För att kunna simulera RF-kretsar krävs det simuleringsmodeller. Den här artikel, författad av Takao Inoue, National Instruments, och Joel Kirshman, AWR (som numera tillhör National Instruments) visar hur man kan ta fram egna simuleringsmodeller automatisk med hjälp av instrument och systemsimuleringsmjukvara.

Att prediktera ett RF-systems prestanda är svårt för resultatet beror på noggrannheten hos de modeller som används vid simuleringen, simuleringens nivå (länkbudget, spurioser/intermodulationsanalys, tidsdomänanalys som EVM [error vector magnitude] m.m.), och den tid som behövs för att bygga eller modifiera modellerna och simulera detaljerade modeller.
Visst kan mått som NF, 1 dB-kompression och förstärkning hos ett RF-system byggt av kommersiellt tillgängliga standardkomponenter beräknas med en viss noggrannhet med hjälp av kalkylark, men kalkylark brukar inte klara andra ordningens termer, och att lägga till sådana data genom att för hand bygga en egen modell kan bli tidskrävande.

Automatiskt och noggrant
Ett mer automatiserat och noggrannare arbetssätt är att använda en kombination av test- och mätinstrument och systemkonstruktionsmjukvara när man bygger egna modeller.
I den här artikeln diskuteras ett arbetssätt där instrument och LabVIEW från National Instruments kombineras med AWRs simuleringsmjukvara Visual System Simulator (VSS). Metoden ger anpassade modeller som blir tillförlitliga och kan användas vid prediktering av prestanda hos RF-system.

RF-systemkonstruktion och modeller
Verifiering av RF-delsystemens prestanda är ett viktigt steg i konstruktionsprocessen. Med simuleringsmjukvaran VSS kan man inkludera delsystemets alla komponenter i simuleringen och få fram systemprestanda på länknivå, t ex i tidsdomänen och med länkbudget. Vid de här simuleringarna är det viktigt att tänka på vilken typ av modeller man använder, eftersom modellernas noggrannhet är nyckeln när det gäller att avgöra hur noggrant RF-delsystemets prestanda kan predikteras. En annan sak som är viktig vid prediktering av prestanda är simuleringsnivån och hur lång tid simuleringen tar.

Konstruktionsexempel: Att lägga till en blandare
I det här exemplet lägger vi till en blandare i delsystemet som visas i fig 1.

Fig 1. Insättning av en blandare i ett RF-delsystem.(Klicka här för större bild)

Som utgångspunkt för modellen använder man vanligen de komponentdata som tillverkaren tillhandahåller, liksom spuriostabellen och tabellen med lokaloscillatorns övertoner (fig 2).

Fig 2. Utgå från kända data från tillverkaren.

Men om det behövs andra arbetspunkter eller frekvenser och att tillverkarens data inte räcker till för modellen? Normalt skulle man behöva gå tillbaka till labbet och göra en ny mätning. Det är tidsödande att ställa i ordning testmiljön, få fram all nödvändig utrustning och kalibrera den, göra en referensmätning och korrelera den, göra den nya mätningen, verifiera den, upprepa mätningen och slutligen skapa den anpassade modellen.
En bekvämare, automatisk metod är att göra detta med hjälp av National Instruments programmerbara mätlösning. Metoden är snabb och repeterbar, har automatisk generering av tabeller för senare användning i simuleringsprogramvara och är inriktad enbart på de mätningar som behövs.
Fig 3 visar en modulär konfiguration med två vektorsignalgeneratorer till vänster, en vektorsignalanalysator i mitten och switchar och spänningsaggregat till höger.

Fig 3. National Instruments programmerbara mätlösning.

I den här exempelkonfigurationen kan två signaler genereras och skickas till blandaren, och olika komponenter kan sättas in och tas bort kring de olika mätpunkterna. Man får ett mycket kompaktare mätsystem som blir helautomatiserat med hjälp av National Instruments programvara LabVIEW.
På generatorsidan kan man specificera och programmera vilket frekvensområde man vill testa. Om man t ex är intresserad av vissa övertoner eller spurioser, kan man ställa in de frekvenserna på frontpanelen. Man kan också göra skript för egna scenarier som man vill mäta och skapa tabeller för. Fig 4 visar var man har skript för egna scenarier, ställer in frekvensområdet, ställer in olika effektnivåer och väljer vilken enhet modellen ska genereras från.

