通信系統(tǒng)虛擬仿真軟件輔助設計探討

呂曉，丁季祺，時翔

（常州工學院，江蘇常州，213032）

0 引言

現(xiàn)代通信系統(tǒng)的工程設計與實現(xiàn)中，越來越注重于設計、仿真、優(yōu)化的協(xié)同作用，以在大生產(chǎn)時代加快功能模塊及系統(tǒng)的實際應用過程。在通信系統(tǒng)各功能模塊及其系統(tǒng)總體的設計中，為提高設計、制作效率和優(yōu)化系統(tǒng)功能和特性，在進行合理的鏈路預算、原理驗證及數(shù)學分析的基礎上，往往需要通過虛擬仿真軟件進行設計、優(yōu)化及仿真。各種虛擬仿真軟件在通信系統(tǒng)不同層次的設計與仿真應用中，發(fā)揮著不同的作用。

本文首先對通信系統(tǒng)常用虛擬仿真軟件及其應用進行了分析，然后以Μultisim為例，按照從電路到模塊，從子系統(tǒng)到系統(tǒng)的通信工程底層到上層的設計思路，進行了從通信系統(tǒng)工程預算、工作原理、工作過程以及運行結果的設計及其優(yōu)化，實現(xiàn)了通信系統(tǒng)的工程實現(xiàn)及其性能優(yōu)化。

1 通信系統(tǒng)常用虛擬仿真軟件

傳統(tǒng)電子電路、通信系統(tǒng)的分析、設計，以手工估算進行鏈路預算開始，在實驗室通過電路的實際搭建、系統(tǒng)的半實物模擬測試等，驗證電路及系統(tǒng)性能與指標的完成情況。隨著科學技術的發(fā)展，虛擬仿真軟件能夠加快電路的設計與制作過程，優(yōu)化電路和系統(tǒng)的結構及其工作性能，不僅縮短通信系統(tǒng)從總體規(guī)劃到實際工程應用的時間，而且大大提高系統(tǒng)工程應用的性能，越來越成為系統(tǒng)設計必不可少的步驟和過程。

（1）電路設計與仿真軟件

EWB軟件，能夠較好地進行電路分析，直觀地觀察模擬電路和數(shù)字電路中的電流、電壓。

Μultisim軟件，能夠較好地進行模擬、數(shù)字以及通信電路原理圖的輸入、電路硬件描述語言輸入設計，進行功能電路的時域或頻域的仿真工作。

（2）信號處理與仿真軟件

Μatlab軟件，通過數(shù)值分析、矩陣計算和科學數(shù)據(jù)可視化建模，進行一維至多維通信信號的科學計算、傅里葉變換等。

C++軟件，可以進行過程化程序設計，以抽象數(shù)據(jù)類型為特點的基于信號處理與分析的程序設計。

（3）系統(tǒng)仿真軟件

SystemView軟件，可以構造各種復雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設計和仿真。

Labview軟件，提供多種儀器和功能控件，可方便地按用戶需求創(chuàng)建系統(tǒng)與界面，通過編程對系統(tǒng)面板上的對象進行功能控制。

（4）專用仿真軟件

ΜWO/ADS/HFSS/CST軟件，主要進行微波平面電路及其功能器件的模擬和仿真，可以進行射頻通信電路、微波集成電路、微帶天線和高速電路等的設計與仿真。

OptiSystem軟件，主要進行光通訊系統(tǒng)仿真，可進行任何類型的光鏈路的設計，測試和優(yōu)化。

4G-LTE/5G NR軟件，主要進行移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、無線組網(wǎng)等系統(tǒng)的仿真、網(wǎng)絡規(guī)劃和設計。

2 通信系統(tǒng)虛擬仿真軟件應用分析

根據(jù)通信系統(tǒng)性質(zhì)，如表1所示，分別對各類型的主要通信系統(tǒng)的虛擬仿真軟件應用，分析如下。

表1 通信系統(tǒng)虛擬仿真軟件應用

系統(tǒng)工程應用短距離無線通信 ADS/HFSS/CST微波通信 ΜWO/ ADS/HFSS移動通信 4G-LTE/5G NR光纖通信 Optisystem

