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用基于测量的行为模式提高系统模拟的准确性

Wissam Saabe、Zacharia Ouardirhi和Tony Gasseling，AMCAD Engineering

随着通信系统的快速发展，制造商面临的主要挑战是如何设计智能、安全和节能的系统。这就需要频繁地引入新技术来满足这些要求。新的5G标准已到来，随着有源天线系统（AAS）的发展，给基站的结构带来了根本性的变化。

为了理解这些新的通信系统的复杂性，图1显示了一个抽象的系统高层，其中问题被分解成三个部分：

·         由许多辐射单元组成的天线

·         射频前端由各种模拟功能组成，如（功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、混频器、滤波器和移相器）。

·         管理信号处理的数字模块（DSP）、波束赋形控制算法和射频电路的非线性补偿。

这个系统的结构分解需要几个不同专业团队（例如研发或生产）在设计时间不同步的情况协作。如果这些团队之间存在依赖关系，控制整个项目的成本可能是一个挑战。例如，委托给DSP团队的PA线性化系统的尺寸和调整只有在电路团队生产PA时才能进行。因此，这些需要对某些元件进行原型设计的级联任务导致了很长的上市时间。

如果由于团队之间的协调不力，整个系统没有达到目标规格，那么在演示系统制造完成后，可能需要进行非常昂贵和耗时的测试和调整。这个开发和生产的周期见图2。

自上而下的设计流程

在图2中，系统的"自上而下"的设计流程包括将系统的整体规格分解为子规格。然后，系统架构师的工作包括定义每个电路的子规格，通过平衡每个模块的约束条件来构成整体解决方案，并优化整个链路的设计和生产成本。

链路上某一元件的目标规格越是严格，该电路的成本就越重要。系统架构师需指出哪些具体的电路必须开发，哪些现成的电路必须集成。

每个电路的尺寸是非常重要的。每个电路的理论模型可以用来预先估计整体性能。因此，通信系统结构的优化需要模拟工具来评估和验证整体性能，或多或少的理论模型表明每个元件的增益、噪声系数或甚至线性标准（图3）。

一旦构成系统的每个电路都被使用，生产团队就有不同的选择。历史上的方法是进行第一次系统组装，看看是否符合目标规格。根据链路所处理的信号的复杂程度，优化和工程阶段是必要的，以达到预期的性能，如图2的反馈回路所示。根据系统的复杂性，每次迭代可能需要几个月的工作和几十万美元，如果是由几千个阵元组成的有源天线，甚至会更多。

基于模型的系统工程

现在系统架构师的首选方法是尽可能早地预测每个技术选择对整个产业链的影响，甚至在生产阶段之前，以避免任何隐患。最近，制造商已经倾向于一种被称为”基于模型的系统工程（MBSE）"的设计方法。¹这种方法包括在开发的各个阶段用模型来支持系统的规格定义、结构、分析、验证和确认等任务。

这样一来，链路上每个元件的精确模型都是必要的。如图4，完善规格的迭代循环只在模拟过程中进行，而不再是在制造后阶段。在这种情况下，对系统模拟中的电路模型的准确性有了完全的信心。这样就有可能实施真正的自下而上的设计流程，包括在生产前检查系统的整体规格。

自上而下的设计方法已经在很大程度上证明了它在设计系统数字部分的IC方面的作用。²这种方法使得从规格上进行电路的综合成为可能。它通过时域的数据流模拟（定时数据流）整合了一个自下而上的验证阶段。这些模拟技术由于其速度和可靠性而被证明是有效的，这要归功于通过高级描述语言对数字块的高度抽象化。

对于系统的模拟部分，类似的方法是可取的，但在这种类型的模拟中考虑来自射频/微波电路的关键影响要困难得多。例如，考虑到非线性、记忆效应和失配等行为，对系统层面的验证至关重要。不幸的是，电路类型的模拟已被证明不适合这种高层的抽象，因为要处理宽带调制信号，需要大量的计算工作和漫长的模拟时间。

为了实现准确和快速的系统模拟，有必要为每个射频电路提供一个可靠的行为建模解决方案，以简化每个电路的描述，同时不损失关于每个块的行为知识的质量。这要使用数学方程来描述每个电路的输入和输出端口之间的关系。

这些方程用于准确地再现所观察到的电路行为，无论是从测试台上获得的测量结果，还是从更多的物理电路模拟中获得的测量结果，构成电路本身的每个基本元件都是事先进行精确建模的对象。

近年来，在这一主题上做了许多工作。本文主要对用于系统模拟的PA行为建模感兴趣，这在分析和优化通信系统方面至关重要。

RFPA行为模型

各种专门的商业软件允许通信系统的架构设计来评估整个传输链的误码率的性能。这些模拟器是一种定时的数据流类型，允许在时域内对以数字信号形式编码的信息进行有效的模拟。然而，只有考虑到模拟前端模块，特别是PA所造成的衰减，这种模拟才是现实的。

