基于羅德與施瓦茨(R&S)公司的矢量源和信號分析儀可以充分利用仿真設計軟件的優勢，構建無線系統的通用仿真平臺，完成從天線設計、射頻電路與系統仿真、頻率合成仿真、基帶信號處理等全系統仿真任務。同時利用儀表測試的準確性，在設計的不同階段，對于從天線到射頻到基帶、從模擬到射頻的系統和模塊進行測試，以優化系統設計，滿足研發和測試人員的多方面需求。
無線系統設計流程
在整個無線通信系統的研發中，我們采用自上而下的方式。第一步是系統級設計：對系統進行論證和分析，對系統要完成什么樣的功能，達到什么樣的性能指標，哪些功能用硬件電路來實現，哪些功能用軟件實現做好規劃。第二步是電路級設計，也可稱為子系統設計：在此會把整個系統分為幾個有機的模塊，對分模塊進行設計，針對每一個模塊進行精心設計，如果有的模塊仍然比較復雜，還可對該模塊進行細分。模塊設計完成以后，第三步是產品的硬件系統設計：對模塊和子系統進行相應設計，并盡早引入測試儀表以保證設計的準確性。第四步是產品的集成和驗證：在保證模塊和子系統準確性的前提下，完成系統集成和總體測試，觀察是否完成預期的目標；如果仿真出現問題，就需要重復修改設計，直至通過。最后，在形成產品之前，進行必要的設備批準和生產，以此完成產品的開發過程(圖1)。
從系統設計流程可以看出，為了節省設計周期，應該盡早的引入測試環節，這樣可以保證整個系統的準確性。
圖1：自上而下的設計流程框圖。
仿真系統
對于雷達和通信等無線系統，按其功能通常可分為幾個部分：反饋部分、射頻收發部分、頻率源部分、基帶信號處理部分，其中基帶處理部分又包括信源編解碼、信道編解碼、交織解交織、擴頻解擴、調制解調、信道均衡和加密解密等。軟件無線電的概念提出來以后，所有的基帶處理都可以在通用的DSP和大規?？删幊踢壿嬈骷蠈崿F。但是，在系統設計之初，必須確定系統的各類參數和工作模式，軟件算法實現的可行性，因此有必要進行系統各模塊的仿真和全系統仿真?，F在市面上的EDA設計軟件中，AWR的MWO(Microwave Office)和VSS(Visual System Simulator)作為功能強大的仿真設計軟件，可以用于當今多種復雜無線通信系統的設計和仿真，而且由于其易用性受到了較多的青睞。
MWO設計套件提供業界最強大、最靈活的射頻/微波設計環境。MWO采用獨一無二的AWR高頻設計平臺，結合開放式設計環境和先進的統一數據模型，實現了前所未有的開放性和交互性，不僅便于使用，還能順應設計過程中每個階段的需要來整合業界最佳工具。面向對象的統一資料庫與電路圖、模擬資料和布局資料實現自動同步，提供設計人員所需的一切資料。一個方案的從構思經仿真直接進入實際操作，全部都在一個平臺即可完成。該產品的最新版本將繼續協助微波設計人員提高工作效率、縮短設計周期，并加快射頻/微波產品上市。AWR的VSS是一套功能完備、用于設計完整的端對端通信系統的套件。VSS不僅可以用于系統級的各種通信系統的結構設計，可以對系統中采用MWO、Matlab、C＋＋完成的各個模塊進行分析和調用。利用VSS的獨特功能，設計人員能夠針對當今復雜通信設計的每一個基礎元件，設計出正確的系統架構并確定適當的規格(圖2)。
圖2：基于MWO和VSS的系統設計框圖。
測試系統
對于整個無線系統而言，在完成最初的仿真后，為了保證設計的準確性，我們需要對各個設計階段進行驗證。無論從基帶和射頻的角度，還是從模擬到數字的角度來看：現有的測試系統需要相應的接口以完成不同模塊、不同階段的測試。除此之外，由于現有的被測系統具有的多樣性特點，測試系統提供的接口需要盡可能地靈活以滿足不同的被測設備。R&S公司的矢量源和信號分析儀可以提供從基帶到射頻、從模擬到數字、從單端到差分、以及從輸入到輸出的多種接口以滿足設計和測試的多方面需求。
