綜合化射頻信道的半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)*

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

微波電路及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，常規(guī)設(shè)計(jì)方法下部件級(jí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)一般都要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)件、改進(jìn)件、樣件、正式件等多次設(shè)計(jì)改進(jìn)才能成功，而系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)更是要在部件級(jí)產(chǎn)品研制成功后才能聯(lián)試驗(yàn)證，若是需要改進(jìn)又要返回到各部件的設(shè)計(jì)修改和生產(chǎn)加工，因而一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)往往陷入多次設(shè)計(jì)改進(jìn)的循環(huán)當(dāng)中，所需研制時(shí)間和經(jīng)費(fèi)都非常巨大。綜合化射頻前端是將多種功能系統(tǒng)的射頻信道綜合化設(shè)計(jì)的空前復(fù)雜的射頻微波系統(tǒng)，射頻信道的綜合化設(shè)計(jì)是電子信息系統(tǒng)綜合化程度提升的關(guān)鍵所在，常規(guī)設(shè)計(jì)方法顯然已經(jīng)無(wú)法滿足要求。從20世紀(jì)90年代開始，微波EDA(Electronic Design Automatic)軟件得到了長(zhǎng)足發(fā)展，已經(jīng)可以利用軟件仿真較為真實(shí)地模擬實(shí)際電路來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果[1]，再結(jié)合現(xiàn)代化的測(cè)試技術(shù)和設(shè)備，逐步形成了軟件仿真與硬件電路結(jié)合、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)結(jié)合的半實(shí)物仿真(Hardware-in-the-loop Simulation，HLS)設(shè)計(jì)方法[2]，大大降低了射頻微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和研制周期，為復(fù)雜射頻微波系統(tǒng)的快速研制提供了可能。本文就是結(jié)合半實(shí)物仿真系統(tǒng)，講述綜合化射頻信道的設(shè)計(jì)流程和方法，并討論設(shè)計(jì)中需要注意的一些關(guān)鍵問(wèn)題。

2 綜合化射頻信道基本類型

綜合化射頻信道一般應(yīng)用于需要多種電子信息系統(tǒng)協(xié)同工作的小型平臺(tái)，按照應(yīng)用環(huán)境和需求的不同，常見(jiàn)的綜合射頻信道的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般分為以下3種：典型軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)，如美軍的易話通系統(tǒng)(Speak Easy)；硬件通用設(shè)計(jì)的多通道結(jié)構(gòu)，但由于信道無(wú)法共享，設(shè)備數(shù)量相對(duì)最多，集成度較差；多路可配置信道組網(wǎng)的方式，即按照同時(shí)使用的功能系統(tǒng)的最大數(shù)目來(lái)確定射頻信道數(shù)量，利用射頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和中頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)連接通用模塊形成所需的多路射頻信道，這樣就可以用最少的信道來(lái)完成系統(tǒng)所有的功能，并且信道間具有相互備份的作用，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)既可多通道同時(shí)工作，又能夠分時(shí)共享信道資源，因而適用范圍廣，集成度和可靠性高，是綜合化信道設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，如美軍F-22的CNI系統(tǒng)以及F-35的整個(gè)電子系統(tǒng)都是基于該種構(gòu)架。但因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)信道要滿足所有系統(tǒng)的使用要求，同時(shí)要考慮信道之間的相互影響、切換時(shí)間等因素，設(shè)計(jì)難度大，研制成本高。本文所論述的基于半實(shí)物仿真的綜合化射頻信道設(shè)計(jì)方法就是針對(duì)該種結(jié)構(gòu)。

圖1 多通路綜合化射頻信道結(jié)構(gòu)示意圖

3 基于半實(shí)物仿真的綜合化射頻信道設(shè)計(jì)方法

射頻微波信道設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)流程通常包括了系統(tǒng)需求及可行性分析、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、電路仿真設(shè)計(jì)、電路加工調(diào)測(cè)試、系統(tǒng)級(jí)聯(lián)試等主要過(guò)程[3]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，所有流程構(gòu)成一個(gè)大的循環(huán)，各個(gè)步驟之間相對(duì)獨(dú)立，對(duì)于多功能綜合化的系統(tǒng)，由于制約因素眾多，這樣的設(shè)計(jì)流程下，常常在最終的系統(tǒng)聯(lián)試時(shí)才能發(fā)現(xiàn)某些需求分析或系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)就存在的問(wèn)題，如果需要更改射頻微波硬件產(chǎn)品的性能指標(biāo)會(huì)相當(dāng)困難，往往需要重新設(shè)計(jì)加工，因而高性能復(fù)雜系統(tǒng)的研制往往需要多輪研制改進(jìn)才能完成，大幅增加了研制周期和成本[4]。

