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    5G仿真解决方案 | 射频系统抗干扰仿真及应用

    来源:ANSYS中国

    2019年6月6日,中国工信部向中国移动、中国联通、中国电信№和中国广电发放5G商用牌照,中国的一5G时代宣告正式到来 。5G作为第五代移动通信技术,具有更高速率、更宽带宽、更高可靠性、更低时延等技术上    的一先进性特征 。


    4G改变了生活,5G将改变社会,5G除了在增强移动带宽应用场景下能够丰富多媒体类应用场景,在用户密度大的一区域增强通信能力 ,实现无缝的一用户体验ζ之外,基于大规模机器类通信的一物联网也是5G通信技术的一突破性应用场景,能够衍生出智慧城市、智能家居、环境监测、工业自动化控制、自动驾驶、远程医疗等诸多具体的一物联网应用方向,5G的一时代万物互联,新一代移动通信技术将给人类的一生活带来天翻地覆的一变化 。


    万物互联的一5G时代


    5G时代对多射频系统共存及抗干扰设计提出的一挑战


    从射频的一角度来看,5G技术先进性的一原因 之一是因 为5G通信设备工作在更高的一频率,拥有更多带宽 。根据3GPP的一定义,5G包括了如下图所示的一两个频谱范围,分别是Sub-6GHz低频№和mmWave毫米波高频,在每个范围内又●细分了数十个频段号用于分配给不 同国家的一不 同电信运营商使用 。


    比如中国移动得到了2515MHz-2675MHz№和4899MHz-4900MHz两个频段,中国电信得到了3400MHz-3500MHz频段,而中国联通则被分配到了3500MHz-3600MHz频段,放眼全球则各个电信运营商频段的一分配就更加复杂 。


    不 同的一频段在5G通信设备里都对应着特定的一射频前端系统的一硬件支持,对于5G通信设备而言,如何在拥挤而复杂的一频谱环境中让自己不 被其他频段设备干扰就成为了设计师必须要考虑的一问题 。


    5G频谱分布图

     

    此外,5G移动终端设备除了支持5G通信制式以外,还必须向下兼容老的一移动通信制式,比如2G GSM、3G WCDMA/CDMA2000/TDSCDMA、4G TD-LTE/FD-LTE等在未来相当长时间内仍然会继续提供服务,所以随着通信技术的一不 断发展,通信设备上    务必会搭载越来越多种类的一通信系统 。


    比如最近发布的一华为Mate 30 Pro 5G手机采用了最先进的一5G天线设计,机身共有21根天线,搭载了包括5G、4G、3G、2G、WiFi、BT、GPS、NFC等在内多达8种不 同移动通信系统,这些系统在单独工作的一时候不 会产生干扰问题,但当不 同的一通信系统同时工作的一情况下,产生的一互调/交调频谱分量或者噪声信号很可能被抬高,导致某些极度敏感的一通信系统(比如GPS)被严重干扰到无法正常工作 。


    集成包含5G在内多种通信系统的一手机仿真模型

     

    5G通信技术下,物联网应用场景大量爆发,除了移动通信设备外,在汽车、工业设备,国防设备等平台上    也会搭载包括5G通信在内的一导航、探测、通信、测控、数传等众多射频系统,丰富多样的一系统特性包括了复杂的一调制类型、超宽的一频率范围、丰富的一功率电平等 。


    这些平台上    往往包含数十个射频发射设备,这些发射设备中的一倍频器、混频器、功率放大器等由于谐波泄漏、杂散辐射等会产生大量的一交调产物,而扩频调制、调频工作等使杂散辐射频谱大量增加 。


    同时这些平台上    还包括了相当数量的一射频接收设备,这些接收设备的一工作频段各有不 同,其敏感频率(如镜像频率,谐波频率等)也各有不 同,随着软件无线电、数字化中频、宽带接收等技术的一采用,使这些接收系统受到干扰的一潜在风险大大增加,这些复杂的一电磁干扰以及与电磁频谱相关的一军事力 量、设备、系统№和平台的一影响成为决定整体系统№和平台效能至关重要的一因 素 。


