仿真分析工作者们是如何做到从繁琐的优化工作中解脱出来的？

时间： 2023-11-03 来源：是德科技 Keysight Technologies知乎

技术问答

PathWave System Design(SystemVue)是KEYSIGHT公司的前沿软件，用于通信系统中射频架构的高级设计和仿真。PathWave System Design (SystemVue)允许用户从系统的角度构建基带和RF架构。它包括两个仿真引擎，允许对任意体系结构进行仿真。数据流模拟引擎完全支持数字系统。它能够通过RF设计部件评估RF架构。该仿真技术可以与Spectrasys联合使用，后者是 (SystemVue)的射频仿真核心。使用Spectrasys可以很容易地描述互调产品、噪声、谐波和截点。(SystemVue)中包含的优化和调优工具帮助设计人员找到最佳折衷方案。(SystemVue)还包括WhatIF频率规划工具，允许用户轻松地评估给定系统的虚假性能。显示无杂散的带宽和受污染的频率，以及不同信号的振幅。此外，该软件包括工具，可以自动参数扫描和电路变量的优化。

PathWave System Design(SystemVue)是一个专注于电子系统级(ESL)设计的EDA环境，它允许系统架构师和算法开发人员创新下一代无线和航空/国防通信系统的物理层(PHY)。它为射频、DSP和FPGA/ASIC实现者提供了独特的价值，这些实现者依靠射频和数字信号处理来实现其硬件平台的全部价值。

图 1

PathWave System Design (SystemVue)软件

PathWave System Design (SystemVue)通过提供一个专用的ESL设计和信号处理实现平台，取代了通用的模拟、数字和数学环境。PathWave系统设计(SystemVue)“讲RF”，将PHY开发和验证时间减半，并连接到您的主流EDA流程。

1 什么是PathWave System Design (SystemVue)软件？

Keysight集成设计环境，如PathWave Advanced design System (ADS)和PathWave RF Synthesis (Genesys)，主要实现传统的RF设计的线性和非线性仿真技术。这些技术并不涵盖数字和RF系统的所有行为建模方面。为了完成这一套设计工具，创建了PathWave System design (SystemVue)。

PathWave System Design (SystemVue)是一种先进的系统级设计和仿真软件，用于支持射频和基带系统的高层架构设计。它包括各种模拟技术，包括基带和射频场，并在频率和时间域操作。

SystemVue包括数据流模拟器和Spectrasys仿真核心。它还包括一个用于IF频率规划的独特工具，称为WhatIF频率规划器(也在PathWave Advanced Design System (ADS)和PathWave RF Synthesis(Genesys)中提供)。

2 传统仿真技术

ADS允许评估射频原理图使用线性和非线性仿真技术。这些技术包括但不限于:

（1）散射参数(SP)计算:这种模拟评估射频器件的线性频率响应。它是基于网络散射和噪声参数的计算。

（2）谐波平衡(HB):一种频域仿真方法，用于计算非线性射频器件的稳态响应。例如，它计算总谐波失真(THD)和三阶截距(TOI)点等指标。

（3）瞬态分析(TA):这是一种时域模拟技术，用于评估RF设备随时间的响应。

（4）直流电路分析:这允许计算射频电路的直流特性。

这些技术大部分是低级的，不允许描述RF系统的行为。然而，SystemVue结合了仿真技术，能够全面描述射频系统/设备的行为，并准确地评估其时域和频域参数。

3 行为建模

Keysight介绍了一种基于行为建模的射频系统架构和仿真方法。Keysight产品，如PathWave System Design (SystemVue)，通过数据流模拟器和Spectrasys仿真引擎支持这种方法。行为模型支持不同类型的频谱。它们也足够灵活，可以支持未来的频谱。此外，在Spectrasys中，每个端口在默认情况下同时是一个输入和输出管脚，与使用的频谱类型有关。

行为模型支持线性和非线性器件，以及频域和时域分析。行为模型识别各种类型的设备和系统模型:

（1）原理图:设备可以使用捕获其行为的电路原理图进行建模。原理图块可以是预定义的设备模型。RF_LINK和circuit it_link等专用部件可用于封装低级电路，并允许在高级行为模型中使用它们(例如，使用数据流模拟器)。