不幸的是，设计者面临着缺乏有效的方法来正确地在系统层面上对PA进行建模，无论是从测量的数据还是从每个电路的模拟数据。尽管电路类型的模型使其有可能在相对简单的信号（CW，2音）上获得真实的行为，这要归功于频域的分析技术（谐波平衡法），但问题太大，无法在时域解决，特别是用包络瞬变（ET）方法，导致模拟时间过长。模拟收敛问题也可以被观察到。现在，测量中的表征手段使我们有可能了解应用信号的真实性能。另一方面，如果希望测量电路参数（负载阻抗、偏置、温度）和信号（平均功率、峰均比、带宽）的每一个变化，数据的数量很快变得很重要。

目前，这些系统模拟器中提出的模型只能准确地再现电路的行为，而激励条件相对接近于用于提取模型的条件。例如，聚谐波失真模型，³，定义为S参数的非线性扩展。这个模型在系统模拟器中被当作设备的静态非线性增益。尽管这个模型被证明在模拟电路的响应时是相对精确的，当后者被一个CW信号激励时，它在模拟调制信号时很快表现出明显的不准确性。

相反，广义记忆多项式模型⁴，可能忠实地再现受调制信号影响的电路的输出。然而，由于电路模拟器（ET模拟）的限制，模型的提取只能从测量数据中提取，而且只对具有与识别信号相同特性（带宽、平均功率、频率、PAPR）的信号保证其准确性。

文献中提出的许多模型³，是基于Volterra系列或神经网络的变种。然而，在商业模拟器中没有这些模型的实现。即使集成定制模型是可能的，也需要只有少数工程师掌握的专业技能，这给制造商开发和维护这些模型带来了实际风险。

最后，制造商发现自己没有一个有效的程序来真实地虚拟化他们的通信系统的行为，并从MBSE方法为不同的用例所带来的所有优势中获益，而射频信号的统计数据事先是完全已知的。因此，解决这一挑战的办法是拥有可用的电路行为模型，这些模型在使用方面更加通用，同时限制了提取程序的复杂性。

综合建模工作流程

一个综合建模工作流程需要提供一个实用的解决方案来提取、模拟和使用系统模拟器中的这些行为模型。这方面的一个例子是VISION建模工具。这个程序的一个关键点是能够从测量或模拟结果中提取电路的模型（图5）。例如，一个线性电路的行为模型可以通过使用VNA或电路模拟进行简单的S参数表征来获得。

由于这种频域表征不能直接与数据流类型的系统模拟器兼容，"设备建模器”工具可以自动创建一个时域的描述函数(图6)。用户可以在”System Architect”环境中直接应用这个模型，使用宽带应用信号的”ET”模拟，看到电路的频率分散对信号的影响（纹波、滚降等）。

将模型导出到系统模拟器，可以让系统工程师获得更真实的模拟结果，而不是使用电路的名义增益或损耗（S21）值。同时，导出的模型集成了求解器，它计算了每个模型端口的电压和电流之间的隐含关系，从而使其成为双边的。更确切地说，每个端口的入射波和反射波都可以在系统模拟器层面上得到。

这种方法可以对通信系统进行全面评估，考虑到系统模拟环境中射频块的阻抗失配。这种为线性电路描述的方法完全可以移植到非线性电路的建模中，如PA。所提出的解决方案得益于从连续时间建模理论中开展的工作⁵，它可以管理大的阻抗失配和短期记忆（图7）。

通过在综合建模工作流程模拟器中完全设计射频前端的架构，系统工程师可以受益于组成子系统的每个电路的高级模型和模拟器预测模型在每个架构节点上的相互作用的能力。

这些建模和模拟能力为创建一个射频前端数字孪生体铺平了道路。这个数字孪生体承载着现实的准确表述，用于系统层面的模拟、优化和预测。此外，在系统的所有开发阶段，它存储并获取每个元件的所有可用数据。

这些可能性已经在一些系统级的应用中得到了呼应。现在提出一个例子，作为系统设计者的一个热门话题：有源天线的射频前端结构的精确模拟。通过这种类型的分析，设计者试图了解架构中没有环行器时对系统的影响。去掉环行器可以降低结构的成本和尺寸。另一方面，天线和前端之间的相互作用对放大器产生新的干扰，影响系统的整体性能。

有源天线的前端模拟

这里提出了一个前端架构的模拟，以显示使用先进的行为模型的好处。前端模块包括一个数字步进衰减器（DSA）和数字移相器（DPS），以实现所需波束的导向。如图8，PA位于这些设备之后，直接与天线的端口相连。