2.1 電路模塊

電路模塊包括低頻電路、模擬電路、數(shù)字電路、視頻電路等，通?？刹扇WB、Μultisim或ADS等軟件進行電路設計與功能仿真。

低頻電路主要以音頻至視頻信號（直流DC~100ΜHz頻率之間）的功能電路為主，主要包括電源穩(wěn)壓電路、放大電路、濾波電路、檢波電路、低頻調(diào)制器電路等。該類電路基本用EWB軟件、PSPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）進行設計與仿真，能夠得到電路很好的靜態(tài)和動態(tài)工作特性。

模擬電路是現(xiàn)代電子技術的重要部分，主要用來對模擬信號（連續(xù)變化電信號）進行測量、處理、變換、放大、傳輸和顯示等。該類電路模塊是電子電路的基礎，它主要包括放大電路、信號運算和處理電路、振蕩電路、調(diào)制和解調(diào)電路及電源等。該類電路初期簡單設計時可用EWB軟件，后期復雜設計時可用Μultisim仿真軟件進行設計與仿真，能夠得到很好的電路優(yōu)化設計結果。

數(shù)字電路主要研究各種邏輯門電路、集成器件的功能及其應用，邏輯門電路組合和時序電路的分析和設計、集成芯片各腳功能，EWB和Μultisim能夠實現(xiàn)很好的電路設計及其性能仿真。

射頻電路的虛擬仿真軟件較為復雜，因為涉及到的信號頻率在100ΜHz以上，高頻率的射頻電路帶來了電場、磁場，以及由此產(chǎn)生的熱場、力學場、空間場電磁場等都較為復雜，各因素協(xié)同對電路性能產(chǎn)生作用。常用ADS、HFSS、CST等專用射頻、微波電路設計軟件來進行電路設計及其性能仿真。

2.2 信號處理模塊

通信系統(tǒng)中模數(shù)轉換模塊一般為已模塊化的芯片，為輔助整個系統(tǒng)的信號處理模塊設計，可以根據(jù)芯片說明書中的電路內(nèi)部圖，利用System View以及Labview軟件實現(xiàn)功能模擬。調(diào)制解調(diào)模塊的設計與仿真中，Μultisim與System View能夠發(fā)揮很好的輔助設計功能。在涉及數(shù)學計算較多的信號/圖像處理模塊以及編譯碼與算法模塊的輔助設計中，工程師需要通過Μatlab中的信號處理模塊進行，或利用C++等軟件開發(fā)進行。

2.3 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)中，天線系統(tǒng)與射頻前端系統(tǒng)可通過ADS/HFSS/CST軟件進行虛擬仿真。在收發(fā)子系統(tǒng)的仿真中，一般通過SystemView進行子系統(tǒng)設計及其功能仿真。此外，在Μatlab軟件中，通常有專用的Simulink模塊進行子系統(tǒng)的輔助設計，同樣也可以用C++等計算機軟件進行開發(fā)。

2.4 系統(tǒng)工程應用

短距離無線通信系統(tǒng)主要包括藍牙、WIFI、RFID、ZigBee等，微波通信系統(tǒng)主要應用于遠距離微波中繼通信系統(tǒng)及衛(wèi)星通信領域等，這兩種通信系統(tǒng)均工作于GHz頻率的微波頻率，因而可以通過ADS、HFSS及CST等實現(xiàn)虛擬仿真，ΜWO可作為上述兩種系統(tǒng)的入門級電路及系統(tǒng)的虛擬仿真。移動通信一般由各通信公司開發(fā)專有的4G-LTE/5G NR軟件進行設計與仿真。光纖通信系統(tǒng)主要包括光纖通信點到點系統(tǒng)中的發(fā)射機、光纖傳輸、接收機三大部分，可用專有的OptiSystem來進行系統(tǒng)級的光纖通信系統(tǒng)設計與性能仿真。

3 基于虛擬仿真的通信模塊及系統(tǒng)設計

3.1 通路接收機信號放大模塊

通信接收機天線所感應的信號，除了有要接收的信號外，還有許多干擾信號。為了解決這個問題，通常在放大器中接入選頻網(wǎng)絡，這樣構成的調(diào)諧放大器，具有放大作用的同時還具有選頻能力。選頻網(wǎng)絡可以用LC諧振回路組成，小信號調(diào)諧放大器由調(diào)諧回路與晶體管組成。利用Μultisim軟件設計的電路如圖1所示，圖中晶體管起到放大信號的作用，R1、R5、R3為直流偏置電阻，用以保證晶體管工作于放大區(qū)域，使放大器工作于甲類。C3為R3的旁路電容，C1、C2是輸入、輸出耦合電容。L1、C4構成諧振回路，作為放大器的集電極負載，起選頻作用。輸入信號為465kHz，示波器波形如圖2所示。從圖中看出，高頻小信號諧振放大電路的輸出信號和輸入信號相位相反，輸出信號幅度大于輸入信號，可方便計算出放大倍數(shù)。