    搭载多种通信系统的一平台设备


    完美的一射频系统抗干扰仿真方案需具备的一几大要素


    ANSYS射频系统抗干扰仿真方案提供了一个复杂射频环境中电磁干扰仿真的一数据管理与分析的一整体框架,将尖端的一仿真引擎与多保真参数化模型相结合,实现对任何环境下共址干扰的一准确预测,如运载平台、通信基站以及个人电子设备的一共存№和灵敏度降低等 。并且针对不 同保真度登记的一已知数据,可以进行不 同层级的一仿真分析 。


    这套仿真解决方案的一设计理念是允许设计师在设计早期阶段就开始仿真,直至整个系统设计完成后的一维护阶段 。在设计№和集成的一早期就可定位出共址干扰问题,当定位出干扰问题,在对设备或系统进行否认№和修改之前,便可以在软件中进行改善策略的一探索对比,从而帮助客户节省大量成本 。


    而说到射频系统共址及抗干扰仿真解决方案,所需要注重的一能力 包括以下几个方面 。


    1

    内置无线电模型库№和RF部件库,方便射频系统建模


    多通信系统共存情况下的一射频抗干扰仿真的一第一步是对射频系统的一建模,射频系统包含了收发机、滤波器、双工器、放大器、混频器、天线等诸多器件,能够支持用户方便快捷地实现射频系统建模成为抗干扰仿真工具的一重要技术要求 。


    ANSYS EMIT内置了多种通用的一无线电模型库,包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、GPS、WiFi、蓝牙、VHF/UHF通信、SINCGARS、CDL等许多通用的一无线电模型,用户可以直接调出使用 。对于实现特殊功能的一定制化无线电模型,客户也可以通过参数化输入对其发射频谱№和接收频谱进行定义,也可通过导入测试数据的一方式实现对未知无线电模型的一建模 。


    EMIT内置的一无线电模型库以及可扩展的一无线电模型

     

    EMIT软件中的一无线电模型(Radio)可以是收发信机(Tranceiver)、发射机(Transmitter)或接收机(Receiver),一个无线电模型中可以定义多个频段(Band),EMIT可对每个频段配置相应的一频率、功率电平、调制方式等无线系统参数 。对于发射机频谱可以配置频谱类别、发射功率、近端相位噪声、远端相位噪声、谐波、杂散等指标,对于接收机频谱则可以配置带内敏感度门限、混频器产物、带外杂散、饱№和电平等参数 。

    ANSYS EMIT:完美解决复杂环境中的一射频干扰(RFI)


    ANSYS EMIT是用于复杂环境中射频干扰(RFI)仿真的一业界领先软件 。EMIT与ANSYS HFSS紧密配合,将射频系统干扰分析与行业领先的一电磁仿真相结合,能够对天线到天线耦合进行建模,能够可靠地预测多天线环境(具有多个发射器№和接收器)中的一RFI影响 。众所周知,在测试环境中诊断复杂环境内的一RFI非常困难而且成本高昂,但是,利用EMIT的一动态链接结果视图,就可以通过图形化信号跟踪№和诊断总结功能显示干扰信号的一源头以及其到达接收器的一路径,从而快速确定任何干扰的一根源 。一旦找到干扰原因 ,EMIT就能快速评估各种RFI缓解措施,从而实现解决方案优化 。


    除了对无线电模型的一快速参数化建模外,EMIT还内置包含滤波器、多工器、环形器、隔离器、功分器、放大器、线缆等在内的一全面RF部件库,这些宽带部件模型可以生成搭建射频系统所用的一模块,这些部件模型可以利用EMIT内置参数化模型指定指标,或者通过其他仿真工具或测量获得的一特性数据生成模型 。射频系统模型中用到的一无线电模型、RF部件№和天线等模型的一定义可保存在EMIT部件库中以供将来使用,也可以共享给其他用户使用 。


    包含发射№和接收系统的一EMIT仿真模型

     

    2

    支持多种保真度的一天线耦合模型


    射频系统的一干扰路径主要基于各系统天线之间的一空间耦合,所以天线耦合数据成为决定射频系统抗干扰仿真准确性的一重要组成部分 。对于设计初期的一系统共存仿真验ζ证工作而言,该阶段一般尚不 具备搭载通信系统的一平台设备模型以及各系统天线的一具体设计模型,所以此时并不 能通过传统电磁场仿真工具得到天线耦合数据 。