R&S的矢量源從SMU200A到SMBV，都可以通過實時或者ARB的方式產生所需的測試數據，同時SMU獨特的雙通道設計理念和內置衰落模擬器功能可以方便的進行不同的配置以滿足不同的測試需求。另外所有矢量源提供的基帶、射頻接口可以對無線系統中的不同鏈路模塊進行測試；而基帶部分(包括基帶源AMU及AFQ系列)提供的基帶模擬和數字IQ輸入、輸出接口又可以滿足不同被測器件的需求。R&S的信號分析儀從FSQ到FSV系列，也可以直接分析從基帶到射頻的輸入信號，通過解調選件、矢量分析選件或內置的移動通信選件完成對不同設計階段的數據分析。另外，FSx系列提供的模擬和數字IQ輸入輸出接口，不但可以對不同的模塊進行分別測試，還可以完成相應的數據采集功能，以方便在后續進行數據處理(圖3)。
圖3：矢量源SMU及信號分析儀FSQ。
除此之外，對于基帶仿真及測試所需的數字接口，由于標準和使用器件的差異性，需要滿足不同速率、不同接口形式、不同電平形式的數字接口。R&S提供的EX-IQ Box可以將不同的邏輯電平形式、不同的速率、不同的接口形式轉換為R&S統一的TVR290接口，并且支持矢量源和信號分析儀的數字IQ輸入和輸出，可以方便地和被測設備進行連接。此外，對于最新版本的EX-IQ Box，也可以支持OBSAI和CPRI接口(圖4)。
圖4：應用于矢量源及信號分析儀的EX-IQ Box接口。
基于矢量源與信號分析儀的仿真及設計方案
如前所述，為了節省整個設計周期并且盡可能的保證設計的準確性，我們需要將仿真、設計和測試系統聯系起來，以達到最佳的設計效果。對應仿真系統而言，它主要通過軟件進行分析，而被測系統往往都是硬件設備。因此，在設計中需要將軟件和硬件有機的結合起來完成相應的工作。而我們的測試系統恰恰可以作為整個軟件系統和硬件系統連接的橋梁，達到優化設計的目的。測試系統及仿真系統的連接，可以通過GPIB或LAN口實現(圖5)。
圖5：基于R&S矢量源、信號分析儀以及VSS仿真軟件的仿真及設計方案框圖。
AWR公司的TestWave軟件將測試測量(T&M)設備與通信系統和射頻/微波電路仿真軟件相整合。結合MWO和VSS仿真軟件，TestWave為無線系統和射頻/微波電路設計人員提供了一個全面整合的設計流程，它將電路圖仿真、測試信號生成與測試測量驗證合而為一。這些功能讓設計人員能利用半實物仿真進行計算機比較研究。在同一環境將這兩個以前脫鉤的開發階段整合，將能夠節省寶貴時間。其功能特色主要在于：連接VSS和MWO與外部測試測量設備、 全面整合設計流程，最終達到節省時間、加快產品上市的目的。
仿真及測試系統應用
從設計的角度來看，最初我們可以完成從仿真系統到硬件系統的模擬(圖6)；也可以完成從硬件系統到仿真系統的模擬(圖7)。從仿真系統到硬件意味著：首先可以通過仿真軟件建立我們需要的波形文件，然后通過ARB的方式傳送至矢量源，通過其不同的接口完成相應模塊測試；從硬件系統到仿真軟件意味著：將被測的硬件設備直接和我們的信號分析設備相連，通過不同的接口在儀表內做相應的數據采集，然后發送至仿真軟件進行模擬測試。這也是我們在整個仿真及測試系統里的基本應用。
圖6：從仿真系統到硬件系統的模擬。
圖7：從硬件系統到仿真系統的模擬。
當然，在仿真和設計系統中，也可以把硬件系統作為仿真環節的一部分進行相應的環路模擬仿真(圖8)。首先通過仿真軟件得到測試波形，發送至矢量源作為被測設備的激勵源，信號分析儀采集被測設備的輸出信號后傳送至仿真軟件進行分析?；谶@樣的應用，可以將被測硬件設備作為整個仿真系統的一部分。
圖8：硬件系統作為仿真環節的一部分。