微波電路的半實(shí)物仿真(Hardware-in-the-loop Simulation)是微波產(chǎn)品設(shè)計(jì)中軟件與硬件緊密結(jié)合的設(shè)計(jì)方法[5]，相對(duì)常規(guī)實(shí)物驗(yàn)證設(shè)計(jì)和純軟件輔助設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是在設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，不論是部件級(jí)還是系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，都是通過(guò)軟件的預(yù)先仿真和實(shí)物驗(yàn)證來(lái)形成周期較短的閉環(huán)流程，保證了每一步設(shè)計(jì)的正確性，防止到最終階段才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題需要重新設(shè)計(jì)的情況發(fā)生[6]。基于半實(shí)物仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程示意框圖如圖2所示。

圖2 基于半實(shí)物仿真的綜合射頻信道研制流程

3.1 系統(tǒng)需求及可行性分析

因?yàn)榫C合化多通道射頻信道涉及的功能系統(tǒng)眾多，因此設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行統(tǒng)一考慮，與單一系統(tǒng)射頻信道的研制相比，綜合化射頻前端設(shè)計(jì)中系統(tǒng)需求分析和可行性分析是必不可少的部分，同時(shí)也是其它設(shè)計(jì)工作開展的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)需求及可行性分析主要是在詳細(xì)了解整個(gè)綜合化信息系統(tǒng)工作流程的基礎(chǔ)上，確定所需共用射頻信道的數(shù)目，根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)對(duì)信道的要求和現(xiàn)有技術(shù)水平，歸納射頻信道的總體指標(biāo)要求，并分析各指標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)及如何綜合調(diào)整，為綜合化射頻信道的研制提供設(shè)計(jì)目標(biāo)和依據(jù)。該階段設(shè)計(jì)以軟件仿真為主，并注意將已有功能系統(tǒng)設(shè)備通過(guò)測(cè)量和參數(shù)提取代入仿真系統(tǒng)，以提高仿真的真實(shí)性。同時(shí)多通道信道仿真結(jié)果一般要采用列表的方法進(jìn)行對(duì)比分析，主要遵循如下原則：

(1)高性能優(yōu)先：在可以實(shí)現(xiàn)的前提下指標(biāo)取所有功能系統(tǒng)中的最高指標(biāo)以保證通用能力；

(2)主要功能系統(tǒng)優(yōu)先：在指標(biāo)實(shí)現(xiàn)有困難時(shí)，確保主要功能系統(tǒng)的指標(biāo)必須滿足要求；

(3)集成度考慮：在實(shí)現(xiàn)主要功能的基礎(chǔ)上要求最大程度的集成化和通用化。

3.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)是在已經(jīng)明確的系統(tǒng)指標(biāo)基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、電路級(jí)指標(biāo)分解等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)分析。本階段工作依然以軟件仿真為主，同樣要注意將已有的電路級(jí)單元通過(guò)測(cè)量和參數(shù)提取代入仿真系統(tǒng)。

如圖2中所示，在初步方案設(shè)計(jì)后，對(duì)系統(tǒng)主要指標(biāo)進(jìn)行半實(shí)物仿真驗(yàn)證，判定是否達(dá)到要求。沒(méi)有達(dá)到時(shí)，要進(jìn)一步判定是前面的指標(biāo)要求過(guò)高還是方案設(shè)計(jì)問(wèn)題，若是指標(biāo)要求過(guò)高無(wú)法實(shí)現(xiàn)，便要返回到上一步重新進(jìn)行需求及可行性分析并進(jìn)行指標(biāo)調(diào)整；如果是系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)問(wèn)題，就要對(duì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，再進(jìn)行仿真，不斷循環(huán)直到所有主要指標(biāo)達(dá)到要求。因?yàn)樯婕肮δ芟到y(tǒng)較多、指標(biāo)也較多，系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)可能需要多次循環(huán)才能完成。但因?yàn)楸倦A段主要以軟件仿真為主，花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用都不會(huì)太高，同時(shí)結(jié)合了已有電路的實(shí)際情況，軟件仿真的可信度較高，為下一步電路級(jí)設(shè)計(jì)工作的開展提供了充分的保證。