    而EMIT有多种天线耦合数据的一定义方式,提供包括恒定耦合、路径损耗、路径损耗+增益、以及S参数等在内的一多保真度天线耦合数据供用户选择,耦合数据的一精度随之增加 。


    恒定耦合是指天线耦合量为用户设定的一与频率无关的一常数,用于系统设计初期的一天线耦合度指标分配 。
    路径损耗天线模型的一耦合量为基于自由空间内天线之间的一路径损耗,用于在设计初期考虑天线放置的一不 同位置对干扰程度的一影响 。


    EMIT还可以考虑自由空间内天线之间路径损耗以及相对方向上    的一增益计算︻得到的一耦合量,用于获悉天线设计类型之后的一更准确的一天线耦合数据提取▓,最准确的一方法则是通过测试或电磁场仿真得到的一宽带S参数数据用于表征耦合量,此数据充分考虑搭载通信系统平台№和天线的一相互影响,适合用于系统设计完成后的一最终抗干扰性能仿真验ζ证 。


    EMIT多保真度的一天线耦合数据模型

     

    EMIT内置了多种近似天线耦合模型,用于在具备更精确的一天线隔离数据之前进行系统共址的一抗干扰分析,在缺乏特定耦合数据的一情况下,EMIT也可以用来计算︻避免产生干扰所需的一天线间的一耦合量 。


    3

    快速准确的一天线耦合仿真算︻法


    为了实现更准确的一系统抗干扰仿真,用户需要用到更准确的一天线耦合数据来实现对射频系统的一建模,EMIT能够导入天线测试数据作为耦合模型,支持使用工业标准Touchstone文件格式描述的一宽带多端口隔离数据,而无需将所有的一数据容纳在单个Touchstone文件中,因 为EMIT会将所有待考虑天线间的一多组数据自动整合在一起 。


    EMIT还可以与ANSYS高频电磁场仿真工具HFSS联合工作,使用其商业化的一电磁求解器对多天线、大尺寸的一问题进行快速准确求解得到天线耦合数据 。


    HFSS具有的一增强弹跳射线法(SBR+)求解器,利用射线追踪技术求解天线在加载到大型平台上    以后的一辐射性能№和耦合数据,而且SBR+在传统的一弹跳射线法基础上    添加了多种改良算︻法,可以计算︻以前SBR算︻法无法求解的一边缘电流修正、入射波衍射、阴暗区电流分布、以及平台表面爬行波等各方面的一影响,是业界最精准的一射线法求解工具,可以轻松得到多副天线的一互耦数据 。


    HFSS SBR+求解器仿真复杂平台的一天线性能

     

    除了算︻法层面,HFSS作为专业的一电磁场仿真软件还具有其他方面的一巨大优势,集成了天线设计库,包含有数十种实际工程中常见的一天线种类,用户可以直接方便快捷地调用各种天线形式,还具备其他射线追踪工具所不 具备的一物理模型,拥有与业界主流三维MCAD软件的一接口,准确高效地实现大型平台模型的一导入导出 。


    软件具有强大的一图形界面,可以直观地了解天线在大型平台上    的一辐射场图,以及表面电流的一分布情况等 。绝大多数任务都在不 超过8G内存下完成求解,再配合HPC,利用硬件多核CPU№和GPU加速,实现快速仿真得到结果 。


    4

    考虑多射频系统所有干扰因 素


    EMIT的一1对1收发系统仿真对一对单独Tx/Rx通道进行仿真,同时包括了收发系统相关的一器件(如滤波器、电缆、放大器等)№和天线的一耦合度(ATA),最后计算︻出接收机Rx的一射频干扰冗余度 。


    EMIT功率流分析仿真射频系统干扰

     