天线⁶包含36个辐射阵元，并通过S参数矩阵进行了表征。同样，DSA电路和DPS也用不同数字控制状态的S参数进行了表征。该模块由两个数字端口控制，有7位和8位，代表32,768个状态。它们中的每一个都用S参数进行了表征。图9和图10显示了每个电路的S参数对给定的指令状态及其模型的配合。

为了考虑到天线对PA引起的失配效应，利用负载牵引测量对后者进行了表征。这些测量对应于不同频率和负载阻抗的AM-AM和AM-PM特性。图11显示了在特定输入功率下的模型与测量的增益。

图12显示了有源天线架构在所开发的综合建模工作流程系统中的实现。因为该系统是以命令总线的形式描述的，所以模拟时考虑到了连接到天线36个端口的36个PA之间的相互作用。因此，天线所呈现的有源阻抗作为天线波束导向命令的函数，对每个PA都有所表示（图13）。

由于负载阻抗的分散，放大器的性能受到影响。传递到天线的信号在功率和相位上的变化可能会影响波束导向和系统的整体效率。图14显示了这些特性的变化与PA的位置和导向波束的角度的关系。

这种分析是可能的，因为双边行为模型考虑到了PA和解算器输出端的失配，它有效地管理了复杂架构的大量阵元。利用这种类型的模拟，系统工程师可以探索不同的架构和电路设计，以评估最佳组合，满足系统规格。

结论

几年来，CAD工具已经提供了先进的功能，以适应通信系统的发展。AAS架构的复杂性要求系统模拟器结合不同领域的分析，如辐射板的电磁分析、前端部分的电气分析和信号处理模块的数字分析。系统的规模非常大，为了在合理的时间内获得模拟结果，对天线和前端的建模进行了简化。这影响了整体的性能预测，也不能让工程师对这个系统模拟程序有足够的信心。

越来越需要使用可靠的行为模型来充分利用系统模拟，从而优化操作参数，更好地确定射频电路的规模。本文介绍了一种射频电路行为建模方法，它是工业流程的一部分，包括测量或模拟数据、准自动提取和在内部模拟器和系统模拟器中实施。

此外，这种新方法已经在模拟由大量射频通道组成的有源天线前端的背景下演示了PA的双边建模。这种类型的系统模拟是快速的，并允许根据输入功率、频率和天线波束的仰角和方位角等操作参数来评估性能。此外，还可以评估其他配置，其中工程师可以改变天线结构或射频电路。这些能力为模拟中的协同设计和系统验证过程铺平了道路，使系统设计者能够大大减少开发时间和上市时间。

参考文献

1.      Y. Wang, T. Steinbach, J. Klein and R. Anderl,”Integration of Model Based System Engineering into the Digital Twin Concept,” Procedia CIRP, Vol. 100, 2021, pp. 19–24.

2.      G. Gielen,”CAD Tools for Embedded Analog Circuits in Mixed-signal Integrated Systems on Chip, Computers and Digital Techniques,” IEEE Proceedings, 2005.

3.      J. Verspecht and D.E. Root,”Polyharmonic Distortion Modeling,” IEEE Microwave Magazine, Vol. 7, No. 3, June 2006, pp. 44–57.

4.      D. R. Morgan, Z. Ma, J. Kim, M. G. Zierdt and J. Pastalan,”A Generalized Memory Polynomial Model for Digital Predistortion of RF Power Amplifiers,” IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 54, No. 10, Oct. 2006, pp. 3852– 3860.

5.      E. Ngoya and S. Mons,”Progress for Behavioral Challenges: A Summary of Time-domain Behavioral Modeling of RF and Microwave Subsystems,” IEEE Microwave Magazine, Vol. 15, No. 6, Sept.-Oct. 2014, pp. 91–105.

6.      R. Lamey, M. Thevenot, C. Menudier, E. Arnaud, O. Maas and F. Fezai,”Interleaved Parasitic Arrays Antenna (IPAA) for Active VSWR Mitigation in Large Phased Array Antennas With Wide-Angle Scanning Capacities,” IEEE Access, Vol. 9, pp. 121015-121030, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3108231.

图1 有源天线系统结构。

图2 基于实验的V-模型设计周期。

图3 在V型设计周期中进行的初步系统模拟。

图4 基于模型的设计方法的V-模型设计周期。

图5 一个综合建模工作流程。

图6 系统模拟示意图。

图7 整合了频率色散方面的PA非线性建模。

图8 前端架构示意图。

图9 天线S参数的子集。

图10 DPS+DSA S参数的子集。

图11 在特定的压缩水平下的PA增益。

图12 综合建模工作流程系统（VISION）中的有源天线示意图。

图13 在三个不同的波束导向角度（0°、10°、30°）下呈现给36个PA的反射系数。

图14 Pout/PAE与连接到天线16号端口的PA的θ角对比。