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Using Behavioral Models to Drive RF Design
and Verify System Performance

 
  利用行為模型趨動射頻(RF)設計及驗證系統效能(下)  

Colin Warwick, Mike Mulligan
The MathWorks, Inc

 

     
 

射頻工程師可利用從系統電路模擬或是測試儀器得來的結果,驗證系統中的RF設計。再次強調,RF工具箱是提供給RF工程師作為使用時域訊號處理與頻域設計的橋樑。針對RF做頻域到時域的轉換,比起單純反負立葉轉換要來的複雜許多。頻率響應是依據複數形式的訊號與衝力響應(Impulse responses)做對應,以頻寬作訊號模擬,將避免訊號在高頻載波上使用極小取樣時間做模擬,花費冗長模擬時間的情況。將資料量處理能力提高是很有價值的,因為一般的系統模擬在計算錯誤率時,必須累積到一百萬筆資料才會開始做計算的動作。

除了頻率響應之外,雜訊及非線性系統都可以用模組來描述。

案例:使用模組化設計(Model-Based Design)

圖一是依據IEEE 802.11a所建構,點對點無線通訊系統的實體層模型。傳送端和接收端內包含了基頻與射頻模組,以及通道(Channel)模型。規範中制定了傳送器的演算法、通道模型及接收器應具備的效能。接收器的部份,設計團隊必須依據規範開發符合接收器效能的演算法。


圖一:點對點無線通訊系統的實體層模型

圖二是”OFDM Transmitter”這個子系統(subsystem)的內部架構。從子系統中我們可看到適應性正交編碼頻分多工(OFDM)的組成模塊。依據規範制定,不同的通道狀況(雜訊強度)傳送不同的資料量。


圖二:正交編碼頻分多工 (OFDM)模塊展開
內部包含了訊號處理模塊,依據規範產生符合的訊號。

回到圖一,我們在正交編碼分頻多工 (OFDM) 模塊之後,連接了一個訊號衰減模塊(path loss),此模塊用來表現訊號於傳送器和接收器傳送的訊號衰減情況。這個範例中,無線通訊通道模擬靜態的訊號衰減,因此,這樣的衰減在接收端可以很容易地將訊號回復。類似的高速移動通訊系統還包括了W-CDMA或IEEE 802.16e。

在通道模型後,我們將接收器分兩個部份:射頻部分與數位訊號處理部份。在這個範例中,一如大部份的現代無線通訊系統,射頻處理和一般的數位訊號處理是同時存在。訊號處理部份包含了程式庫模塊及使用者定義模塊。以圖一接收器的訊號處理部份為例,等化器及適應性調變控制模組是採用內建的MATLAB功能模塊(Embedded MATLAB Function block),Simulink提供多種使用者自行定義功能的函式庫,Embedded MATLAB Function block是其中一種。

我們將焦點從訊號處理轉移到射頻處理,接收器的射頻電路是由四個模塊所組成,使用”Input port” 和”Output Port”模塊與訊號處理部份做區隔,如下列圖三所示。


圖三:射頻接收器圖塊內部架構圖,包含四個射頻處理模塊與兩個轉換模塊

輸入及輸出區塊用來表明訊號從訊號處理頻域(基頻同相與正交訊號以時域複數形式的實數與複數做表示)轉換到射頻域(零件在不同頻域將顯現不同的特性,對於輸入訊號有不同的影響)。就像我們上面所提到的,在射頻域中,我們可以利用數學式表示頻率範圍的改變(將某個頻帶訊號的中心頻率提升到另一個高頻頻域),等同於基頻訊號的複數形式。因此模擬速度可符合加快的需求。

>在圖三中,在輸入模塊(Input purt)後的第一個模塊是S參數濾波器,之後是射頻放大器(RF amplifier)、混波器、及中頻放大器(IF amplifier)。放大器是依據S參數、噪音指數及三級截點(簡單的表現非線性特性)所定義的。混合模塊的設定參數,如:相位雜訊,變頻頻率(LO Frequency)…等等,因為LO在概念上巳經內建在混合區塊內,只有RF 及 IF可以在圖3及4中描述 (a及b)


