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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,在用户密度大的区域增强通信能力,实现无缝的用户体验之外,基于大规模机器类通信的物联网也是5G通信技术的突破性应用场景,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物联网应用方向,5G的时代万物互联,新一代移动通信技术将给人类的生活带来天翻地覆的变化。


万物互联的5G时代


5G时代对多射频系统共存及抗干扰设计提出的挑战


从射频的角度来看,5G技术先进性的原因之一是因为5G通信设备工作在更高的频率,拥有更多带宽。根据3GPP的定义,5G包括了如下图所示的两个频谱范围,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分配就更加复杂。


不同的频段在5G通信设备里都对应着特定的射频前端系统的硬件支持,对于5G通信设备而言,如何在拥挤而复杂的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不断发展,通信设备上务必会搭载越来越多种类的通信系统。


比如最近发布的华为Mate 30 Pro 5G手机采用了最先进的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时候不会产生干扰问题,但当不同的通信系统同时工作的情况下,产生的互调/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通信在内的导航、探测、通信、测控、数传等众多射频系统,丰富多样的系统特性包括了复杂的调制类型、超宽的频率范围、丰富的功率电平等。


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射频接收设备,这些接收设备的工作频段各有不同,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、宽带接收等技术的采用,使这些接收系统受到干扰的潜在风险大大增加,这些复杂的电磁干扰以及与电磁频谱相关的军事力量、设备、系统和平台的影响成为决定整体系统和平台效能至关重要的因素。


搭载多种通信系统的平台设备


完美的射频系统抗干扰仿真方案需具备的几大要素


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数据管理与分析的整体框架,将尖端的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准确预测,如运载平台、通信基站以及个人电子设备的共存和灵敏度降低等。并且针对不同保真度登记的已知数据,可以进行不同层级的仿真分析。


这套仿真解决方案的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维护阶段。在设计和集成的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射频抗干扰仿真的第一步是对射频系统的建模,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重要技术要求。


ANSYS EMIT内置了多种通用的无线电模型库,包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、GPS、WiFi、蓝牙、VHF/UHF通信、SINCGARS、CDL等许多通用的无线电模型,用户可以直接调出使用。对于实现特殊功能的定制化无线电模型,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方式实现对未知无线电模型的建模。


EMIT内置的无线电模型库以及可扩展的无线电模型

 

EMIT软件中的无线电模型(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射频干扰(RFI)


ANSYS EMIT是用于复杂环境中射频干扰(RFI)仿真的业界领先软件。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RFI影响。众所周知,在测试环境中诊断复杂环境内的RFI非常困难而且成本高昂,但是,利用EMIT的动态链接结果视图,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源头以及其到达接收器的路径,从而快速确定任何干扰的根源。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特性数据生成模型。射频系统模型中用到的无线电模型、RF部件和天线等模型的定义可保存在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EMIT仿真模型

 

2

支持多种保真度的天线耦合模型


射频系统的干扰路径主要基于各系统天线之间的空间耦合,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重要组成部分。对于设计初期的系统共存仿真验证工作而言,该阶段一般尚不具备搭载通信系统的平台设备模型以及各系统天线的具体设计模型,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参数等在内的多保真度天线耦合数据供用户选择,耦合数据的精度随之增加。


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


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增益计算得到的耦合量,用于获悉天线设计类型之后的更准确的天线耦合数据提取,最准确的方法则是通过测试或电磁场仿真得到的宽带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相互影响,适合用于系统设计完成后的最终抗干扰性能仿真验证。


EMIT多保真度的天线耦合数据模型

 

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


3

快速准确的天线耦合仿真算法


为了实现更准确的系统抗干扰仿真,用户需要用到更准确的天线耦合数据来实现对射频系统的建模,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文件格式描述的宽带多端口隔离数据,而无需将所有的数据容纳在单个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,使用其商业化的电磁求解器对多天线、大尺寸的问题进行快速准确求解得到天线耦合数据。


HFSS具有的增强弹跳射线法(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辐射性能和耦合数据,而且SBR+在传统的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影响,是业界最精准的射线法求解工具,可以轻松得到多副天线的互耦数据。


HFSS SBR+求解器仿真复杂平台的天线性能

 

除了算法层面,HFSS作为专业的电磁场仿真软件还具有其他方面的巨大优势,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物理模型,拥有与业界主流三维MCAD软件的接口,准确高效地实现大型平台模型的导入导出。


