Смешанное моделирование радиочастотных цепей и систем.


Г. В. Сердюк, Б.Н. Шелковников (научный руководитель)


Институт телекоммуникационных систем НТТУ «КПИ»,
Индустриальный пер., 2,  03056, Киев, Украина. E-mail: gserdyuk@gserdyuk.org


Mixed-domain simulation of RF circuits and systems.


G. Serdyuk, B. Shelkovnikov (advisor)


Co-simulatin of radio-frequency systems and circuits is presented as
а powerful concept for digital communication system design. Main simulation techniques are outlines and co-simulation environment implementation is described. Simulation example is presented.

Введение.

Рост популярности беспроводных приложений, ведущий к повышению спроса на связное оборудование, требования минитюаризации, разнообразие применяемых технологий обострили сложности  проектирования аппаратуры связи.

Отдельные функциональные блоки связных трансиверов могут быть реализованы в аналоговой области, другие – в цифровой. Цифровая обработка подразумевает большую гибкость по сравнению с аналоговыми блоками, и может компенсировать некоторые искажения сигнала, вызванные аналоговой частью приемника. Наличие цифровых и аналоговых частей ведет к дилемме реализации – часто одни и те же части можно реализовать в аналоговом или цифровом виде. Также, для предсказания эффективности сложных алгоритмов цифровой обработки необходимо совместное моделирование цифровых и аналоговых частей трансивера [1].

Один из используемых подходов состоит в совместном использовании аналоговых симуляторов уровня цепей и системных симуляторов [2] и носит название ко-симуляции (co-simulation). Суть ко-симуляции состоит в совместном использовании средств моделирования разного уровня, часто – использующих различные модели вычислений, для представления системы в целом.

Далее будет описано построение системы ко-симуляции, использующей метод дискретного моделирования огибающих и метод модуляционного гармонического баланса. В завершение будут приведены примеры моделирования усилителя мощности в составе системы связи и показано влияние неидеальностей усилителя на свойства тракта системы связи.

Системное моделирование и  моделирование цепей. Ко-симуляция.

Наиболее широко распространенным методом моделирования систем связи является метод комплексной огибающей. В этом случае информационный сигнал представляется в виде составляющих I и Q, называемых синфазной (inphase) и квадратурной (quadrature). В дальнейшем все преобразования сигнала (рассеяние, фильтрация, нелинейные искажения) рассматриваются как преобразования огибающей [3].

Наиболее удобным представлением для огибающих является дискретное представление непрерывных комплексных величин. В таком случае, реакция блока на входные воздействия определяются как:      для линейных систем или  в более общем нелинейном случае, где s – отклик линейного блока,  S – нелинейная функция блока.  Блоки составляют направленный граф, ветви которого образуют матрицу инциденций A, в результате реакцию системы можно записать как:

 

                                                                                                                        (1)

 

Радиочастотные цепи находятся под воздействием сигналов сложной формы, у которых постоянные времени сильно отличаются. Удобным способом решения в этом случае будет Модуляционный Гармоничаеский Баланс [4,5,15], уравнения которого формулируются одновременно во временной области относительно «медленного» времени (информационная составляющая) и в частотной области относительно «быстрой» составляющей (несущая).

                        (2)

Здесь Vk(t) – k-я составляющая спектра V как функция времени. Остальные величины описаны  в методе Гармонического баланса [6,7,8, 9,10,11].

Сформулировав уравнения метода модуляционного гармонического баланса в дискретные моменты времени уравнения (1), можно объединить уравнения системы и уравнения цепи. В этом случае каждая часть может анализироваться своей специфичной программой моделирования.  

Построение системы  совместного моделирования.

Для построения системы совместного моделирования были выбраны системы моделирования Matlab/Simulink [12] и Rincon[10,13]. Выбор системы Simulink как средства системного моделирования был обусловлен только тем, что она имеет в своем составе средства расширения библиотек элементов при помощи языков общего назначения, например C++. Система Rincon, в свою очередь, обеспечивает расчет цепи методом модуляционного гармонического баланса; кроме того, он имеет встроенные средства, позволяющие интегрировать его в другую среду – он может принимать информацию об изменяющихся параметрах сигнала и о времени их изменения и учитывать их в собственных расчетах. Взаимодействие Simulink-Rincon построено так, что Rincon рассматривается как один из дискретных элементов Simulink с фиксированной частотой дискретизации сигнала. Simulink так же выполняет функции планировщика расчетов и визуализации результатов. Rincon, в свою очередь, получает информацию о текущих амплитудах сигналов, рассчитывает режим цепи и передает требуемые данные назад в Simulinnk. Список параметров, номера их гармоник, а так же некоторые дополнительные данные передаются в Rincon в виде параметров.

