителя до –174 дБм/Гц, а значение коэффициента шума теперь согласуется с ожидаемым и составляет 4,63 дБ.

Рис. 3. Добавление фильтра на выходе усилителя для снижения плотности и коэффициента шума

Учет отражений

Во втором примере рассмотрим замену поведенческой модели фильтра его схемотехнической реализацией (рис. 4), измерение S-параметров и соответствующий системный анализ.

Рис. 4. Замена поведенческой модели фильтра на реальную схему

В контексте перехода на схемотехнический уровень представляет интерес, как будут влиять конкретные параметры компонентов на характеристики системы — например, как изменится коэффициент шума при подстройке значения одной из индуктивностей фильтра. Регулируя значение индуктивности L0 на схеме фильтра, можно обнаружить не только изменение коэффициентов отражения S11 и пропускания S21, но и одновременное изменение коэффициента шума в исследуемой системе (рис. 5).

Рис. 5. Поведение отклика фильтра и коэффициента шума при изменении значения индуктивности L0

В приведенных выше примерах показано, как с помощью VSS преодолеть функциональную ограниченность расчетных таблиц. Так, анализ спектральной плотности мощности позволил обнаружить увеличение коэффициента шума на усилителе тракта опорного генератора. Выполнение совместного моделирования на системном и схемотехническом уровне предоставляет возможность наблюдать изменения в коэффициенте шума при вариации значения одной из индуктивностей фильтра.

Измерения паразитных компонентов

В третьем, более сложном примере будут произведены измерения интермодуляционных искажений третьего порядка IM3 относительно несущей (рис. 6).

Рис. 6. Схема измерения интермодуляционных искажений 3-го порядка

Параметры системы вводятся в таблицу, после чего выполняется построение системы в VSS при помощи модуля каскадного анализа RF Budget (рис. 7). Как и в предыдущих примерах, результаты, полученные в VSS, отличаются от табличных. Расчет в табличном процессоре показал 39,577 дБм, в то время как в VSS получено значение 30,845 дБм.

Рис. 7. Сравнение табличного расчета IM3 и результатов, полученных в VSS

Рассмотрим результаты подробнее. Интермодуляционная составляющая третьего порядка, измеренная на выходе второго смесителя, сравнивается с рассчитанной в таблице (рис. 8).

Рис. 8. IM3, измеренная на выходе второго смесителя, в сравнении с табличным расчетом

В VSS она оказывается равной –92 дБм. В табличных расчетах измеряется только отношение данного тона к интермодуляционной составляющей третьего порядка, в результате чего получается величина –97 дБм. Данное значение высчитывается путем сложения по напряжению предыдущего значения –101 дБм и добавочного –105 дБм. Тем не менее результат расчетов в VSS составляет –92 дБм.

Рис. 9. Анализ паразитного сигнала в модуле RFI в сравнении с табличными расчетами

В VSS встроен инструмент анализа паразитных компонентов RF Inspector, позволяющий оценить влияние элементов тракта на параметры возникающего спура. Как видно на рис. 9, в тракте наблюдается повышение величины интермодуляционных искажений третьего порядка. Следует обратить внимание, что значения частот на рисунке не указаны, но представлена комбинация тонов А, В и С с индексом 1 на первом гетеродине. Анализ показывает, что комбинация А-В-С+LO второго смесителя превращает –105 дБм в –99 дБм, то есть в тракте что-то накладывается на искажения третьего порядка. Сложенные по напряжению –95,5 дБм и –101 дБм дают –92 дБм. Так что же попадает в смеситель и изменяет искажения третьего порядка? Моделирование в RF Inspector указывает на то, что причиной является комбинация тонов С, А и В с тоном гетеродина (рис. 10). Как устранить эту комбинацию и ее влияние?

Рис. 10. Тоны C, A, B на выходе фильтра после 1-го смесителя в RFI

Математический подход с использованием табличных процессоров разработчику не поможет, однако инструмент анализа спуров VSS способен предложить возможное решение. Например, поместить фильтр (рис. 11) для удаления нежелательных тонов. Сигнал гетеродина отфильтровать нельзя, но как только один из других тонов снимается фильтром, расчет в программе начинает совпадать с таблицей: –101 дБм от предыдущего элемента и –106 дБм на выходе. При желании можно продолжить исследования и выяснить, что является причиной разницы между ожидаемыми –105 дБм и полученными –106 дБм.

Рис. 11. Добавление фильтра в RFI для подавления нежелательных тонов

Таким образом, применение VSS помогло выявить проблему и найти подходящее решение (рис. 12). После установки дополнительного фильтра результаты табличных расчетов (39,577 дБм) и моделирования (30,47 – (–9,32) = 39,79 дБм) хорошо согласуются между собой.

Рис. 12. Спектры сигналов:
а) после дополнительного фильтра;
б) на выходе второго смесителя;
в) итоговый результат

Заключение

Использование современных программных средств для моделирования характеристик систем является гораздо более эффективным методом, чем табличные расчеты. Программное обеспечение Visual System Simulator предлагает обширную библиотеку моделей и предоставляет возможности учета реальных эффектов в расчетах, оптимизации, статистического анализа и подробного анализа паразитных компонентов. Такие инструменты, как VSS, позволяют специалистам получать более точные результаты на стадии разработки и определять требования к компонентам проектируемых систем.