软件具有强大的图形界面,可以直观地了解天线在大型平台上的辐射场图,以及表面电流的分布情况等。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器件(如滤波器、电缆、放大器等)和天线的耦合度(ATA),最后计算出接收机Rx的射频干扰冗余度。


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敏感度门限,该曲线代表了接收机的宽带敏感度指标。


由于接收通道上混频器的非线性效应,所以不仅接收带内的干扰信号会影响灵敏度,在带外某些频点的干扰信号与接收混频器进行高阶互调,产生的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影响。


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

接收通道宽带射频干扰冗余度仿真结果

 

EMIT还能计算带内的峰值射频干扰余量。由于混频器、放大器等通道上的多个非线性器件,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影响,从上面的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的带内峰值射频干扰余量则把多个落在接收带内的干扰信号叠加起来,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,产生的发射频谱耦合到接收机后与接收通道上的射频前端非线性器件(如低噪声放大器、混频器等)产生的交叉调试

第二是不同发射通道之间的互调,发射频谱耦合到其他发射通道中,与其他通道内的非线性器件(如功率放大器、隔离器等)发生互调,得到的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干扰效应

   

5

直观的结果显示和干扰诊断功能

EMIT提供不同层级的直观结果显示,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,则可以完整的获得收发通道的宽带干扰情况,并能够自动识别每种类型干扰的根源。


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干扰(如共通道干扰),这样便可以看到最关心问题的结果,从结果的角度快速定位出干扰因素,从而可建议采取合适的改善措施。


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多射频系统干扰仿真可视化结果

 

EMIT的快速 “what if” 分析功能可以快速评估可用的干扰改善措施。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干扰改善效果。


在EMIT先进的界面下,通过高层级和低层级的分析汇总,以及内置的自动化诊断功能,用户可以轻而易举地把射频系统间的干扰情况显现出来。


EMIT的快速“what if”分析功能

 

常见的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,这些通信系统的天线往往被放置得比较靠近,天线之间的相互耦合会带来共址干扰问题,恶化部分敏感系统的接收性能,甚至使其功能彻底丧失,这就使得在汽车上的多通信系统共址干扰影响的研究十分必要。


下图是搭载了5个射频收发系统的汽车整体工作场景,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不同位置上。


搭载多个无线通信系统的汽车模型

 

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


HFSS SBR+求解器仿真得到的多天线耦合S参数

 

下方左侧矩阵图的最右侧一列则反映了三个发射通道同时工作时的受扰情况,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影响,也可以减小不同发射通道间的互调产物,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分析结果



无人机与基站


5G时代,万物互联,无人机的使用将会越来越普及,在给人们生活带来便利的同时,无人机作为工作在复杂电磁环境里的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基站发射的电磁场近场分布。


通信基站周围的电磁场近场分布

 

EMIT可以对基站和无人机两个系统的所有发射和接收通道进行建模,通过功率流的分析方法对接收系统是否受扰进行仿真,生成如下图所示的丰富的结果报告。


右上方的矩阵图清晰地显示LTE基站的发射信号对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

 

在上图结果的正上方的系统交互框图中,EMIT用红线明确指出了干扰的源头和产生的路径,对C2接收机造成的干扰来源于900MHz的LTE基站发射系统,基站的发射功率经过基站与无人机之间的天线耦合进入了C2接收机的接收通道,直接恶化了接收机的灵敏度。


上图正下方的频谱曲线则显示了造成干扰的所有频点,以及造成干扰的噪声类型,此案例中对C2接收机的干扰是因为LTE基站的发射功率超过了接收机的带外饱和电平。


为解决该干扰问题,直接在系统原理图里通过简单拖拽的方式,在C2接收机通道前端添加带通滤波器,器件的带内损耗、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必要性,在日益互联的世界中,无线系统的数量激增,其发生干扰和性能劣化的可能性也随之增加。ANSYS提供面向所有学科领域的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共址干扰问题,集成了电磁和电路/系统领域的所有技术,能够在复杂环境中全面仿真所有无线系统的性能,其独特的多保真度建模方案提供极其有用的仿真,能够在只获得不完整的设计与性能参数的情况下推进早期的设计决策。工程师可以在设计过程的早期阶段评估尽可能多的备选方案,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位置,企业能够避免干扰问题,减少后期修复问题的成本和降低风险。


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