Fig 4. Fönstret med vektorsignalgeneratorns frontpanel där man specificerar och programmerar egna mätscenarier.

På analysatorsidan (fig 5) anger man vilket frekvensområde man vill mäta och för vilket man vill skapa en tabell. Det viktiga här är att data kan skrivas i en AWRDE-kompatibel textfil (AWR Design Environment) som uppdateras automatiskt i AWRs simuleringsprogramvara VSS.

Fig 5. Vektorsignalanalysatorns frontpanel i LabVIEW.

I bakgrunden finns LabVIEW-koden som konfigurerar instrumenten och ställer in mätningarna. Eftersom LabVIEW är helt programmerbart man göra modifieringar på en mycket djupare nivå än på frontpanelen. Se fig 6. Enskilda parametrar kan ställas in, t.ex. harmoniska/ickeharmoniska övertoner och effektnivåer, och man kan lägga in repetitionsslingor och göra specialanpassningar för iterering av vissa saker. Till exempel kanske det för vissa övertoner inte räcker med bara en mätning; det kan behövas medelvärdesbildning eller statistisk bearbetning. Allt det där kan göras i LabVIEW och läggas in på frontpanelen.

Fig 6. LabVIEW möjliggör detaljerad programmering för konfigurering på djupet.
(Klicka här för större bild)

När mätningen är avslutad läggs data direkt in i en textfil, och om man förbereder och anger textfilen i förväg i VSS går simuleringsdata omgående in i simuleringsfilen, vilket eliminerar steget med fysisk överföring av filen för import till simuleringen. Med programvarulösningen från National Instruments/AWR har man alltsammans framför sig, både mätningen som görs och simuleringen som körs bredvid. Data kan omedelbart importeras till programmet, tillämpas på modellen och återspeglas i simuleringsresultaten. Se fig 7.

Fig 7. Datafilen används till modellen i VSS.(Klicka här för större bild)

Fig 8 visar resultaten av simulering i VSS. Datafilen visas i projektträdet (cirkel 1), och cirkel 2 visar hur data kan se ut för en OIP3-mätning. Cirkel 3 visar tabellen från LabVIEW-sekvensen. Informationen läses automatiskt in av programvaran, och nu är uppgiften att gå tillbaka och utvärdera systemet på nytt och se hur RF-delsystemet fungerar efter att mätningen har gjorts och datatabellen genererats för den anpassade modellen.

Fig 8. Simuleringsresultat i VSS. (Klicka här för större bild)

Fig 9 visar hur VSS presenterar de uppdaterade simuleringsresultaten med de nya data. Man kan se spurioserna i diagrammet, se resultaten i tabellform och ta med resultaten i datafilen.

Fig 9. Uppdaterade simuleringsresultat i VSS där man använt en ny modell som genererats med hårdvara och mjukvara från National Instruments.(Klicka här för större bild)

Karakterisera själv
Många gånger räcker det inte med tillverkarens data eller standardmodeller för systemet man konstruerar, utan det behövs en specialmodell som man kan karaktärisera själv så att det går att göra en noggrann prediktering av RF-delsystemets prestanda. Normalt skulle det innebära att man måste återvända till labbet och göra egna mätningar, vilket kräver timmar av arbete med att göra en labbuppställning, kalibrera utrustningen, korrelera, verifiera och skapa den egna modellen. National Instruments och AWR kan nu erbjuda en integrerad, programmerbar mätlösning som underlättar arbetet. Med National Instruments hårdvara och mjukvara kan man automatisera dataframtagningsprocessen och automatiskt importera data till VSS för simulering och på så vis få en snabbare och noggrannare metod för prediktering av prestanda hos radiofrekventa delsystem.

Filed under: Mikrovag