    EMIT宽带射频干扰冗余度仿真结果见下图所示,蓝色曲线为接收机的一敏感度门限,该曲线代表了接收机的一宽带敏感度指标 。


    由于接收通道上    混频器的一非线性效应,所以不 仅接收带内的一干扰信号会影响灵敏度,在带外某些频点的一干扰信号与接收混频器进行高阶互调,产生的一互调产物也可能落在接收带内,从而引起接收机敏感度恶化,所以接收通道需要同时考虑带内№和带外干扰信号对灵敏度的一影响 。


    下图中橙色曲线是从发射系统耦合至接收端口的一频谱分量,低于蓝色敏感度门限的一频点表示不 会对接收机灵敏度造成干扰,而对超过门限的一频点则是引起接收通道性能恶化的一来源 。

    接收通道宽带射频干扰冗余度仿真结果

     

    EMIT还能计算︻带内的一峰值射频干扰余量 。由于混频器、放大器等通道上    的一多个非线性器件,导致经过多次复杂交调互调后可能落在接收带内的一干扰信号谱非常丰富,如果分别考虑这些信号对接收敏感度的一影响,从上    面的一宽带射频冗余度结果来看都不 会对接收系统灵敏度造成干扰 。


    但是,这些信号叠加起来产生的一带内噪声电平就很有可能超过接收机敏感度门限,造成灵敏度恶化 。所以如下图所示,EMIT的一带内峰值射频干扰余量则把多个落在接收带内的一干扰信号叠加起来,观察是否超越了接收机门限 。


    带内峰值射频干扰余量

     

    EMIT还可以仿真当多个发射系统同时工作时,在多通道之间产生的一有源互调交调产物,这些产物主要来源于两个方面 。

    第一是多发射机同时工作,产生的一发射频谱耦合到接收机后与接收通道上    的一射频前端非线性器件(如低噪声放大器、混频器等)产生的一交叉调试

    第二是不 同发射通道之间的一互调,发射频谱耦合到其他发射通道中,与其他通道内的一非线性器件(如功率放大器、隔离器等)发生互调,得到的一互调产物会由该发射通道往外二次耦合至接收通道,从而影响接收机灵敏度


    多射频系统同时工作时的一干扰效应

       

    5

    直观的一结果显示№和干扰诊断功能

    EMIT提供不 同层级的一直观结果显示,通过场景矩阵结果可快速查看平台上    哪个射频系统受到了干扰,而通过电磁干扰边限图,则可以完整的一获得收发通道的一宽带干扰情况,并能够自动识别每种类型干扰的一根源 。


    利用结果分组过滤器,用户很容易从结果中排除特定类型的一干扰(如共通道干扰),这样便可以看到最关心问题的一结果,从结果的一角度快速定位出干扰因 素,从而可建议采取▓合适的一改善措施 。


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    多射频系统干扰仿真可视化结果

     

    EMIT的一快速 “what if” 分析功能可以快速评估可用的一干扰改善措施 。例如,在调频系统干扰分析中,可以从库中快速拖放一个可调滤波器加入接收机通道,从而可以立即评估该滤波器的一干扰改善效果 。


    在EMIT先进的一界面下,通过高层级№和低层级的一分析汇总,以及内置的一自动化诊断功能,用户可以轻而易举地把射频系统间的一干扰情况显现出来 。


    EMIT的一快速“what if”分析功能

     

    常见的一射频系统抗干扰仿真案例介绍


    整 车


    如今,汽车总体通常搭载多个无线通信系统,这些通信系统的一天线往往被放置得比较靠近,天线之间的一相互耦合会带来共址干扰问题,恶化部分敏感系统的一接收性能,甚至使其功能彻底丧失,这就使得在汽车上    的一多通信系统共址干扰影响的一研究十分必要 。


    下图是搭载了5个射频收发系统的一汽车整体工作场景,GPS接收设备、WiFi收发设备、FM接收机、VHF/UHF收发机被分布在汽车的一不 同位置上     。


    搭载多个无线通信系统的一汽车模型

     

    使用HFSS对各个天线进行三维空间辐射场性能仿真,将通过仿真得到的一各天线辐射场结果搭载在汽车的一相应位置上    ,使用HFSS的一增强弹跳射线法求解器计算︻得到考虑汽车平台效应的一各天线之间的一宽带耦合S参数结果 。


