综合化射频信道的半实物仿真设计*

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

1 引 言

微波电路及系统的设计中，常规设计方法下部件级产品的设计一般都要经过实验件、改进件、样件、正式件等多次设计改进才能成功，而系统级的设计更是要在部件级产品研制成功后才能联试验证，若是需要改进又要返回到各部件的设计修改和生产加工，因而一些结构复杂的系统往往陷入多次设计改进的循环当中，所需研制时间和经费都非常巨大。综合化射频前端是将多种功能系统的射频信道综合化设计的空前复杂的射频微波系统，射频信道的综合化设计是电子信息系统综合化程度提升的关键所在，常规设计方法显然已经无法满足要求。从20世纪90年代开始，微波EDA(Electronic Design Automatic)软件得到了长足发展，已经可以利用软件仿真较为真实地模拟实际电路来验证设计结果[1]，再结合现代化的测试技术和设备，逐步形成了软件仿真与硬件电路结合、系统设计与电路设计结合的半实物仿真(Hardware-in-the-loop Simulation，HLS)设计方法[2]，大大降低了射频微波系统的设计难度和研制周期，为复杂射频微波系统的快速研制提供了可能。本文就是结合半实物仿真系统，讲述综合化射频信道的设计流程和方法，并讨论设计中需要注意的一些关键问题。

2 综合化射频信道基本类型

综合化射频信道一般应用于需要多种电子信息系统协同工作的小型平台，按照应用环境和需求的不同，常见的综合射频信道的系统结构一般分为以下3种：典型软件无线电结构，如美军的易话通系统(Speak Easy)；硬件通用设计的多通道结构，但由于信道无法共享，设备数量相对最多，集成度较差；多路可配置信道组网的方式，即按照同时使用的功能系统的最大数目来确定射频信道数量，利用射频开关网络和中频开关网络动态连接通用模块形成所需的多路射频信道，这样就可以用最少的信道来完成系统所有的功能，并且信道间具有相互备份的作用，其结构示意图如图1所示。这种结构既可多通道同时工作，又能够分时共享信道资源，因而适用范围广，集成度和可靠性高，是综合化信道设计的趋势，如美军F-22的CNI系统以及F-35的整个电子系统都是基于该种构架。但因为设计时信道要满足所有系统的使用要求，同时要考虑信道之间的相互影响、切换时间等因素，设计难度大，研制成本高。本文所论述的基于半实物仿真的综合化射频信道设计方法就是针对该种结构。

图1 多通路综合化射频信道结构示意图

3 基于半实物仿真的综合化射频信道设计方法

射频微波信道设计中，设计流程通常包括了系统需求及可行性分析、系统方案设计、电路仿真设计、电路加工调测试、系统级联试等主要过程[3]。传统设计方法中，所有流程构成一个大的循环，各个步骤之间相对独立，对于多功能综合化的系统，由于制约因素众多，这样的设计流程下，常常在最终的系统联试时才能发现某些需求分析或系统方案设计时就存在的问题，如果需要更改射频微波硬件产品的性能指标会相当困难，往往需要重新设计加工，因而高性能复杂系统的研制往往需要多轮研制改进才能完成，大幅增加了研制周期和成本[4]。

微波电路的半实物仿真(Hardware-in-the-loop Simulation)是微波产品设计中软件与硬件紧密结合的设计方法[5]，相对常规实物验证设计和纯软件辅助设计，其特点是在设计的整个过程中，不论是部件级还是系统级设计，都是通过软件的预先仿真和实物验证来形成周期较短的闭环流程，保证了每一步设计的正确性，防止到最终阶段才发现问题需要重新设计的情况发生[6]。基于半实物仿真系统的设计流程示意框图如图2所示。

图2 基于半实物仿真的综合射频信道研制流程

3.1 系统需求及可行性分析

因为综合化多通道射频信道涉及的功能系统众多，因此设计时要进行统一考虑，与单一系统射频信道的研制相比，综合化射频前端设计中系统需求分析和可行性分析是必不可少的部分，同时也是其它设计工作开展的基础。

系统需求及可行性分析主要是在详细了解整个综合化信息系统工作流程的基础上，确定所需共用射频信道的数目，根据各个系统对信道的要求和现有技术水平，归纳射频信道的总体指标要求，并分析各指标能否实现及如何综合调整，为综合化射频信道的研制提供设计目标和依据。该阶段设计以软件仿真为主，并注意将已有功能系统设备通过测量和参数提取代入仿真系统，以提高仿真的真实性。同时多通道信道仿真结果一般要采用列表的方法进行对比分析，主要遵循如下原则：

(1)高性能优先：在可以实现的前提下指标取所有功能系统中的最高指标以保证通用能力；

(2)主要功能系统优先：在指标实现有困难时，确保主要功能系统的指标必须满足要求；

(3)集成度考虑：在实现主要功能的基础上要求最大程度的集成化和通用化。

3.2 系统方案设计

系统方案设计是在已经明确的系统指标基础上，对系统结构、工作原理、电路级指标分解等进行详细设计分析。本阶段工作依然以软件仿真为主，同样要注意将已有的电路级单元通过测量和参数提取代入仿真系统。

如图2中所示，在初步方案设计后，对系统主要指标进行半实物仿真验证，判定是否达到要求。没有达到时，要进一步判定是前面的指标要求过高还是方案设计问题，若是指标要求过高无法实现，便要返回到上一步重新进行需求及可行性分析并进行指标调整；如果是系统方案设计问题，就要对方案进行设计调整，再进行仿真，不断循环直到所有主要指标达到要求。因为涉及功能系统较多、指标也较多，系统方案的设计可能需要多次循环才能完成。但因为本阶段主要以软件仿真为主，花费的时间和费用都不会太高，同时结合了已有电路的实际情况，软件仿真的可信度较高，为下一步电路级设计工作的开展提供了充分的保证。