（2）方程(例如Mathlang/MATLAB):设备行为的许多属性可以使用数学方程建模。然而，整个设备的行为可能不能完全用方程来描述。

（3）VB脚本:Visual Basic脚本语言可以用来配置行为模型。可以使用脚本对许多设备属性进行建模。

（4）基于文件的模型:使用像Touchstone这样的数据文件，包含S-parameters文件(可能有噪音参数)或X-parameters，也可以定义设备行为。

3.1数据流模拟器

数据流模拟用于分析通信系统在算法级使用基带和射频信号的时域分析。数据流中的射频分析包括以射频载波频率为中心的调制信息的时域分析。

RF系统的数据流分析可以使用RF数据流模型，也可以使用PathWave System Design (SystemVue) RF Design Kit与RF体系结构模拟器进行联合仿真。设计了数据流建模模型，用于基带系统响应的计算。它支持数字信号处理(DSP)和定点系统的设计和分析，以及硬件描述语言(HDL)代码的生成。

数据流模拟控制器使用RF_Link部分与Spectrasys(包含在SystemVue)中的RF模拟器)进行交互。使用动态行为的混合基带和RF系统的数据流模拟器，设计者可以计算出预期电路的最佳设计拓扑，可能使用以前设计的集成知识产权(IP)，从而减少投入市场的时间。

在数据流建模范例中，代表RF设备的块和部件被连接到一个数据流图中。图形基于数据驱动的执行进行操作。一个给定的块只有在其输入边有足够的数据时才能执行。它执行计算并将结果数据传递到输出边缘。给出了一个数据流模拟的例子，其中一些数字基带部分连接在一起，设计了一个带通FIR滤波器。输入和滤波信号显示在时间域和频率域。

大多数SystemVue的部件和模块都是根据同步数据流(SDF)技术工作的，其中样本数量、源产生率和目标消费率在模拟之前都是预先配置和已知的。然而，SystemVue中的一些部分可以用来建模通信系统的动态行为。在这些部分中，我们引用了特殊的块:DynamicPack_M和DynamicUnpack_M.2

数据流仿真技术在路径波系统设计(SystemVue)中实现了许多其他特性。在这些特点中，最突出的是:

（1）使用多种数据类型。该特性允许混合使用各种类型的数据，例如标量、定点或矩阵。

（2）定点仿真。PathWave System Design (SystemVue)在其HDL中提供了一套广泛的定点部件和模型，可用于构建、模拟和分析定点系统。这些定点系统可以直接转换成HDL和c++。

（3）分布式仿真。PathWave System Design (SystemVue)提供了远程运行Keysight的PathWave RFIC Design (GoldenGate)仿真的选项。如果您希望在具有更多内存或更快CPU的机器上运行模拟，此选项非常有用。

（4）与其他语言和仿真包进行联合仿真。PathWave System Design (SystemVue)允许设计人员使用ModelSim和.m文件使用MATLAB来共同模拟HDL代码。

图 2

3.2 Spectrasys技术

Spectrasys是一种关键技术，它实现了光谱传播和根本原因分析(SPARCA)模拟技术，以支持基于测量和行为的建模。Spectrasys赋予了PathWave系统设计(SystemVue)一种独特的能力来执行高级建模和测试

RF设备和系统的精确和易于使用的架构设计。

SPARCA支持以下类型的频谱:

（1）信号:包括源信号和载波。

（2）互调和谐波:由某些RF设备的非线性造成，如混频器和放大器。

（3）宽带噪声:由射频电路中的热噪声产生。

（4）相位噪声:包括通过射频系统产生的相位噪声。

SPARCA考虑到这样一个事实，即每个频谱都向前和向后传播到示意图的每个节点。然后，对所有的噪声参数、线性参数和非线性参数进行相应的计算。与传统的非线性仿真技术相比，SPARCA仿真具有速度快、收敛性强、代数计算量大等优点。使用SPARCA代替传统模拟技术的几个好处是:

（1）计算所有频谱的带宽

（2）宽带噪声可以很容易地估计

（3）行为相位噪声效应分析

（4）多路径分析

（5）信号泄漏路径分析

（6）未来频谱支持和增强的灵活性

图3展示了Spectrasys可以处理的行为模型。仿真引擎接受具有不同RF部件和模块的RF架构，并交付后续响应。

图 3

Spectrasys拥有众多杰出的特性，可以帮助设计师构建、模拟和分析通信系统和RF架构。这些特点包括:

（1）信源:Spectrasys支持各种类型的复杂频谱域RF源和频谱图，如连续波(CW)、宽带、噪声和模拟或测量产生的复杂频谱数据。

（2）信道:Spectrasys主要使用由中心频率和带宽组成的频率通道进行测量。

（3）路径:如前所述，Spectrasys认为每个部件的引脚都是一个输入和输出端口，并计算入射和入射波的频率响应。此外，Spectrasys还允许定义任意架构上的路径。这样可以检查每个路径的频率响应，并帮助设计人员更好地研究系统。

（4）层次图:这些图为用户提供了整个级联的性能的快速可视化指示。它显示沿用户定义的路径级联级联阶段的测量值。

（5）频谱来源识别:由于每个频谱都是单独跟踪的，用户可以找到每个感兴趣的频谱的来源和路径。

（6）宽带噪声:Spectrasys通过SPARCA仿真技术进行计算，计算给定路径中不同阶段的宽带噪声，并跟踪每个设备部件的噪声水平。

（7）互调和谐波:Spectrasys为每个频谱计算互调、谐波和截点。通过显示非线性行为模型的各种参数(如反向隔离、截点、谐波等)，可以对仿真结果进行高级分析。

（8）相干性:由于Spectrasys中的所有信号都是在单独的基础上处理的，因此每个频谱的相干性都是在模拟过程中产生的。相干信号将增加电压和相位，而非相干信号将增加功率。

（9）行为相位噪声:SPARCA引擎支持行为相位噪声，可以为特定的源和振荡器模型指定。相位噪声是一种独立的频谱类型，因此这种测量可以在存在其他不同类型频谱的情况下对该频谱进行操作。这种独立性允许相位噪声可以通过混频器、乘法器和分法器进行修改，而不影响原始频谱。

（10）扫描和电路协同仿真:Spectrasys允许使用其他仿真器(线性仿真器、谐波仿真Harbec等)对RF架构进行扫描操作和协同仿真。

优化:优化是一种用于解决实际设计问题的技术，例如标准值和组件公差，这些问题可能纯粹是理论上的。特别地，当设计变量的数量很高，并且由于巨大的多维变量空间，调优变得不那么有效时，就会使用这种方法。

（11）蒙特卡罗和良率分析:蒙特卡罗和良率分析是概率技术，用于模拟由生产过程引起的组件变化。这些方法可以用来确定哪些组件需要低容差(通常是更昂贵的组件)，或者帮助创建能够适应参数变化的设计。

图 4

4 总结

PathWave System Design (SystemVue)是Keysight公司的前沿软件，用于通信系统中射频架构的高级设计和仿真。PathWave System Design (SystemVue)允许用户从系统的角度构建基带和RF架构。它包括两个仿真引擎，允许对任意体系结构进行仿真。数据流模拟引擎完全支持数字系统。它能够通过RF设计部件评估RF架构。该仿真技术可以与Spectrasys联合使用，后者是 (SystemVue)的射频仿真核心。使用Spectrasys可以很容易地描述互调产品、噪声、谐波和截点。 (SystemVue)中包含的优化和调优工具帮助设计人员找到最佳折衷方案。 (SystemVue)还包括WhatIF频率规划工具，允许用户轻松地评估给定系统的虚假性能。显示无杂散的带宽和受污染的频率，以及不同信号的振幅。此外，该软件包括工具，可以自动参数扫描和电路变量的优化。

案例分享：RF IC放大器在Keysight Genesys和SystemVue中非线性仿真

传统上，线性和非线性RF电路仿真占据了不同领域。为了仿真级联小信号增益和损耗，RF设备设计人员传统上一直广泛使用S参数器件模型。由于缺乏数字形式的数据（如IP3、P1dB和噪声），而且常用RF仿真器中历来没有频率变化模型结构，所以传统方式中非线性仿真更具挑战性。RF电路设计人员通常采用自制的电子表格来计算级联噪声和失真。但是，这些电子表格难以模拟系统级特性，例如误差矢量幅度(EVM)和邻道泄漏比(ACLR)；当信号链由调制信号驱动时，这些特性变得很重要。

表1.典型Sys参数数据集

本文将探讨一些将线性S参数数据与非线性数据（如噪声系数、IP3、P1dB和P SAT）相结合的RF放大器模型结构。本文还会展示系统级仿真结果，以评估其对实际特性建模的准确程度。

