Шелковніков Б. Н.

Національний Технічний Університет України «КПІ» 4020, пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна факс: +380 (44) 241-7623, e-mail: shelk (3> ‘ukr.net Магон В. С., Пєшков А . Н., Ломака В. Л.

ННП “Геліос-РРЛ” e-mail: helios-rrl (8) _ukr.net

D.                                                           Budimir, A. Shelkovnikov Wireless Communication Research Group, University of Westminster W1W6UW, London, UK


Анотація У цій статті коротко розглянуті засоби моделювання та проектування пристроїв і систем зв’язку, відмічені їх характерні властивості. З використанням САПР ADS і Microwave Office поставлені і вирішені завдання моделювання конвертора, підсилювача, тракту радіорелейного станції при впливі модульований сигналів і шумів. Наведено отримані результати.

I. Вступ

Бездротові системи, як мобільні (GSM, CDMA, W-CDMA, UMTS, HIPERLAN, GPRS, WLAN тощо), так і стаціонарні (LMDS, MVDS, BWS, МІТРІС, РРЛ, WLL, PtP, РМР та ін) [ 4] знаходять все більш широке поширення і активно вдосконалюються. При цьому не втрачають актуальності завдання аналізу та оптимального проектування систем широкосмугового доступу і складових частин на структурному, функціональному, апаратному, схемотехнічне, конструктивно-технологічному рівнях. При вирішенні цих завдань активно використовуються різноманітні сучасні засоби моделювання САПР (CAD і EDA). У статтях [1-3] автори розглядали можливості частини програмних систем при аналізі і проектуванні СШБД. В [2] був представлений узагальнений алгоритм оптимального проектування СШБД, виділені завдання дослідження і проектування, детально розглянуто проектування структури двошаровою LMDS і визначення вимог до складових частин приймача і передавача з використанням програмного забезпечення фірми EDX Inc. [5].

У цій статті ставиться завдання вибору засобів моделювання та проектування складових частин СШБД і демонстрації їх застосування на прикладах конвертора, підсилювача при дії сигналу 16QAM, моделі тракту радіорелейної станції (РРС) або системи точка-точка (PtP).

II. Засоби та приклади моделювання пристроїв систем зв’язку

Всебічний аналіз з позицій функціонального призначення (охоплення етапів проектування, класів розв’язуваних завдань, можливості бібліотек, універсальність використовуваних методів і пр.) і сервісу з безлічі пакетів прикладних програм (ППП) і САПР для моделювання і проектування пристроїв і систем зв’язку найбільш прийнятні ADS [6], Microwave Office [8], Acolade [7], Serenade, Symphony [9], System View [ 4]. З загальних позицій ці програмні засоби були проаналізовані в [1,3]. Тут же відзначимо їх характерні особливості з позицій застосування для моделювання при впливі модульованих сигналів і шумів. В основі реалізації перерахованих програмних засобів лежать теорії інформації, нелінійних складних систем, аналого-цифрового зв’язку. Це є загальним для названих САПР. Розрізняються вона безліччю конкретних використовуваних бібліотек моделей, безліччю обчислюваних якісних показників, тобто безліччю вирішуваних завдань і сервісними можливостями виведення і введення інформації, інтерфейсом з іншими програмами і апаратурою. Acolade спрямована на вирішення структурно-функціональних завдань в зв’язку і не має можливості деталізації бібліотечних моделей на елементно-апаратний рівень. System View орієнтована в більшою мірою на моделювання цифрових систем теж на структурно-функціональному рівні з ієрархічною організацією. Для проектування на елементноаппаратном рівні є інтерфейс з іншими системами, наприклад, Xpedian Golden Gate [10], Serenade, Symphony мають можливість моделювати структурно-функціональні схеми (бібліотеки обмежені), але більшою мірою орієнтовані на схемотехнічне моделювання. Найбільш універсальні з позицій реалізації процесу стохастичних систем ADS і Microwave Office. Вони мають не тільки значні за обсягом бібліотеки елементів і сигналів (джерел) для різних рівнів моделювання та проектування від фізичного до структурно-функціонального на різних уповнях ієрархії (прилад, пристрій, вузол, підсистема, система). Кількома прикладами проілюструємо використання САПР ADS і Microwave Office при моделюванні пристроїв і систем зв’язку.

Конвертор. Структурна схема конвертора зображена на рис.1. Він виконаний на основі змішувача, двох фільтрів і двох підсилювачів на високій і низькій частоті. Для них задані передавальні властивості в смузі частот. На рис.2 представлено розподіл коефіцієнта посилення по потужності і коефіцієнта шуму на кожному компоненті від входу до виходу. На основі цієї структурної схеми при завданні в підсилювачах і змішувачі нелінійних властивостей в більше сигнальному режимі обчислюється спектральний склад, смугові властивості, спотворення другого, третього порядку, компресія.

