СЭ №6 / 2017

САПР AWR: сравнение результатов моделирования с экспериментом. Алгоритмы обработки данных

Целью данной статьи является ознакомление с основами интеграции NI AWR Design Environment с измерительной аппаратурой Rohde&Schwarz и написание собственных алгоритмов обработки данных. Представленные алгоритмы позволяют расширить и без того богатые возможности программного обеспечения, тем самым адаптируя его к специфическим задачам. В итоге получается существенно сократить издержки на цикл разработки и ускорить выпуск готовой продукции.

292 0 0

печатать Статья в PDF (2 МБ)

САПР AWR: сравнение результатов моделирования с экспериментом. Алгоритмы обработки данных

Введение

В современном мире разработка электроники без использования САПР становится практически невозможной. NI AWR Design Environment заслуженно стал одним из наиболее востребованных и популярных САПР для разработки СВЧ-электроники в России.

Со второй половины 1980-х гг., с появлением компактных персональных компьютеров, началась эпоха активного использования САПР для разработки электронных устройств. Применение программного обеспечения избавило инженеров от рутинного ручного расчёта схем, повысило точность расчётов и значительно сократило время разработки: если в начале 1990-х гг. проектирование одного устройства могло занимать от 3 до 5 лет, то в настоящее время речь идёт лишь о нескольких месяцах.

САПР AWR позволяет моделировать СВЧ-схемы с достаточно высокой точностью. Тем не менее, достигнуть таких результатов невозможно без подготовительного этапа, заключающегося в создании библиотек моделей используемых компонентов и набора проектных норм, что в зарубежной литературе принято называть Process Design Kit (PDK). При работе в AWR можно использовать модели из PDK в качестве исходных данных для расчётов, при этом чем точнее будут модели элементов, тем больше результаты симуляции будут совпадать с экспериментом. Для создания таких моделей требуются характеристики, полученные при измерении реальных объектов. Для реализации данного этапа авторы предлагают использовать измерительное оборудование компании Rohde&Schwarz (R&S), поскольку оно легко интегрируется с САПР AWR, перекрывает большинство измерительных задач за счёт широкой продуктовой линейки, а также имеет оптимальное соотношение цена/качество. Кроме того, производство части продуктовой линейки анализаторов спектра и СВЧ-генераторов локализовано в Нижнем Новгороде на площадке «НПО им. Фрунзе» – ведущего российского производителя радиоизмерительного оборудования.

Данную статью можно условно разделить на две части: в первой части будет рассмотрена интеграция измерительного оборудования Rohde&Schwarz c САПР AWR, во второй – добавление пользовательских функций и алгоритмов обработки данных на примере использования скрипта Visual Basic.

Рабочее место с интегрированным измерительным оборудованием

Благодаря совместному использованию САПР AWR с измерительными приборами R&S инженер может создавать и проверять новые решения на всех уровнях: от единичных компонентов схемы до анализа сложных систем [1, 2]. Такая связка позволяет разработчику в рамках одного проекта «на лету» объединять результаты симуляции и измерений, быстро проверяя, тем самым, правильность своей идеи. В случае расхождений можно найти несоответствия модели с прототипом на ранних стадиях разработки. Оптимизация системной архитектуры проекта и уменьшение времени до начала выпуска серийной продукции достигается за счёт параллельной настройки модели и прототипа.

Использование компонента TestWave позволяет подключать к AWR векторные генераторы, анализаторы спектра, векторные анализаторы цепей и осциллографы. Компонент TestWave позволяет не только быстро и легко получать наборы параметров СВЧ-цепей (например, в виде S-параметров или спектра сигнала), но и посылать синтезированный в среде AWR сигнал в реальные СВЧ-тракты, используя связку «векторный генератор – анализатор спектра». То есть осуществлять аппаратно-программное моделирование.
Рис. 1. Пример удалённого управления приборами R&S из САПР AWR

TestWave может удалённо управлять приборами R&S, используя большинство стандартных интерфейсов, и объединять приборы в сложные измерительные системы (см. рис. 1). На рисунке представлены: векторный анализатор цепей ZNB с матрицей коммутации ZN-Z8x, векторный генератор сигналов SMW, анализатор спектра FSW.