Пример использования.

Для демонстрации возможностей системы, проанализирована модель тракта системы с QAM16 модуляцией (рис. 1), совместно с усилителем мощности (рис. 2) представленным на уровне цепи. Параметры сигнала представлены на принципиальной схеме усилителя. Показан спектр на входе и выходе  усилителя мощности (рис 3). Видно расширение спектра из-за влияния нелинейностей усилителя. Использованный при анализе усилитель описан в [14].

Заключение

В настоящем докладе приведены принципы реализации среды многоуровневого смешанного моделирования с использованием ко-симуляции для анализа тракта коммуникационного оборудования. Рассмотрены методы, используемые на различных уровнях моделирования и способы их заимодействия. Описана реализация новой среды, которая позволяет использовать модели разных уровней. Приведена иллюстрация использования описанного подхода к расчету тракта  передачи.

Литература

1. Piet Wambacq et al., High-level Simulation and modeling tools for mixed signal front-ends of wireless systems, Proc of AACD, Spa, Belgium, March 2002, http://www.imec.be/design/pdf/mixsig/ aacd2003_wambacq[1].pdf

2. Uwe Knochel, Jurgen Hartung, Approaches to consider analog RF components in system level simulation of mobile communications, ANALOG 2002, Bremen, May, 2002, pp. 219-224.

3. M. Schiff, Baseband Simulation of Communication Systems, Ap. Note AN 133, April, 26, 2000, Elanix, Inc.

4. How-Siang Yap, "Designing to Digital Wireless Specifications Using Circuit Envelope Simulation", Applied Microwave & Wireless, June, 1998, pp. 84-89.

5. Г.В. Сердюк, Б.Н. Шелковников, Многоуровневое моделирование приемо-передающего тракта, Труды 14й межд. Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии», КрыМиКо-2004, стр. 151-154.

6. Б.Н.Шелковников, В.П.Жабицкий. Спектральный  анализ нелинейных электронных схем при  воздействии двух сигналов произвольной мощности.<Автоматизация проектирования в электронике>,  Респб-к, Киев, 1982, вып.25, стр.91-100.

7. B.N.Shelkovnikov, K.S.Sunduchkov, G.V.Serdyuk, Lomaka V.L., A.A.Mikryukov, O.V.Kolchanov, Mathematics and Software for Microwave Circuit Design; Proc. of the International Symposium on Signals, Systems and Electronics (ISSSE'92), Paris, 1992;

8. D. Goodman, G.Serdyuk, RINCON - A Rigorous Tool for Accurate RF/Microwave modeling and simulation.http://www.ridgetop-group.com/resource_center/ RINCON_Modeling_VHDL_FD_Article.pdf

9. Gennady Serdyuk, Boris Shelkovnikov, VHDL-AMS Subset Usage for Harmonic Balance Circuit Simulation, Conf. Proceedings, TCSET-2004, Lviv, Slavsko, 2004.

10. Gennady Serdyuk*, Boris Shelkovnikov, VHDL-AMS Modeling for Harmonic Balance Circuit Simulation, Conf. Proc., MIKON-2004, Warshava, 2004

11. http://www.mathworks.com/simulink

12. G. Serdyuk, D. Goodman, VHDL Approach Improves Nonlinear Simulation,  Microwaves & RF, November 2001, pp. 76-102.

13. C.-C. Huang et al, Analysis of Microwave MESFET Power Amplifiers for Digital Wireless Communications Systems, IEEE Trans. on MTT, vol. 52, No. 4, April 2004, pp. 1284-1291.

14. Ken Kundert,  Simulation Methods for Rf Integrated Circuits, ICCAD-97, November, 1997.

15. Kurt R. Matis, Multilevel Simulation of WCDMA Systems for Third-Generation Wireless Applications, http://sss-mag.com /pdf/wcdma.pdf