Підсилювач при впливі 16QAM. На ріс.З наведена схема відповідного завдання для ADS. Схема до підсилювача представляє джерело сигналу 16QAM (несуча частота 8 ГГц, символьний потік 16 МГц). Фільтри призначені для корекції модульованого цифрового потоку і на виході підсилювача для поділу по каналах на 20 МГц вгору і вниз від основного каналу. Макромодель підсилювача відображає нелінійні і шумові властивості (задаються спотворення 2го, 3го порядку, компресія, коефіцієнт шуму). Вплив цих властивостей підсилювача і сигналу відображається на вихідному сигналі і в сусідніх каналах. На рис.4 зображені тимчасові, а на рис.5 спектральні характеристики основного та сусідніх каналів, потужність в основному каналі, ставлення потужностей основного та сусідніх каналів (ACPR), траєкторія модулируемого сигналу і сузір’я. При зміні параметрів підсилювача і сигналу на моделі наочно видно зміна спостережуваних характеристик.

Тракт радіорелейного станції (ТРРС). Структурна схема моделі ТРРС зображена на рис. 6 і включає наступні блоки (зліва направо): цифровий джерело 64QAM, 28 Мбіт / с; генератор (гетеродинний), 28 ГГц, з фазовими шумами, які мо-

Рис. 3. Завдання на моделювання підсилювача

Puc. 2. Розподіл рівнів сигналу і шумів

Fig. 2. Distributed signal and noise rate

Рис. 1 Структурна схема конвертора Fig. 1. Structure scheme of convertor

Fig. 3. Simulation task of amplifier

жно змінювати; конвертор вгору на основі нелінійної моделі змішувача (Кпр =-ЮдБ; NF = ЗдБ, спотворення третій IP3 і другого IP2 порядку по 40 дБм, Рг =

10 дБм. Всі параметри можна змінювати); підсилювач потужності нелінійний підсилювач (К “= 29 дБ, NF =

3 дБ, IP2 = IP3 = 35 дБм, P1DB = 28 дБм); елемент зсуву фази (ф1 = 180 °); модель каналу (AWGN може бути іншого типу) [6]; аттенюатор (втрати = 22дБ); вхідний фільтр на приймальному кінці (ППФ типу, f0 = 28 ГГц, Af = 8МГц); малошумливий підсилювач (Кп = 10 дБ, NF = ЗдБ, IP2 = IP3 = 40 дБм, P1DB = 20 дБм, Рг = 10 дБм); елемент затримки; когерентний приймач (ідеальний) демодулирует комплексний сигнал 64QAM; аналізатор ланцюгів показує EVM сигнал, що змінюється в часі.

На рис.7-8 представлений один сценарій результатів моделювання тракту РРС. На рис.7 зображені:

а) спектральні щільності на виході конвертора вгору, на виході підсилювача потужності, на вході малошумні підсилювача;

б) частотні характеристики S11, S12 фільтру і спектральна щільність на виході конвертора вгору;

в) амплітудна характеристика підсилювача і амплітудна характеристика передачі сигналу.

На рис.8 зображені а) затримка сигналу в часі на виході вхідного фільтра приймача в порівнянні з сигналом на виході конвертора, б) сузір’я на виході приймача, в) тимчасова діаграма амплітуди вектора помилки.

Всі параметри моделі можливо змінювати і варіювати в задаються межах і одержувати відповідні вихідні характеристики, частина з яких наведена на рис.7, 8. Таким чином, неважко встановити їх залежність від амплітуди сигналу, від рівня фазових шумів, фазових зрушень в трактах передачі і прийому, затримки, нелінійних параметрів конверторів і підсилювачів, параметрів каналу. В кінцевому підсумку визначається оптимальний режим роботи тракту РРС. Введення в завдання на розрахунок варьируемого рівня потужності вхідного сигналу і в модель вимірювача ймовірності бітових помилок (BER meter) дозволить оцінити цей найважливіший показник, від ставлення сигнал / шум. Подальший розвиток моделі тракту РРС пов’язане з включенням в неї кодують і декодер елементів і оцінкою їх впливу на показники якості тракту. Це предмет подальшого дослідження.

Рис. 7. Характеристики тракту РРС Fig. 7. RRS tract charcteristics

с)

Рис. 8. Характеристики тракту РРС

Fig. 8. RRS tract charcteristics IV. Список літератури

[1] Шелковніков Б. Н., Шелковніков A. B., Djuradgy Budimir. Програмне забезпечення проектування бездротових широкосмугових систем. – В кн.: 11-я Міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології »(КриМіКо’2001). Матеріали конференції [Севастополь, 10-14 вересня 2001 р.]. – Севастополь: Вебер, 2001, с. 45-50.

ISBN 966-7968-00-6, IEEE Cat. Number 01ЕХ487.

