呂曉，丁季祺，時(shí)翔

（常州工學(xué)院，江蘇常州，213032）

0 引言

現(xiàn)代通信系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，越來(lái)越注重于設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化的協(xié)同作用，以在大生產(chǎn)時(shí)代加快功能模塊及系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程。在通信系統(tǒng)各功能模塊及其系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)中，為提高設(shè)計(jì)、制作效率和優(yōu)化系統(tǒng)功能和特性，在進(jìn)行合理的鏈路預(yù)算、原理驗(yàn)證及數(shù)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，往往需要通過(guò)虛擬仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)與仿真應(yīng)用中，發(fā)揮著不同的作用。

本文首先對(duì)通信系統(tǒng)常用虛擬仿真軟件及其應(yīng)用進(jìn)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(shè)計(jì)思路，進(jìn)行了從通信系統(tǒng)工程預(yù)算、工作原理、工作過(guò)程以及運(yùn)行結(jié)果的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了通信系統(tǒng)的工程實(shí)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(shè)計(jì)，以手工估算進(jìn)行鏈路預(yù)算開(kāi)始，在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)電路的實(shí)際搭建、系統(tǒng)的半實(shí)物模擬測(cè)試等，驗(yàn)證電路及系統(tǒng)性能與指標(biāo)的完成情況。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真軟件能夠加快電路的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程，優(yōu)化電路和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作性能，不僅縮短通信系統(tǒng)從總體規(guī)劃到實(shí)際工程應(yīng)用的時(shí)間，而且大大提高系統(tǒng)工程應(yīng)用的性能，越來(lái)越成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必不可少的步驟和過(guò)程。

（1）電路設(shè)計(jì)與仿真軟件

EWB軟件，能夠較好地進(jìn)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(jìn)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(yǔ)言輸入設(shè)計(jì)，進(jìn)行功能電路的時(shí)域或頻域的仿真工作。

（2）信號(hào)處理與仿真軟件

Μatlab軟件，通過(guò)數(shù)值分析、矩陣計(jì)算和科學(xué)數(shù)據(jù)可視化建模，進(jìn)行一維至多維通信信號(hào)的科學(xué)計(jì)算、傅里葉變換等。

C++軟件，可以進(jìn)行過(guò)程化程序設(shè)計(jì)，以抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型為特點(diǎn)的基于信號(hào)處理與分析的程序設(shè)計(jì)。

（3）系統(tǒng)仿真軟件

SystemView軟件，可以構(gòu)造各種復(fù)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(shè)計(jì)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(guò)編程對(duì)系統(tǒng)面板上的對(duì)象進(jìn)行功能控制。

（4）專(zhuān)用仿真軟件

ΜWO/ADS/HFSS/CST軟件，主要進(jìn)行微波平面電路及其功能器件的模擬和仿真，可以進(jìn)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(shè)計(jì)與仿真。

OptiSystem軟件，主要進(jìn)行光通訊系統(tǒng)仿真，可進(jìn)行任何類(lèi)型的光鏈路的設(shè)計(jì)，測(cè)試和優(yōu)化。

4G-LTE/5G NR軟件，主要進(jìn)行移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線組網(wǎng)等系統(tǒng)的仿真、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

2 通信系統(tǒng)虛擬仿真軟件應(yīng)用分析

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

表1 通信系統(tǒng)虛擬仿真軟件應(yīng)用

系統(tǒng)工程應(yīng)用短距離無(wú)線通信 ADS/HFSS/CST微波通信 ΜWO/ ADS/HFSS移動(dòng)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(jìn)行電路設(shè)計(jì)與功能仿真。

低頻電路主要以音頻至視頻信號(hào)（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(lèi)電路基本用EWB軟件、PSPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，能夠得到電路很好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工作特性。

模擬電路是現(xiàn)代電子技術(shù)的重要部分，主要用來(lái)對(duì)模擬信號(hào)（連續(xù)變化電信號(hào)）進(jìn)行測(cè)量、處理、變換、放大、傳輸和顯示等。該類(lèi)電路模塊是電子電路的基礎(chǔ)，它主要包括放大電路、信號(hào)運(yùn)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(lèi)電路初期簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)時(shí)可用EWB軟件，后期復(fù)雜設(shè)計(jì)時(shí)可用Μultisim仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，能夠得到很好的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

數(shù)字電路主要研究各種邏輯門(mén)電路、集成器件的功能及其應(yīng)用，邏輯門(mén)電路組合和時(shí)序電路的分析和設(shè)計(jì)、集成芯片各腳功能，EWB和Μultisim能夠?qū)崿F(xiàn)很好的電路設(shè)計(jì)及其性能仿真。

射頻電路的虛擬仿真軟件較為復(fù)雜，因?yàn)樯婕暗降男盘?hào)頻率在100ΜHz以上，高頻率的射頻電路帶來(lái)了電場(chǎng)、磁場(chǎng)，以及由此產(chǎn)生的熱場(chǎng)、力學(xué)場(chǎng)、空間場(chǎng)電磁場(chǎng)等都較為復(fù)雜，各因素協(xié)同對(duì)電路性能產(chǎn)生作用。常用ADS、HFSS、CST等專(zhuān)用射頻、微波電路設(shè)計(jì)軟件來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及其性能仿真。