3.3 電路仿真設(shè)計(jì)

電路仿真設(shè)計(jì)是在已經(jīng)明確的電路指標(biāo)要求基礎(chǔ)上，對(duì)綜合射頻信道的電路級(jí)組成部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。電路仿真設(shè)計(jì)依然以軟件仿真為主，需將已有的單元通過(guò)測(cè)量和參數(shù)提取代入仿真系統(tǒng)。與前面的設(shè)計(jì)相比，射頻電路級(jí)設(shè)計(jì)中，因?yàn)閷?shí)際電路的各種指標(biāo)和性能與結(jié)構(gòu)尺寸、接口等有很大關(guān)系，在仿真時(shí)關(guān)鍵部分要采用更為深入的三維場(chǎng)仿真，特別是小型化是綜合化射頻信道設(shè)計(jì)的目的之一，為此其電路設(shè)計(jì)常采用微波多層板及LTCC等立體結(jié)構(gòu)，場(chǎng)仿真更是必須的。三維場(chǎng)仿真能更好地模擬實(shí)際電路的情況，它與實(shí)際電路參數(shù)提取建模一起，可有效提高仿真的可信度和設(shè)計(jì)的成功率。

與系統(tǒng)設(shè)計(jì)類似，電路仿真設(shè)計(jì)也要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、仿真、判定是否達(dá)到要求的多次循環(huán)。在判斷指標(biāo)過(guò)高需要修改時(shí)，要注意該指標(biāo)是否會(huì)影響系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)，特別是一些主要指標(biāo)需要修改，可能就需要從系統(tǒng)需求分析重新開始工作了。

3.4 電路加工測(cè)試

與常規(guī)設(shè)計(jì)研制流程不同，半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)中電路加工測(cè)試分為關(guān)鍵電路加工測(cè)試和其它電路加工兩部分，除了完成實(shí)際電路的加工調(diào)試外，還需要對(duì)前面的仿真進(jìn)行更深入的驗(yàn)證。綜合化射頻前端結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電路眾多，如果全部電路直接加工試驗(yàn)件來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)，工作量和成本都會(huì)非常巨大。為此，電路設(shè)計(jì)完成后，要確定對(duì)系統(tǒng)影響較大、風(fēng)險(xiǎn)大的電路作為關(guān)鍵電路，先進(jìn)行試驗(yàn)件的加工測(cè)試驗(yàn)證，而其它電路因?yàn)檩^為成熟，設(shè)計(jì)把握較大，在詳細(xì)仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上不需要做試驗(yàn)件的實(shí)物驗(yàn)證。

先完成關(guān)鍵電路加工測(cè)試，再利用儀器和軟件將實(shí)際的關(guān)鍵電路代入仿真系統(tǒng)，一方面判定關(guān)鍵電路對(duì)系統(tǒng)的影響程度和是否滿足使用要求，另一方面驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否符合實(shí)際情況，并可根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)關(guān)鍵電路以及其它電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)調(diào)整。以Agilent儀器和ADS仿真軟件為例的典型半實(shí)物仿真驗(yàn)證系統(tǒng)示意圖如圖3所示。當(dāng)關(guān)鍵電路通過(guò)設(shè)計(jì)修改和加工測(cè)試實(shí)現(xiàn)后，可對(duì)所有其它電路進(jìn)行加工測(cè)試，不滿足要求的進(jìn)行局部的設(shè)計(jì)改進(jìn)。這樣充分利用了軟件仿真來(lái)作為試驗(yàn)驗(yàn)證，縮短了研制周期，也降低了成本。