б)

а)

III. Висновок

Здійснено аналіз засобів моделювання пристроїв і систем зв’язку. Обрано САПР ADS і Microwave Office в якості оптимальних для моделювання та проектування. Розглянуто та проаналізовано моделі конвертора, підсилювача при впливі джерела 16QAM і тракту радіорелейного станції при впливі цифрового джерела 64QAM. Отримано залежності якісних показників (вихідних характеристик) від задаються і варійованих параметрів. Це дозволяє в кінцевому підсумку визначити оптимальний режим роботи відповідного пристрою (підсилювача, конвертора) і системи (тракту РРС).

[2] D. Budimir, A. B. Shelkovnikov, B. N. Shelkovnikov. Application of the software for bwa systems for analysis and design. – В кн.: 12-я Міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології »(КриМіКо’2002). Матеріали конференції [Севастополь, 9-13 вересня 2002 р.]. – Севастополь: Вебер, 2002, с. 267-273. ISBN 966-7968-12-Х,

IEEE Cat. Number 02ЕХ570.

[3] Djuradj Budimir, В. N.Shelkovnikov, CAD for Broadband Wireless Access Design, 5th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services(TELSIKS 2001).

[4] Шелковніков Б. H., Шелковніков А. Б., Budimir D “Єрмолов П. П. Системи широкосмугового бездротового доступу, – В кн.: 12-я Міжнародна Кримська конференція« СВЧ техніка і телекомунікаційні технології »(КриМіКо’2002). Матеріали конференції [Севастополь, 9-13 вересня 2002 р.]. – Севастополь: Вебер, 2002, с. 35-41. ISBN 966-7968-12-Х,

IEEE Cat. Number 02ЕХ570.

[5]   www.elanix.com

[6]   www.aailent.ciom

[7]   www.icucom.com

[8]   www.mwoffice.com

[9]   www.ansoft.com

І 01 www.xoedion.com

SIMULATION TOOLS AND EXAMPLES OF DEVICES AND TELECOMMUNICATION SYSTEMS UNDER INFLUENCE OF MODULATED SIGNALS AND NOISE

Shelkovnikov B. N.

National Technical University of Ukraine "KPI"

4020, 03056, Kiev, 37 Pobedy ave., Ukraine fax: 380(44)241-7623, e-mail: shelk@ukr.net Mahonya V. S., PeshkovA. N., Lomaka V. L.

NNP “Helios-RRL", e-mail: helios-rrl@ukr.net D. Budimir, A. Shelkovnikov Wireless Communication Research Groups, Department of Electronic Systems University of Westminster London, W1M6UW, UK

AbstractIn this paper simulation tools and design matters of telecommunication devices and systems are observed. Their characteristic properties are underlined. Using CAD ADS and Microwave Office simulation tasks of converter, amplifier, radiorelay station tract under influence of modulated signals and noise were set and solved. Simulation results examples are given.

I.  Introduction

In the paper the task of choosing tools of simulation and design for component parts of BWA is set and demonstration of their application on the examples of converter, amplifier under 16QAM-signal, model of radio-relay station (RRS) channel or Point-to-Point (PtP) system.

II.          Simulation tools and examples of telecommunication devices and systems

Thorough analysis from a functional point of view (design stages, tasks to be solved, library possibilities, universal methods, etc.) and service capabilities from multiple software and CAD for simulation and design of telecommunication devices and systems has shown that the most suitable are ADS, Microwave Office, Acolade, Serenade, Symphony, System View.

Converter. The structure scheme of converter is shown on Fig.1.

Fig.2 depicts the distributed power gain and noise rate at every component from input to output.

Amplifier under the influence from a 16QAM source. Fig.3 shows the scheme of the corresponding task in ADS.

Fig.4 and 5 present simulation results.

Radio-relav station tract CRRSTI. Structure scheme of a RRST model is shown on Fig.6.

Fig.7-8 present one certain set of simulation results for RRS tract.

III.  Conclusion

Analysis of simulation tools of telecommunication devices and systems has been carried out. CAD tools such as ADS and Microwave Office were chosen as optimal for simulation and design. Models of converter, amplifier under influence of 16QAM source and radio-relay station tract under 64QAM digital source have been observed and analyzed. Functions for quality figures (output characteristics) on set and variable parameters are obtained. This allows to determine optimal operation mode for certain devices, such as amplifier, converter and system (radio-relay station tract).

Рис. 5. Вихідні спектри в основному і сусідніх каналах, коефіцієнти розв’язки (ACPR) і

потужність в основному каналі

Fig. 5. Output spectrums in main and adjacent channels, ACPR and power gain in main channel

Рис. 6. Система точка-точка або цифровий приймач (РРС) Fig. 6. Point-to-Point System and digital transceiver (RRS)

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.