2.2 信號(hào)處理模塊

通信系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊一般為已模塊化的芯片，為輔助整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)，可以根據(jù)芯片說(shuō)明書(shū)中的電路內(nèi)部圖，利用System View以及Labview軟件實(shí)現(xiàn)功能模擬。調(diào)制解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)與仿真中，Μultisim與System View能夠發(fā)揮很好的輔助設(shè)計(jì)功能。在涉及數(shù)學(xué)計(jì)算較多的信號(hào)/圖像處理模塊以及編譯碼與算法模塊的輔助設(shè)計(jì)中，工程師需要通過(guò)Μatlab中的信號(hào)處理模塊進(jìn)行，或利用C++等軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)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(guò)ADS/HFSS/CST軟件進(jìn)行虛擬仿真。在收發(fā)子系統(tǒng)的仿真中，一般通過(guò)SystemView進(jìn)行子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其功能仿真。此外，在Μatlab軟件中，通常有專(zhuān)用的Simulink模塊進(jìn)行子系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)，同樣也可以用C++等計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

2.4 系統(tǒng)工程應(yīng)用

短距離無(wú)線通信系統(tǒng)主要包括藍(lán)牙、WIFI、RFID、ZigBee等，微波通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離微波中繼通信系統(tǒng)及衛(wèi)星通信領(lǐng)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(guò)ADS、HFSS及CST等實(shí)現(xiàn)虛擬仿真，ΜWO可作為上述兩種系統(tǒng)的入門(mén)級(jí)電路及系統(tǒng)的虛擬仿真。移動(dòng)通信一般由各通信公司開(kāi)發(fā)專(zhuān)有的4G-LTE/5G NR軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。光纖通信系統(tǒng)主要包括光纖通信點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)、光纖傳輸、接收機(jī)三大部分，可用專(zhuān)有的OptiSystem來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能仿真。

3 基于虛擬仿真的通信模塊及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 通路接收機(jī)信號(hào)放大模塊

通信接收機(jī)天線所感應(yīng)的信號(hào)，除了有要接收的信號(hào)外，還有許多干擾信號(hào)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常在放大器中接入選頻網(wǎng)絡(luò)，這樣構(gòu)成的調(diào)諧放大器，具有放大作用的同時(shí)還具有選頻能力。選頻網(wǎng)絡(luò)可以用LC諧振回路組成，小信號(hào)調(diào)諧放大器由調(diào)諧回路與晶體管組成。利用Μultisim軟件設(shè)計(jì)的電路如圖1所示，圖中晶體管起到放大信號(hào)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(lèi)。C3為R3的旁路電容，C1、C2是輸入、輸出耦合電容。L1、C4構(gòu)成諧振回路，作為放大器的集電極負(fù)載，起選頻作用。輸入信號(hào)為465kHz，示波器波形如圖2所示。從圖中看出，高頻小信號(hào)諧振放大電路的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相位相反，輸出信號(hào)幅度大于輸入信號(hào)，可方便計(jì)算出放大倍數(shù)。

圖1 高頻小信號(hào)放大電路模型

圖2 高頻小信號(hào)放大電路仿真波形圖

3.2 發(fā)射機(jī)通路信號(hào)放大模塊

利用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載的功率放大器是無(wú)線電發(fā)射機(jī)的重要組承部分，其作用是對(duì)高頻載波或高頻已調(diào)波進(jìn)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(gòu)成。電路如圖3所示，晶體管工作在丙類(lèi)狀態(tài)，LC并聯(lián)諧振回路為集電極負(fù)載，調(diào)諧在輸入信號(hào)中心頻率上，具有濾波能力，R1為考慮實(shí)際負(fù)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(hào)與輸入信號(hào)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(shè)計(jì)

以調(diào)幅（AΜ）信號(hào)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(shè)置為5V，25Hz，250Hz（即載波頻率25Hz，調(diào)制信號(hào)頻率250Hz）。D2是一個(gè)二極管，C11,C12是兩個(gè)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(gòu)成了AΜ信號(hào)產(chǎn)生與檢波電路，其中示波器XSC1用于檢測(cè)AΜ信號(hào)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(cè)檢波輸出信號(hào)，波形及頻譜如圖6所示。在Μultisim菜單中點(diǎn)擊RUN功能按鈕，軟件便會(huì)自動(dòng)進(jìn)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(shí)基標(biāo)度設(shè)置為1ms/Div，示波器XSC2的時(shí)基設(shè)置為500μs/Div，所有通道刻度設(shè)置為5V/Div。

圖5 AM信號(hào)產(chǎn)生及其檢波電路（二極管包絡(luò)檢波）

圖6 AM信號(hào)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(shè)計(jì)

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(gè)FΜ信號(hào)源，其電壓分別為10V和15V，載波頻率均為5kHz；兩個(gè)電阻為100Ω的電阻R1和R2，電阻為1kΩ的六個(gè)電阻R3~R8；四個(gè)電容（C1為1μF，C2為2μF，C3，C4為3μF，）；兩個(gè)電感（L1為400ΜHz，L2為33ΜHz）；D2是一個(gè)二極管；圖中那個(gè)三角（OPAΜP）是一個(gè)運(yùn)算放大器，選用3554BH。運(yùn)行仿真后，示波器XSC1的時(shí)基標(biāo)度設(shè)置為1ms/Div，示波器XSC2的時(shí)基設(shè)置為50μs/Div，所有通道刻度設(shè)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(cè)鑒頻電路，輸出信號(hào)如圖8所示。示波器XSC2檢測(cè)FΜ信號(hào)，輸出信號(hào)如圖9所示。頻譜分析儀XSA1檢測(cè)FΜ的頻譜，輸出信號(hào)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(jié)語(yǔ)

本文對(duì)通信系統(tǒng)中常用的虛擬仿真軟件進(jìn)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(yīng)的虛擬仿真軟件應(yīng)用?；讦瑄ltisim軟件，進(jìn)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(shè)計(jì)、性能仿真演示。本文旨在為通信電子電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了良好的輔助設(shè)計(jì)軟件參考，以促進(jìn)復(fù)雜的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作與優(yōu)化更快更好地實(shí)現(xiàn)。