(圖表4a)


圖表4b
圖表4(a及b): 混波器模塊實際上包含了混波器及其相關的震盪器

在尚未開始設計元件之前,這些可調整參數的模塊可作為定義元件規格的一種方式(參數設定符合規範,因此也可將這些模塊用於驗證設計結果)。

在這個範例中,一開始的設計概念,在前端加入了雜訊及非線性特徵,讓我們設計的模組能夠符合802.11a的規格。初始設計最大資料傳輸量只到達12至18MB/s,而非規範要求的54 MB/s。這種結果告訴建構系統的工程師需修改系統規格以符合規範。在這個階段,系統工程師會將接收端零件的所有參數都做評估,包含增益和雜訊指數,目的是平衡每個處理階段,並且抗衡所產生的雜訊,讓每一個元件的制定規格都能夠被實現。這是典型將增益分配到最佳化時常遇到的問題。如果在濾波之前有太大的增益,互調(intermodulation)的工作將被限制其效能,增益太小,則雜訊會變成限制因素。對於每一個設計重覆使用性來說,系統工程師模擬了該模型,進而可以計算接收器的敏感度,不僅提供建構符合規範模組的功能,還能幫助工程師了解對於不同的設計參數,其敏感度為何。這樣的方式,增益分配能夠針對雜訊及非線性做成最佳化。系統工程師可以針對每一個元件的規格作定義,然後提供給RF設計團隊。

之後,系統工程師可以針對專案選擇一些功能相似的零件做驗證;不論是一般用途,還是從半導體廠商、客戶從RF工程團隊取得的特定應用標準產品。在這個個案中,一般的電路元件區塊可以接受同一時間做一個或者多個的placeholders轉換,包含可以匯入測量數據,或是電路模擬器的模擬結果(如圖五)。模型環境提供使用者調整網路參數的能力;極座標(polar plane)或史密斯圖(Smith chart)可以用來確認匯入的資料是否符合需求(如圖六)。


圖五:當設計系統架構時,可以從程式庫替換不同的區塊

藉由真實的元件和placeholders結合,我們可以把模擬結果與理想增益做比較,就非線性、雜訊、及網路元件而言,討論實際電路的效能與理想電路的差異。就如同系統層面的設計,比較訊號經過傳輸衰減前後的訊號錯誤率計算。


圖六:在placeholder放大器後
以測量數據表現具體模型做替換;其特性可直接在圖上顯示。

結論

這個範例說明了模組化設計如何幫助設計團隊發展系統規格,在此一環境下,其設計能夠包含成本、效能、功率消耗和其它的考量項目。系統架構者以行為模式建立模型和傳遞RF規格,將所有的相關需求都包含在交付給RF設計團隊的模型中。這個相同的模型在後續的設計流程中被重新定義,最後得到RF工程師將規格實體化,以實際電路設計的結果。RF工程師從他們使用的EDA工具及測試數據將資料匯入模型中,目的是希望在早期系統設計流程中,驗證RF在系統層的效能。 比方說,RF工程師在有限的成本考量下可能無法達到某些特定元件的規格。系統架構者可以修改模型,藉以使用一個較經濟、可實現的規格,同時評估對於整個系統效能上的影響,以及(若必要的話),調整其它元件對應上述規格的修改;利用訊號處理部份做驗證,降低設計重工的機會。 此一流程比起傳統的發展流程,更能夠辯識、評斷、並且矯正早期系統設計層面易發生的問題。因此,使用階層式模型化射頻設計,能夠幫助使用者快速找出問題、做更有效率的問題修正,而且能夠容易地評估訊號在系統層與射頻部分的轉換,同時提升效能及降低研發成本。