СРЕДСТВА И ПРИМЕРЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ СВЯЗИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ И ШУМОВ

June 15, 2012 by admin Комментировать »

Шелковников Б. Н.

Национальный Технический Университет Украины «КПИ» 4020, пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина факс: 380(44)241-7623, e-mail: shelk(3>’ukr.net Магоня В. С., Пешков А. Н., Ломака В. Л.

ННП "Гелиос-РРЛ" e-mail: helios-rrl(8)_ukr.net

D.                                                           Budimir, A. Shelkovnikov Wireless Communication Research Group, University of Westminster W1W6UW, London, UK


Аннотация В настоящей статье кратко рассмотрены средства моделирования и проектирования устройств и систем связи, отмечены их характерные свойства. С использованием САПР ADS и Microwave Office поставлены и решены задачи моделирования конвертора, усилителя, тракта радиорелейной станции при воздействии модулированный сигналов и шумов. Приведены полученные результаты.

I.  Введение

Беспроводные системы, как мобильные (GSM, CDMA, W-CDMA, UMTS, HIPERLAN, GPRS, WLAN и др.), так и стационарные (LMDS, MVDS, BWS, МИТРИС, РРЛ, WLL, PtP, РМР и др.) [ 4 ] находят все более широкое распространение и активно совершенствуются. При этом не теряют актуальности задачи анализа и оптимального проектирования систем широкополосного доступа и составных частей на структурном, функциональном, аппаратном, схемотехническом, конструктивно-технологическом уровнях. При решении этих задач активно используются разнообразные современные средства моделирования САПР (CAD и EDA). В статьях [ 1-3 ] авторы рассматривали возможности части программных систем при анализе и проектировании СШБД. В [ 2 ] был представлен обобщенный алгоритм оптимального проектирования СШБД, выделены задачи исследования и проектирования, детально рассмотрено проектирование структуры двухслойной LMDS и определение требований к составным частям приемнику и передатчику с использованием программного обеспечения фирмы EDX Inc. [ 5 ].

В настоящей статье ставится задача выбора средств моделирования и проектирования составных частей СШБД и демонстрации их применения на примерах конвертора, усилителя при действии сигнала 16QAM, модели тракта радиорелейной станции (РРС) или системы точка-точка (PtP).

II.  Средства и примеры моделирования устройств систем связи

Всесторонний анализ с позиций функционального назначения (охват этапов проектирования, классов решаемых задач, возможности библиотек, универсальность используемых методов и пр.) и сервиса из множества пакетов прикладных программ (ППП) и САПР для моделирования и проектирования устройств и систем связи наиболее приемлемы ADS [ 6 ], Microwave Office [ 8 ], Acolade [ 7 ], Serenade, Symphony [ 9 ], System View [ 4 ]. С общих позиций эти программные средства были проанализированы в [1,3]. Здесь же отметим их характерные особенности с позиций применения для моделирования при воздействии модулированных сигналов и шумов. В основе реализации перечисленных программных средств лежат теории информации, нелинейных сложных систем, аналого-цифровой связи. Это является общим для названных САПР. Различаются она множеством конкретных используемых библиотек моделей, множеством вычисляемых качественных показателей, т.е. множеством решаемых задач и сервисными возможностями вывода и ввода информации, интерфейсом с другими программами и аппаратурой. Acolade направлена на решение структурно-функциональных задач в связи и не имеет возможности детализации библиотечных моделей на элементно-аппаратный уровень. System View ориентирована в большей мере на моделирование цифровых систем тоже на структурно-функциональном уровне с иерархической организацией. Для проектирования на элементноаппаратном уровне имеется интерфейс с другими системами, например, Xpedian Golden Gate [ 10 ], Serenade, Symphony имеют возможность моделировать структурно-функциональные схемы (библиотеки ограничены), но в большей мере ориентированы на схемотехническое моделирование. Наиболее универсальны с позиций реализации процесса стохастических систем ADS и Microwave Office. Они имеют не только значительные по объему библиотеки элементов и сигналов (источников) для различных уровней моделирования и проектирования от физического до структурно-функционального на различных уповнях иерархии (прибор, устройство, узел, подсистема, система). Несколькими примерами проиллюстрируем использование САПР ADS и Microwave Office при моделировании устройств и систем связи.

Конвертор. Структурная схема конвертора изображена на рис.1. Он выполнен на основе смесителя, двух фильтров и двух усилителей на высокой и низкой частоте. Для них заданы передаточные свойства в полосе частот. На рис.2 представлено распределение коэффициента усиления по мощности и коэффициента шума на каждом компоненте от входа к выходу. На основе этой структурной схемы при задании в усилителях и смесителе нелинейных свойств в больше сигнальном режиме вычисляется спектральный состав, полосовые свойства, искажения второго, третьего порядка, компрессия.