除此之外，還可以把仿真系統作為硬件鏈路的一部分，進行相應的硬件系統測試(圖9)。仿真軟件將信號分析儀的數據采集完以后，在軟件內完成相應的運算，實時修改相應的預失真算法并發送至矢量源作為被測設備的激勵源，以此不斷完成相應的測試任務，并進行相應的算法開發。
圖9：仿真系統作為硬件鏈路的一部分，線性預失真測試系統。
集成R&S信號產生方案的仿真及設計系統
在整個無線系統的仿真和設計中，VSS為研發和測試人員提供了從最底層到系統級的設計方案，可以發揮設計人員最大的自主性。例如，基帶設計工程師可以利用此結構一直深入到信號的各個層面，甚至自己定制或修改信號。為加快相應的設計，VSS集成了R&S公司的WinIQSim2信號產生軟件，可以方便地產生完全符合通信標準的各種復雜的數字調制信號，如GSM、WCDMA、Wimax、LTE等。射頻工程師則不需要深入信號的細節，就能設置各種參數如信號功率、調制以及進行相應的物理層參數設置。這樣，從系統設計到模塊設計，從基帶設計工程師到射頻設計工程師都可以根據自己的需要選擇適合自己的設計方法，完成從仿真到設計再到測試的各個階段工作(圖10)。
圖10：集成R&S公司WinIQSim2的信號產生方案。
在此，我們分別給出基于矢量源及信號分析儀的軍用FMCW系統及民用LTE無線系統的仿真及設計方案。
1. 基于矢量源和VSS的FMCW雷達系統
如圖11所示，整個仿真系統包括收發兩部分，其中為了進行階段測試，由VSS設計生成的FMCW信號除利用在仿真系統外，還可以直接傳送至矢量源，從矢量源的射頻直接輸出，進而對系統模塊進行驗證。
圖11：基于矢量源和VSS的FMCW雷達系統。
圖12所示為FMCW系統仿真結果，除FMCW信號源的時域、頻域外，也給出了接收機的中頻輸出的功率譜。通過仿真結果可以對我們的設計系統進行相應指導。
圖12：基于VSS的FMCW雷達系統的仿真結果。
2. 基于R&S矢量源、信號分析儀以及VSS的LTE測試系統
如圖13所示，LTE測試系統中包含接收和發射兩部分。在VSS系統中，根據LTE的標準生成LTE測試信號，作為我們被測設備的激勵源。信號分析儀采集被測設備的輸出，傳送至我們的仿真系統，并行相應的結果分析。
圖13：基于R&S矢量源、信號分析儀以及VSS的LTE測試系統。
圖14所示為被測系統的實測結果，可以得到被測系統的EVM及IQ星座圖。除此之外，我們也可以從上至下看到LTE測試系統中的收發模塊設計。
圖14：基于R&S矢量源、信號分析儀以及VSS仿真軟件的LTE測試系統的測試結果。
本文小結
在目前的無線通信系統設計中，需要對從開始階段引入測試以保證設計的準確性。本文從設計流程的角度討論了仿真系統及測試系統在整個研發生產中的作用。 R&S公司的測試儀表以及AWR公司的仿真軟件可以很好的將仿真、設計及測試融為一體，方便的在設計、研發、生產、測試各個階段滿足客戶的不同需求。從設計實例可以看出，R&S的矢量源及信號分析儀在VSS仿真系統的幫助下，可以廣泛應用于各種軍用、民用的無線通信系統設計中，為研發設計提供指導性幫助。
作者：馬志剛
無線通信產品經理
羅德與施瓦茨中國有限公司
參考文獻：
1. 構建一個無線系統通用軟件仿真平臺 胡偉東等 無線電工程 2004.12
2. 寬帶無線網絡系統級仿真分析 楊育波、蔣海林等
3. 3G無線網絡系統級仿真與網絡規劃 孫犁輝 移動通信 2006.8
4. R&S SMU、FSQ、EX-IQ Box Manual
5. MWO & VSS & TestWave Manual
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