3.3 电路仿真设计

电路仿真设计是在已经明确的电路指标要求基础上，对综合射频信道的电路级组成部分进行详细设计。电路仿真设计依然以软件仿真为主，需将已有的单元通过测量和参数提取代入仿真系统。与前面的设计相比，射频电路级设计中，因为实际电路的各种指标和性能与结构尺寸、接口等有很大关系，在仿真时关键部分要采用更为深入的三维场仿真，特别是小型化是综合化射频信道设计的目的之一，为此其电路设计常采用微波多层板及LTCC等立体结构，场仿真更是必须的。三维场仿真能更好地模拟实际电路的情况，它与实际电路参数提取建模一起，可有效提高仿真的可信度和设计的成功率。

与系统设计类似，电路仿真设计也要经过设计、仿真、判定是否达到要求的多次循环。在判断指标过高需要修改时，要注意该指标是否会影响系统级指标，特别是一些主要指标需要修改，可能就需要从系统需求分析重新开始工作了。

3.4 电路加工测试

与常规设计研制流程不同，半实物仿真设计中电路加工测试分为关键电路加工测试和其它电路加工两部分，除了完成实际电路的加工调试外，还需要对前面的仿真进行更深入的验证。综合化射频前端结构复杂，电路众多，如果全部电路直接加工试验件来验证设计，工作量和成本都会非常巨大。为此，电路设计完成后，要确定对系统影响较大、风险大的电路作为关键电路，先进行试验件的加工测试验证，而其它电路因为较为成熟，设计把握较大，在详细仿真设计的基础上不需要做试验件的实物验证。

先完成关键电路加工测试，再利用仪器和软件将实际的关键电路代入仿真系统，一方面判定关键电路对系统的影响程度和是否满足使用要求，另一方面验证系统设计是否符合实际情况，并可根据仿真结果对关键电路以及其它电路的设计进行适当改进调整。以Agilent仪器和ADS仿真软件为例的典型半实物仿真验证系统示意图如图3所示。当关键电路通过设计修改和加工测试实现后，可对所有其它电路进行加工测试，不满足要求的进行局部的设计改进。这样充分利用了软件仿真来作为试验验证，缩短了研制周期，也降低了成本。

图3 半实物仿真验证示意图

3.5 系统联试

所有的电路加工测试完成，就可以进行射频信道系统级实物联试了。与常规方法相比，半实物仿真设计方法中，因为前面的仿真验证较多，很多指标已经不需要通过实物验证，因而射频信道的指标验证工作量相对较小。当各种指标测试合格后，要对综合射频前端整个实物系统进行参数提取和仿真建模，再利用软件模拟前端的天线和后端的数字处理部分，仿真综合化信息大系统中工作是否正常，所涉及的各种功能能否实现，这样，可利用软件模拟提前进行大系统联试，有问题尽早解决，可以大大减少大系统实物联试的工作量，并确保系统设计成功。同时，对射频信道实物系统的参数提取和建模也能达到验证最初的仿真设计是否正确的目的，并可作为以后其它射频信道设计的依据和参照，是对整个信道研制工作的总结，对研制技术水平的提高和经验的积累有着重要作用，应该与前面的设计步骤一样得到足够重视。

4 设计中需要注意的问题

为了实现综合化信息系统的高性能、高可靠性、小体积、低维护成本，多通道射频信道一直在朝着综合化、小型化、通用化和可重构等方向发展，其设计过程是一个对各种指标及应用环境综合考虑的过程，因此，设计中除上面流程中的事项外还需要注意以下方面：

(1)充分考虑电磁兼容(EMC)要求：综合射频前端的特点就是会有多路信道同时工作，为了确保信道之间有足够的隔离度，在系统设计和电路设计中都要充分考虑电磁兼容性能，其中系统级着重于系统结构的合理设计和频率源管理，而电路级设计偏重于EMC指标的具体电路实现，采用良好的屏蔽、接地和滤波等EMC防护措施对综合射频信道设计是不可缺少的；

(2)了解国内外先进技术水平：各种新设计方法、新工艺手段和高性能器件的出现，为射频信道的综合化设计提供了可能，使很多指标的设计难度和成本大大降低，如半实物仿真对系统设计流程的影响，宽带功放、低噪放对信道通用程度的影响，微带多层板、LTCC等工艺对电路小型化的影响等，都是我们在设计中应该充分考虑的；

(3)成本及可维修性设计：降低系统研制生产及维护成本是射频信道综合化设计的根本目的之一，设计中除了要考虑主要指标的保证，还要注意进行指标平衡以减少设计难度和周期，采用通用化模块设计以便于维护升级，使用成熟的商用技术以降低成本，不然其综合化设计便失去了意义。

5 结束语

本文所论述的半实物仿真设计方法将软件仿真和实物验证紧密结合，其最大的特点是在设计过程中充分利用软件仿真作为试验验证的优越性，并逐步加入实际电路一步一步将设计实物化，并在此过程中利用软件和实物的结合不断验证系统设计的正确性，形成了设计中环环相扣的闭环回路，不断修正设计，保证每一步设计的正确性，从而有效降低了成本和研制周期，保证了设计的一次成功。其设计思路主要是“化复杂为简单”和“利用反馈来修正方向”，而其设计流程更是充分体现了“实践是检验真理的唯一标准”的严谨科学工作精神。

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