图 5

S参数

S参数数据集是迄今为止使用非常广泛的RF仿真模型。它们是标准化的表格式数据集，包括不同频率下的输入回波损耗、增益、反向隔离和输出回波损耗，所有这些均为矢量格式。数据一般在驱动信号远低于信号压缩点的小信号条件下收集。S参数通常用于级联增益仿真、输入和输出匹配网络的设计以及稳定性的评估。然而，S参数不包含器件的噪声、压缩或失真特性的信息。

Keysight Sys-参数

表1列出了18 GHz至44 GHz、0.5W功率放大器ADPA7002的sys-参数数据集的一部分。该sys-参数器件模型结构由Keysight定义，用于其PathWave RF频率合成(Genesys)和PathWave系统设计(SystemVue) RF电路与系统仿真器。数据集的表格结构包括了不同频率下的S参数数据以及相应的噪声、三阶交调和1 dB压缩数据。这些数据集提供了足够的信息，支持对RF信号电平、级联增益和反向隔离进行仿真。但是，IP3、P1dB和噪声系数数据的纳入为RF功率扫描和信噪比仿真提供了可能性。另外，还可以在器件的工作频率范围内进行高阶信号特性仿真，例如ACLR和EVM。

ADI公司维护着一个丰富的RF放大器和混频器sys-参数库，该库可供下载，而且也包含在Keysight Genesys和SystemVue安装程序中。图6显示了Keysight Genesys的屏幕截图。ADI公司的sys-参数库可通过器件选择器轻松获取。每个器件的sys-参数器件模型均包含表1所示的数据，以及模型属性窗口中包含的额外信息。此额外数据包括电源信息以及PSAT和OIP2相对于OP1dB的默认偏移。

图 6.Keysight Genesys屏幕截图，展示了典型的sys-参数模型。

评估sys-参数模型的准确性
为了评估sys-参数模型的准确性，我们现在将对实测结果和仿真进行一系列比较。图7显示了HMC788A（10 MHz至10 GHz RF增益模块）在10 GHz时的功率扫描的实测和仿真结果。可以看到，仿真功率扫描与实测数据非常接近。仿真器使用器件的增益和OP1dB数据以及PSAT_Delta来生成所示的图形。在本例中，PSAT_Delta为2 dB。这导致PSAT值比OP1dB水平高2 dB，这是GaAs RF放大器的典型默认值。图2.砷化镓(GaAs) RF放大器的实测和仿真功率扫描。

图7.砷化镓(GaAs) RF放大器的实测和仿真功率扫描。

图8.AM到AM和AM到PM失真的仿真和测量。

图9. HMC1114（3.2 GHz、10 W GaN放大器）的仿真和实测功率扫描。
AM到AM和AM到PM失真

为了更细致地研究仿真压缩特性，我们可以看看AM到AM和AM到PM失真。图3所示的实测和仿真结果是针对 HMC930A的。测得的AM到AM失真与仿真非常接近。但是，仿真结果看不出AM到PM失真，这是不正确的。这是因为器件模型和数据集仅包含小信号相位信息（即S21）。虽然仿真器可以使用器件模型中的OP1dB和PSAT_Delta数据来估算AM到AM失真，但它没有任何大信号S参数数据可供使用。在这种情况下，使用更详细的模型，例如X-参数格式（X-参数模型内置与电平相关的S参数），会很合适。

氮化镓放大器的功率扫描仿真

图9显示了10 W氮化镓(GaN) RF放大器 HMC1114LP5DE在3.2 GHz时的功率扫描。GaN RF放大器的压缩特性往往比GaAs器件要缓和得多。这需要调整PSAT_Delta，即1 dB压缩点与饱和点之差。在这种情况下，基于观察到的测量值，该变化量已设置为7 dB。虽然仿真器在某些情况下会因变化量较大而产生警告，但它仍会正确仿真并产生与实测性能非常接近的结果。

ACLR仿真

随着我们从CW信号测量和仿真转向调制信号，sys-参数数据集的价值变得更大。虽然有关器件增益、压缩、IP3和噪声系数的信息可在器件数据手册中轻松获得，但显示调制信号下性能的曲线不大可能在为一般用途而设计的器件数据手册中找到。另外，如果不进行仿真或测量，ACLR和EVM之类的指标也不容易预测。

图10显示了0.25W的驱动放大器ADL5320在2140 MHz时，由5MHz宽载波驱动下的功率扫描的仿真结果。仿真载波由11个均匀间隔的子载波组成，ACLR在5 MHz载波偏移下进行测量。