Пример 1. Разработка и оптимизация фильтра

Не секрет, что большинство ВЧ-фильтров (фильтры Чебышёва, фильтры Бесселя, фильтры Баттерворта, эллиптические фильтры и т.д.) при разработке могут быть описаны конечным набором передаточных функций. Помимо этого, существуют различные реализации этих фильтров: на сосредоточенных элементах, полосковых линиях, объёмных структурах и т.д. Несмотря на то, что количество аппроксимаций и возможных физических реализаций является конечным и хорошо изученным, поиск подходящего решения может занять длительное время в связи с необходимостью анализа технической литературы.

Модуль iFilter из пакета СВЧ-проектирования AWR включает в себя все основные аппроксимации и физические реализации фильтров. Это позволяет разработчику, не тратя времени на изучение нюансов проектирования того или иного вида фильтров, быстро получить несколько интересующих его реализаций. Отметим, что iFilter может сравнивать реализации фильтров между собой (см. рис. 2).
Рис. 2. Запуск модуля iFilter и сравнение топологий двух реализаций ФНЧ

Как только c помощью среды AWR будет получен прототип, в рамках единого проекта может быть проведено сравнение результатов симуляции с измерением. Более подробно процесс совместного использования векторных анализаторов R&S с САПР AWR описан в [2]. Меню подключения анализатора цепей и сбора данных показаны на рисунке 3.
Рис. 3. Меню настройки удалённого управления измерительным оборудованием и сбора данных

После сравнения результатов моделирования и измерений можно с помощью инструментов оптимизации и подстройки подобрать значения элементов, при которых прототип будет удовлетворять требованиям ТЗ (см. рис. 4).
Рис. 4. Фильтр до подстройки (слева) и после подстройки (справа)

Пример 2. Минимизация искажений в СВЧ-тракте радиотехнических систем с цифровой модуляцией

Разработка радиолокационных и связных систем начинается на системном уровне. В этот момент определяется, какими должны быть параметры её составных элементов, чтобы соответствовать требованиям ТЗ. В среде AWR системное моделирование проводится в модуле Visual System Simulator (см. рис. 5).
Рис. 5. Пример разработки РЛС в модуле Visual System Simulator (VSS)

Разумеется, характеристики реальных модулей будут отличаться от идеализированных описаний, используемых в моделях. Для подбора компонентов системы, её тестирования и оптимизации с уже созданными модулями пользователь может провести аппаратно-программную симуляцию. В этом случае любой из модулей системы заменяется на связку векторного генератора с анализатором спектра со включённым между ними испытуемым устройством (ИУ). Поток IQ-данных формируется в САПР AWR, передаётся по интерфейсу удалённого управления в векторный генератор, сигнал с выхода генератора поступает на ИУ, с выхода ИУ – на анализатор спектра, после чего поток IQ-данных с анализатора поступает обратно в САПР для дальнейшей обработки (см. рис. 6). Более подробно об этом можно прочитать в [1].
Рис. 6. Связка из векторного генератора SMW и анализатора спектра FSW для реализации программно-аппаратной симуляции СВЧ-тракта в среде AWR

Таким образом можно оценить искажение модулированного сигнала при прохождении ВЧ-тракта. Основными показателями качества сигнала с цифровой модуляцией при этом являются: уровень внеполосных излучений, влияние на созвездие, глазковая диаграмма, коэффициент битовых ошибок BER, оценка пик-фактора по функции распределения мощности CCDF.
Рис. 7. Влияние усилителя мощности на модуляцию QPSK: a – спектры сигналов; б – созвездие; в – глазковая диаграмма; г – функция распределения мощности

Влияние усилителя мощности на качество сигнала с QPSK-модуляцией представлено на рисунке 7.