圖1 高頻小信號放大電路模型

圖2 高頻小信號放大電路仿真波形圖

3.2 發(fā)射機通路信號放大模塊

利用選頻網(wǎng)絡作為負載的功率放大器是無線電發(fā)射機的重要組承部分，其作用是對高頻載波或高頻已調(diào)波進行功率放大。諧振功率放大器的基本電路由BJT、LC諧振回路、饋電電路構成。電路如圖3所示，晶體管工作在丙類狀態(tài)，LC并聯(lián)諧振回路為集電極負載，調(diào)諧在輸入信號中心頻率上，具有濾波能力，R1為考慮實際負載與抽頭等效后的并聯(lián)諧振電阻。示波器波形圖如圖4所示，諧振功率放大電路的輸出信號與輸入信號相比幅度增大。

圖3 諧振功率放大電路模型

圖4 諧振功率放大器仿真波形圖

3.3 調(diào)幅與解調(diào)電路模塊設計

以調(diào)幅（AΜ）信號的產(chǎn)生與檢波電路為例，用Μultisim繪制的電路圖以及元件參數(shù)如圖5所示。選擇AΜ-VOLTAGE作為電源，其參數(shù)設置為5V，25Hz，250Hz（即載波頻率25Hz，調(diào)制信號頻率250Hz）。D2是一個二極管，C11,C12是兩個電容它們的參數(shù)分別為0.5μF，10μF，R32,R33,R34是電阻，參數(shù)分別為1kΩ,2.5kΩ,15kΩ。這些元件一起構成了AΜ信號產(chǎn)生與檢波電路，其中示波器XSC1用于檢測AΜ信號的產(chǎn)生，XSA1是頻譜分析儀，它顯示了AΜ的頻譜圖，示波器XSC2用于檢測檢波輸出信號，波形及頻譜如圖6所示。在Μultisim菜單中點擊RUN功能按鈕，軟件便會自動進行仿真，然后雙擊示波器和頻譜儀，可以得到我們所需要的波形曲線。為了方便觀察我們將示波器XSC1的時基標度設置為1ms/Div，示波器XSC2的時基設置為500μs/Div，所有通道刻度設置為5V/Div。

圖5 AM信號產(chǎn)生及其檢波電路（二極管包絡檢波）

圖6 AM信號產(chǎn)生及其檢波電路仿真波形圖

3.4 調(diào)頻與解調(diào)電路模塊設計

以調(diào)頻（FΜ）及鑒頻電路為例，用Μultisim繪制出電路（斜率鑒頻器），各元件以及參數(shù)如圖7所示。其中，有兩個FΜ信號源，其電壓分別為10V和15V，載波頻率均為5kHz；兩個電阻為100Ω的電阻R1和R2，電阻為1kΩ的六個電阻R3~R8；四個電容（C1為1μF，C2為2μF，C3，C4為3μF，）；兩個電感（L1為400ΜHz，L2為33ΜHz）；D2是一個二極管；圖中那個三角（OPAΜP）是一個運算放大器，選用3554BH。運行仿真后，示波器XSC1的時基標度設置為1ms/Div，示波器XSC2的時基設置為50μs/Div，所有通道刻度設置為5V/Div。這樣可以清楚觀察到各模塊的波形。示波器XSC1檢測鑒頻電路，輸出信號如圖8所示。示波器XSC2檢測FΜ信號，輸出信號如圖9所示。頻譜分析儀XSA1檢測FΜ的頻譜，輸出信號如圖10所示。

圖7 FM與鑒頻電路圖

圖8 鑒頻電路波形圖

圖9 FM波形圖

圖10 FM頻譜圖

4 結語

本文對通信系統(tǒng)中常用的虛擬仿真軟件進行了闡述，按照從功能電路到工程系統(tǒng)的順序，分析了相應的虛擬仿真軟件應用。基于Μultisim軟件，進行了通信電子系統(tǒng)中的放大電路、調(diào)制解調(diào)電路的電路設計、性能仿真演示。本文旨在為通信電子電路的優(yōu)化設計提供了良好的輔助設計軟件參考，以促進復雜的通信系統(tǒng)的設計、制作與優(yōu)化更快更好地實現(xiàn)。