圖3 半實(shí)物仿真驗(yàn)證示意圖

3.5 系統(tǒng)聯(lián)試

所有的電路加工測(cè)試完成，就可以進(jìn)行射頻信道系統(tǒng)級(jí)實(shí)物聯(lián)試了。與常規(guī)方法相比，半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)方法中，因?yàn)榍懊娴姆抡骝?yàn)證較多，很多指標(biāo)已經(jīng)不需要通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證，因而射頻信道的指標(biāo)驗(yàn)證工作量相對(duì)較小。當(dāng)各種指標(biāo)測(cè)試合格后，要對(duì)綜合射頻前端整個(gè)實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)提取和仿真建模，再利用軟件模擬前端的天線和后端的數(shù)字處理部分，仿真綜合化信息大系統(tǒng)中工作是否正常，所涉及的各種功能能否實(shí)現(xiàn)，這樣，可利用軟件模擬提前進(jìn)行大系統(tǒng)聯(lián)試，有問(wèn)題盡早解決，可以大大減少大系統(tǒng)實(shí)物聯(lián)試的工作量，并確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功。同時(shí)，對(duì)射頻信道實(shí)物系統(tǒng)的參數(shù)提取和建模也能達(dá)到驗(yàn)證最初的仿真設(shè)計(jì)是否正確的目的，并可作為以后其它射頻信道設(shè)計(jì)的依據(jù)和參照，是對(duì)整個(gè)信道研制工作的總結(jié)，對(duì)研制技術(shù)水平的提高和經(jīng)驗(yàn)的積累有著重要作用，應(yīng)該與前面的設(shè)計(jì)步驟一樣得到足夠重視。

4 設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題

為了實(shí)現(xiàn)綜合化信息系統(tǒng)的高性能、高可靠性、小體積、低維護(hù)成本，多通道射頻信道一直在朝著綜合化、小型化、通用化和可重構(gòu)等方向發(fā)展，其設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)對(duì)各種指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境綜合考慮的過(guò)程，因此，設(shè)計(jì)中除上面流程中的事項(xiàng)外還需要注意以下方面：

(1)充分考慮電磁兼容(EMC)要求：綜合射頻前端的特點(diǎn)就是會(huì)有多路信道同時(shí)工作，為了確保信道之間有足夠的隔離度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)中都要充分考慮電磁兼容性能，其中系統(tǒng)級(jí)著重于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和頻率源管理，而電路級(jí)設(shè)計(jì)偏重于EMC指標(biāo)的具體電路實(shí)現(xiàn)，采用良好的屏蔽、接地和濾波等EMC防護(hù)措施對(duì)綜合射頻信道設(shè)計(jì)是不可缺少的；

(2)了解國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)水平：各種新設(shè)計(jì)方法、新工藝手段和高性能器件的出現(xiàn)，為射頻信道的綜合化設(shè)計(jì)提供了可能，使很多指標(biāo)的設(shè)計(jì)難度和成本大大降低，如半實(shí)物仿真對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的影響，寬帶功放、低噪放對(duì)信道通用程度的影響，微帶多層板、LTCC等工藝對(duì)電路小型化的影響等，都是我們?cè)谠O(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮的；

(3)成本及可維修性設(shè)計(jì)：降低系統(tǒng)研制生產(chǎn)及維護(hù)成本是射頻信道綜合化設(shè)計(jì)的根本目的之一，設(shè)計(jì)中除了要考慮主要指標(biāo)的保證，還要注意進(jìn)行指標(biāo)平衡以減少設(shè)計(jì)難度和周期，采用通用化模塊設(shè)計(jì)以便于維護(hù)升級(jí)，使用成熟的商用技術(shù)以降低成本，不然其綜合化設(shè)計(jì)便失去了意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所論述的半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)方法將軟件仿真和實(shí)物驗(yàn)證緊密結(jié)合，其最大的特點(diǎn)是在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分利用軟件仿真作為試驗(yàn)驗(yàn)證的優(yōu)越性，并逐步加入實(shí)際電路一步一步將設(shè)計(jì)實(shí)物化，并在此過(guò)程中利用軟件和實(shí)物的結(jié)合不斷驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，形成了設(shè)計(jì)中環(huán)環(huán)相扣的閉環(huán)回路，不斷修正設(shè)計(jì)，保證每一步設(shè)計(jì)的正確性，從而有效降低了成本和研制周期，保證了設(shè)計(jì)的一次成功。其設(shè)計(jì)思路主要是“化復(fù)雜為簡(jiǎn)單”和“利用反饋來(lái)修正方向”，而其設(shè)計(jì)流程更是充分體現(xiàn)了“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)工作精神。

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