图10.ACLR仿真。

仿真表明，ACLR在–15dBm的输入功率下达到了最优值。在此输入功率以下，ACLR以1dB/dB的比率随输入功率而降低。曲线的此区域主要由噪声系数数据决定。当输入功率提高到–15dBm以上时，ACLR的衰减速率与器件的IP3密切相关。值得注意的是，此仿真的结果依赖于噪声系数数据（低功率时）和IP3数据（高功率时）来产生在宽功率范围内都很准确的ACLR扫描。

该图还包括实测数据（蓝色）。对于–15dBm的输入功率水平，它未达到相同的最优水平，这是由于测量设置的限制所致。值得注意的是，随着输入功率水平的增加，实测ACLR下降得更快。这是因为器件的OIP3会随输入/输出功率水平而稍有下降（理想情况下，它不应改变）。器件模型数据集中的IP3是单个数据集，不随功率水平而变化；可以认为它是器件的小信号IP3。这又是一个X-参数模型及其更详细的电平相关性建模可能会产生更准确仿真的例子。

EVM仿真

sys-参数模型还可用来可靠地进行EVM仿真。图6显示了EVM相对于RF功率扫描的实测和仿真结果，输入信号为1 MSPS、16 QAM载波，驱动50 MHz至4 GHz增益模块 ADL5602。这表明在低功率和高功率水平下，测量与仿真之间都有出色的相关性。

图11 显示了EVM相对于RF功率扫描的实测和仿真结果

温度仿真

ADI库中的默认sys-参数数据集仅包含环境温度数据。但是，通过向包含温度数据的数据集添加额外工作表可以扩展模型。图12显示了18 GHz至44 GHz、1 W功率放大器 ADPA7007的数据集。该数据集具有多个工作表，包含–55°C、+25°C和+85°C下的增益、噪声和失真数据。Genesys和SystemVue仿真器可以利用这三个数据点生成其他温度下的插值数据，如图7所示。

在ADS中进行仿真

sys-参数数据集对Keysight Genesys和SystemVue是原生数据集，但不适用于Keysight ADS。有一种解决办法可以将sys-参数数据集导入ADS，从而进行噪声、失真和压缩仿真。这需要使用Amplifier2模型。Amplifier2模型对Keysight ADS是原生的，提供与sys-参数模型类似的功能。图8显示了包括Amplifier2模型的ADS原理图。该原理图还包含两个数据访问器件：DAC1和DAC2。这些DAC用于将sys-参数数据与Amplifier2模型相关联。噪声系数、OIP3和OP1dB数据格式化为文本文件，并通过DAC1器件与Amplifier2模型相关联。DAC2器件用于将S-参数数据与Amplifier2模型相关联。这将在ADS中产生一个Amplifier2模型，使用该模型可执行上面讨论过的所有仿真，但是在Keysight ADS中执行。

使用此方法时须小心。当执行RF功率扫描，Amplifier2模型被强驱进入压缩时，仿真性能往往与观察到的实测性能有很大差异。此外，创建一个使用S-参数数据及噪声、失真和压缩数据的Amplifier2模型，适合于具有良好基线输入和输出回波损耗（S11和S22）的器件，大多数不需要外部RF匹配器件的ADI RF放大器就是这种情况。通过将标量增益添加到DAC1器件并省略S-参数数据（即省略DAC2），可以创建一个更简单的Amplifier2模型。

图11.宽带增益模块的仿真和实测EVM功率扫描。

图12.18 GHz至44 GHz、1 W功率放大器ADPA7007的仿真增益和噪声系数与温度的关系。

结论

sys-参数数据集代表了一种新颖且有用的RF放大器仿真工具。它们比S-参数更强大，后者不能进行噪声、失真和压缩建模。它们不像X-参数模型那么复杂，后者可以改善依赖模型级别的特性，例如AM到PM失真和ACLR。但是，sys-参数模型具有简单的表格式结构，可以通过将S-参数数据与噪声系数、OIP3和OP1dB数据结合起来轻松创建。仿真和实测数据的比较显示出极好的一致性。尽管sys-参数模型无法在ADS中使用，但可以利用一个相对简单的流程来迁移数据集，以使用ADS原生的Amplifier2模型结构。

图 13.在使用Amplifier2模型的Keysight ADS中使用sys-参数数据。

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