Пользовательская обработка данных

САПР AWR имеет большой набор встроенных функций, который перекрывает большинство стандартных задач. Тем не менее, случается так, что разработчику требуются уникальные алгоритмы обработки данных. Одним из самых быстрых способов сделать это – добавить собственную функцию, которую можно вызывать с помощью встроенного редактора формул Equations. Это позволит быстро создать итерационные алгоритмы с условиями, что в обычном редакторе формул невозможно. При этом вы получаете инструмент, встроенный в среду AWR, то есть отпадает необходимость в использовании внешнего ПО и решается проблема импорта и экспорта данных.

Рассмотрим, как это делается на примере алгоритма скользящего среднего во встроенном редакторе скриптов Visual Basic. Выбор инструментов реализации сделан из соображений наглядности. При необходимости это можно сделать на С++ и C# [3, 4].

Алгоритм скользящего среднего [5, 6] широко используется в технике. Его можно применить для фильтрации пространственных гармоник, вызванных рассогласованием в коаксиальной линии.

В качестве исходных данных был взят результат измерения кабеля ZV-Z193 на анализаторе цепей Rohde&Schwarz ZVA. Данные импортировались с помощью программного интерфейса TestWave. В проекте была использована разновидность алгоритма, называющаяся «простое скользящее среднее» или «арифметическое скользящее среднее» (Simple Moving Average, SMA), которое численно равно среднему арифметическому значений исходной функции за установленный период и вычисляется по формуле:

где SMA_t – значение простого скользящего среднего в точке t, n – количество значений исходной функции для расчёта скользящего среднего (сглаживающий интервал), при этом чем шире сглаживающий интервал, тем более плавным получается график функции, p_{t – i} – значение исходной функции в точке t – i.

Особенность алгоритма заключается в том, что на расстоянии ширины окна от начала и конца массива данных невозможно использовать окно той же ширины, что и в середине массива. Для компенсации этого эффекта используется динамически изменяющаяся ширина окна (см. рис. 8).
Рис. 8. Применение динамического окна в алгоритме скользящего среднего

Далее покажем результат применения алгоритма к фильтрации осцилляций, возникших в результате неидеального согласования кабеля. Объектом исследования был кабель ZV-Z193 с соединительным разъёмом PC3.5 длиной 910 мм. Как видно из рисунка 9, на увеличенном фрагменте уровень разброса значений вещественной части коэффициента отражения изменился с 0,03 до 0,005, то есть в 6 раз. Из средней линии может быть рассчитан истинный опорный импеданс линии.
Рис. 9. Результат применения сглаживающего алгоритма к измеренному коэффициенту отражения кабеля ZV-Z193

Для корректной работы алгоритма необходимо выбрать оптимальный размер окна, так как при узком окне не обеспечивается фильтрация данных, а при широком происходит искажение тренда.
Рис. 10. Окно редактора скриптов
Рис. 11. Импорт готового файла Equations.bas
Рис. 12. Отображение результата на новом графике
Листинг 1

Для создания такого скрипта необходимо выполнить следующие процедуры:

открыть редактор скриптов (см. рис. 10);
создать в редакторе скриптов модуль с названием Equations или импортировать за три шага готовый файл Equations.bas, как это показано на рисунке 11 (программный код функции скользящего среднего для проекта AWR приведён в листинге);
добавить функции в поле Equations (после создания скрипта в документе Equations необходимо ввести имя функции (mov_avgs), как это показано здесь:
для отображения результата на новом графике выбрать Add Measurements – Document Name – Equation Name и формат отображения, после чего нажать OK (см. рис. 12).

Выводы

САПР AWR предоставляет простой и удобный интерфейс для подключения измерительного оборудования Rohde&Schwarz, а также мощные инструменты для разработки и генерации моделей элементов и PDK. Всё это позволяет значительно сократить время разработки и оптимизации устройства. Точность симуляции в САПР зависит от качества моделей используемых элементов, которое порой бывает недостаточным для работы.

К сожалению, российские производители компонентов не предоставляют модели на свои изделия, поэтому процесс их создания перекладывается на плечи разработчика и невозможен без использования измерительного оборудования. Связка программного обеспечения NI AWR Design Environment и измерительного оборудования Rohde&Schwartz значительно упрощает эту задачу.