Усилитель при воздействии 16QAM. На рис.З приведена схема соответствующего задания для ADS. Схема до усилителя представляет источник сигнала 16QAM (несущая частота 8 ГГц, символьный поток 16 МГц). Фильтры предназначены для коррекции модулированного цифрового потока и на выходе усилителя для разделения по каналам на 20 МГц вверх и вниз от основного канала. Макромодель усилителя отражает нелинейные и шумовые свойства (задаются искажения 2го, 3го порядка, компрессия, коэффициент шума). Влияние этих свойств усилителя и сигнала отражается на выходном сигнале и в соседних каналах. На рис.4 изображены временные, а на рис.5 спектральные характеристики основного и соседних каналов, мощность в основном канале, отношение мощностей основного и соседних каналов (ACPR), траектория модулируемого сигнала и созвездие. При изменении параметров усилителя и сигнала на модели наглядно видно изменение наблюдаемых характеристик.

Тракт радиорелейной станции (ТРРС). Структурная схема модели ТРРС изображена на рис. 6 и включает следующие блоки (слева направо): цифровой источник 64QAM, 28 Мбит/с; генератор (гетеродинный), 28 ГГц, с фазовыми шумами, которые мо-

Рис. 3. Задание на моделирование усилителя

Puc. 2. Распределение уровней сигнала и шумов

Fig. 2. Distributed signal and noise rate

Рис. 1 Структурная схема конвертора Fig. 1. Structure scheme of convertor

Fig. 3. Simulation task of amplifier

жно изменять; конвертор вверх на основе нелинейной модели смесителя (Кпр = -ЮдБ; NF = ЗдБ, искажения 3-го IP3 и второго IP2 порядка по 40 дБм, Рг =

10  дБм. Все параметры можно изменять); усилитель мощности нелинейный усилитель (К„ = 29 дБ, NF =

3   дБ, IP2 = IP3 = 35 дБм, P1DB = 28 дБм); элемент сдвига фазы (ф1 = 180°); модель канала (AWGN может быть другого типа) [ 6 ]; аттенюатор (потери = 22дБ); входной фильтр на приемном конце (ППФ типа, f0 = 28 ГГц, Af = 8МГц); малошумящий усилитель (Кп = 10 дБ, NF = ЗдБ, IP2 = IP3 = 40 дБм, P1DB = 20 дБм, Рг = 10 дБм); элемент задержки; когерентный приемник (идеальный) демодулирует комплексный сигнал 64QAM; анализатор цепей показывает EVM сигнал, изменяющийся во времени.

На рис.7-8 представлен один сценарий результатов моделирования тракта РРС. На рис.7 изображены:

а) спектральные плотности на выходе конвертора вверх, на выходе усилителя мощности, на входе малошумящего усилителя;

б)    частотные характеристики S11, S12 фильтра и спектральная плотность на выходе конвертора вверх;

в) амплитудная характеристика усилителя и амплитудная характеристика передачи сигнала.

На рис.8 изображены а) задержка сигнала во времени на выходе входного фильтра приемника по сравнению с сигналом на выходе конвертора, б) созвездие на выходе приемника, в) временная диаграмма амплитуды вектора ошибки.

Все параметры модели возможно изменять и варьировать в задаваемых пределах и получать соответствующие выходные характеристики, часть из которых приведена на рис.7,8. Таким образом, нетрудно установить их зависимость от амплитуды сигнала, от уровня фазовых шумов, фазовых сдвигов в трактах передачи и приема, задержки, нелинейных параметров конверторов и усилителей, параметров канала. В конечном итоге определяется оптимальный режим работы тракта РРС. Введение в задание на расчет варьируемого уровня мощности входного сигнала и в модель измерителя вероятности битовых ошибок (BER meter) позволит оценить этот важнейший показатель, от отношения сигнал/шум. Дальнейшее развитие модели тракта РРС связано с включением в нее кодирующих и декодирующих элементов и оценкой их влияния на показатели качества тракта. Это предмет последующего исследования.

Рис. 7. Характеристики тракта РРС Fig. 7. RRS tract charcteristics

с)

Рис. 8. Характеристики тракта РРС

Fig. 8. RRS tract charcteristics IV. Список литературы

[1 ] Шелковников Б. Н., Шелковников A. B.,Djuradgy Budimir. Программное обеспечение проектирования беспроводных широкополосных систем. — В кн.: 11-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2001). Материалы конференции [Севастополь, 10-14 сентября 2001 г.]. — Севастополь: Вебер, 2001, с. 45-50.

ISBN 966-7968-00-6, IEEE Cat. Number 01ЕХ487.