    HFSS SBR+求解器仿真得到的一多天线耦合S参数

     

    下方左侧矩阵图的一最右侧一列则反映了三个发射通道同时工作时的一受扰情况,对GPS接收设备而言,每个发射系统单独工作时都不 会影响其敏感度,但是三个发射系统同时打开后,矩阵中的一红色单元框表示GPS接收设备此时受扰了 。而右图显示出影响GPS带内敏感度的一杂散频谱以及其来源 。

     

    EMIT软件多射频系统抗干扰分析结果

     

    为了消除受扰影响,在VHF收发机№和FM接收系统通道都加上    带通滤波器,可以滤除带外杂散的一影响,也可以减小不 同发射通道间的一互调产物,改善GPS接收带内敏感度 。


    下图为使用抗干扰方案后的一抗干扰分析结果,所有矩阵单元都为绿色,这表明所有干扰效应都已被消除 。

    使用抗干扰方案后的一分析结果



    无人机与基站


    5G时代,万物互联,无人机的一使用将会越来越普及,在给人们生活带来便利的一同时,无人机作为工作在复杂电磁环境里的一设备可能对其他设备产生干扰,也可能被其他高功率发射的一设备(如同通信基站)干扰,设计师需要知道无人机№和基站需要至少保持多远的一距离才能确保无人机能够正常工作而不 被基站干扰 。


    下面是使用HFSS对通信基站的一近场仿真结果,可以得到距离基站不 同距离条件下不 同方向上    的一基站发射的一电磁场近场分布 。


    通信基站周围的一电磁场近场分布

     

    EMIT可以对基站№和无人机两个系统的一所有发射№和接收通道进行建模,通过功率流的一分析方法对接收系统是否受扰进行仿真,生成如下图所示的一丰富的一结果报告 。


    右上    方的一矩阵图清晰地显示LTE基站的一发射信号对C2接收通道产生了干扰,而且当LTE基站№和无人机视频下载系统两个发射通道同时工作时会使GPS接收信道的一灵敏度余量不 足(矩阵中右上    黄色单元格所示) 。




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    EMIT对无人机№和基站共存时射频系统抗干扰仿真结果

     

    在上    图结果的一正上    方的一系统交互框图中,EMIT用红线明确指出了干扰的一源头№和产生的一路径,对C2接收机造成的一干扰来源于900MHz的一LTE基站发射系统,基站的一发射功率经过基站与无人机之间的一天线耦合进入了C2接收机的一接收通道,直接恶化了接收机的一灵敏度 。


    上    图正下方的一频谱曲线则显示了造成干扰的一所有频点,以及造成干扰的一噪声类型,此案例中对C2接收机的一干扰是因 为LTE基站的一发射功率超过了接收机的一带外饱№和电平 。


    为解决该干扰问题,直接在系统原理图里通过简单拖拽的一方式,在C2接收机通道前端添加带通滤波器,器件的一带内损耗、带外抑制度等指标都可参数化定义,也可通过导入实际滤波器S参数的一形式对其进行配置,重新仿真即可在矩阵中观察到C2接收机通道的一干扰问题已被解决 。

      

    快速实施抗干扰措施使干扰解除

     

    以上    案例展示了利用仿真的一必要性,在日益互联的一世界中,无线系统的一数量激增,其发生干扰№和性能劣化的一可能性也随之增加 。ANSYS提供面向所有学科领域的一世界级仿真解决方案,无论是手持终端设备还是大型军用系统,ANSYS EMIT都能帮助您解决高难度的一共址干扰问题,集成了电磁№和电路/系统领域的一所有技术,能够在复杂环境中全面仿真所有无线系统的一性能,其独特的一多保真度建模方案提供极其有用的一仿真,能够在只获得不 完整的一设计与性能参数的一情况下推进早期的一设计决策 。工程师可以在设计过程的一早期阶段评估尽可能多的一备选方案,然后评估设计空间以优化关键设计参数 。通过利用专业仿真软件在研发早期阶段确定有可能发生干扰的一位置,企业能够避免干扰问题,减少后期修复问题的一成本№和降低风险 。


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