б)

а)

III.   Заключение

Осуществлен анализ средств моделирования устройств и систем связи. Выбраны САПР ADS и Microwave Office в качестве оптимальных для моделирования и проектирования. Рассмотрены и проанализированы модели конвертора, усилителя при воздействии источника 16QAM и тракта радиорелейной станции при воздействии цифрового источника 64QAM. Получены зависимости качественных показателей (выходных характеристик) от задаваемых и варьируемых параметров. Это позволяет в конечном итоге определить оптимальный режим работы соответствующего устройства (усилителя, конвертора) и системы (тракта РРС).

[2]   D. Budimir, A. B. Shelkovnikov, B. N. Shelkovnikov. Application of the software for bwa systems for analysis and design. — В кн.: 12-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2002). Материалы конференции [Севастополь, 9-13 сентября 2002 г.]. — Севастополь: Вебер, 2002, с. 267-273. ISBN 966-7968-12-Х,

IEEE Cat. Number 02ЕХ570.

[3]   Djuradj Budimir, В. N.Shelkovnikov, CAD for Broadband Wireless Access Design, 5th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services(TELSIKS 2001).

[4]   Шелковников Б. H., Шелковников А. Б., Budimir D„ Ермолов П. П. Системы широкополосного беспроводного доступа, — В кн.: 12-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2002). Материалы конференции [Севастополь, 9-13 сентября 2002 г.]. — Севастополь: Вебер, 2002, с. 35-41. ISBN 966-7968-12-Х,

IEEE Cat. Number 02ЕХ570.

[5]   www.elanix.com

[6]   www.aailent.ciom

[7]   www.icucom.com

[8]   www.mwoffice.com

[9]   www.ansoft.com

И 01 www.xoedion.com

SIMULATION TOOLS AND EXAMPLES OF DEVICES AND TELECOMMUNICATION SYSTEMS UNDER INFLUENCE OF MODULATED SIGNALS AND NOISE

Shelkovnikov B. N.

National Technical University of Ukraine "KPI"

4020, 03056, Kiev, 37 Pobedy ave., Ukraine fax: 380(44)241-7623, e-mail: shelk@ukr.net Mahonya V. S., PeshkovA. N., Lomaka V. L.

NNP “Helios-RRL", e-mail: helios-rrl@ukr.net D. Budimir, A. Shelkovnikov Wireless Communication Research Groups, Department of Electronic Systems University of Westminster London, W1M6UW, UK

AbstractIn this paper simulation tools and design matters of telecommunication devices and systems are observed. Their characteristic properties are underlined. Using CAD ADS and Microwave Office simulation tasks of converter, amplifier, radiorelay station tract under influence of modulated signals and noise were set and solved. Simulation results examples are given.

I.  Introduction

In the paper the task of choosing tools of simulation and design for component parts of BWA is set and demonstration of their application on the examples of converter, amplifier under 16QAM-signal, model of radio-relay station (RRS) channel or Point-to-Point (PtP) system.

II.          Simulation tools and examples of telecommunication devices and systems

Thorough analysis from a functional point of view (design stages, tasks to be solved, library possibilities, universal methods, etc.) and service capabilities from multiple software and CAD for simulation and design of telecommunication devices and systems has shown that the most suitable are ADS, Microwave Office, Acolade, Serenade, Symphony, System View.

Converter. The structure scheme of converter is shown on Fig.1.

Fig.2 depicts the distributed power gain and noise rate at every component from input to output.

Amplifier under the influence from a 16QAM source. Fig.3 shows the scheme of the corresponding task in ADS.

Fig.4 and 5 present simulation results.

Radio-relav station tract CRRSTI. Structure scheme of a RRST model is shown on Fig.6.

Fig.7-8 present one certain set of simulation results for RRS tract.

III.  Conclusion

Analysis of simulation tools of telecommunication devices and systems has been carried out. CAD tools such as ADS and Microwave Office were chosen as optimal for simulation and design. Models of converter, amplifier under influence of 16QAM source and radio-relay station tract under 64QAM digital source have been observed and analyzed. Functions for quality figures (output characteristics) on set and variable parameters are obtained. This allows to determine optimal operation mode for certain devices, such as amplifier, converter and system (radio-relay station tract).

Рис. 5. Выходные спектры в основном и соседних каналах, коэффициенты развязки (ACPR) и

мощность в основном канале

Fig. 5. Output spectrums in main and adjacent channels, ACPR and power gain in main channel

Рис. 6. Система точка-точка или цифровой приемопередатчик (РРС) Fig. 6. Point-to-Point System and digital transceiver (RRS)

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

1 комментарий

  1. Василий says:

    Очень полезная статья. Дает основные понятия моделирования как процесса. Возможности этого метода для совершенствования систем.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты