建立5G毫米波波束成形器IC模型

在設(shè)計(jì)相位數(shù)組系統(tǒng)時(shí)需要驗(yàn)證設(shè)計(jì)的訊號(hào)完整性，利用測(cè)試平臺(tái)將成為天線數(shù)組測(cè)試平臺(tái)的延伸，可以幫助建立帶有波束成形功能的完整無(wú)線電連接的模型。

射頻（RF）工程師在設(shè)計(jì)相位數(shù)組系統(tǒng)時(shí)需要盡早驗(yàn)證設(shè)計(jì)的訊號(hào)完整性，并且確認(rèn)他們的設(shè)計(jì)遵照3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。同一時(shí)間，還必須確保設(shè)計(jì)符合客戶的實(shí)際需求，包含相位數(shù)組尺寸、天線方向圖（antenna pattern）的質(zhì)量、以及各種參數(shù)值的靈敏度。

當(dāng)天線、波束成形裝置、和收發(fā)器硬件皆組裝完成，工程師就可以在空中測(cè)試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將設(shè)計(jì)特性化。然而，視硬件和軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)短，還有產(chǎn)品的可取得性，若要備齊無(wú)線電系統(tǒng)的所有組件，通常需要幾周，或甚至幾個(gè)月的時(shí)間。

我們的團(tuán)隊(duì)建立一個(gè)Otava OTBF103波束成形器集成電路（Beamformer Integrated Circuit；BFIC）的行為模型，讓工程師可以執(zhí)行5G毫米波設(shè)計(jì)的系統(tǒng)層級(jí)仿真來(lái)獲取必要的系統(tǒng)性能表現(xiàn)信息。

這個(gè)模型可以在24 GHz到40 GHz范圍內(nèi)的八個(gè)傳送信道和八個(gè)接收信道進(jìn)行仿真，該范圍涵蓋了好幾個(gè)5G NR頻段。工程師可以將該模型與自己的天線模型結(jié)合，或使用我們的測(cè)試平臺(tái)所提供的天線模型。他們可以使用自有的Simulink收發(fā)器設(shè)計(jì)、測(cè)試平臺(tái)內(nèi)含的收發(fā)器模型、或者從真實(shí)世界的RF系統(tǒng)捕捉到的訊號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行仿真。

藉由使用BFIC模型執(zhí)行全面性位到天線端的仿真，工程師可以在各種RF運(yùn)作頻段、可變?cè)鲆娣糯笃鳎╲ariable gain amplifier；VGA）設(shè)定、移向器設(shè)定、和輸入/輸出功率等級(jí)來(lái)優(yōu)化，并驗(yàn)證他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)—這些全都在硬件交付或使用OTBF103評(píng)估板（圖1）執(zhí)行空中測(cè)試（over-the-air tests）之前就能進(jìn)行。一旦取得硬件，工程師便可以繼續(xù)使用模型來(lái)進(jìn)一步改善及驗(yàn)證他們的設(shè)計(jì)。


 
圖1 : Otava OTBF103評(píng)估板。

建立BFIC模型
我們從建立發(fā)射器信道模型開(kāi)始，并且以BFIC電路層級(jí)行為作為模型架構(gòu)的基礎(chǔ)。每一個(gè)TX訊號(hào)信道捕捉電路的功率分配器、移向器、可變?cè)鲆娣糯笃骱洼敵龉β史糯笃鞯男袨?，并且分別使用RF Blockset Power Divider、Phase Shift block、以及nonlinear Amplifier block來(lái)建模。

這個(gè)模型以大量的量測(cè)數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，包含實(shí)際從BFIC裝置收集來(lái)的完整電路輸和輸出端的S參數(shù)。因此，它確實(shí)捕捉到波束成形器在各種RF參數(shù)的響應(yīng)，如中心頻率、相位位移、增益工作點(diǎn)，以及剩余振幅和相位誤差。

完成初版模型的驗(yàn)證之后，我們與MathWorks的工程師合作來(lái)精進(jìn)模型。以更有效率的方式來(lái)重新配置模型，將分散在幾個(gè)組件的減損和非線性歸到同一個(gè)位置（圖2）。


 
圖2 : BFIC發(fā)射器模塊（左）和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（右），包含可變相位位移和可變?cè)鲆娣糯笃鹘M件。

這樣的歸類可以簡(jiǎn)化模型，使模型更易于使用、更具運(yùn)算效率。這種方式也有助于保護(hù)我們的智慧財(cái)產(chǎn)，因?yàn)橹匦陆?gòu)的模型看起來(lái)比起初始的版本，還更不像實(shí)際執(zhí)行的電路。

完整的FIC模型包含了發(fā)射器與接收器模塊（blocks）。接收器模塊反映了它與發(fā)射器的對(duì)應(yīng)關(guān)系，包含來(lái)自八根天線輸入，通過(guò)了低噪聲放大器、可變?cè)鲆娣糯笃骱妥兿嗥鞯妮斎胗嵦?hào)。

模擬5G毫米波設(shè)計(jì)
Otava的客戶使用我們的BFIC模型來(lái)透過(guò)多種方式評(píng)估他們的設(shè)計(jì)。舉例來(lái)說(shuō)，他們不只可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)CW RF的性能特性，像是增益、IP3、噪聲指數(shù)，還可以使用我們提供的RF Measurement Testbench來(lái)運(yùn)用5G NR波形（圖3）。


 
圖3 : RF量測(cè)測(cè)試平臺(tái)。

默認(rèn)的調(diào)變訊號(hào)為100 MHz的OFDM訊號(hào)。這個(gè)模擬送回一些關(guān)鍵的參數(shù)，讓無(wú)線電設(shè)計(jì)人員可以檢查是否符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)，例如集成輸出功率等級(jí)（integrated output power level）、ACLR、誤差向量幅度（error vector magnitude；EVM）、和星座圖（圖4）。

 
圖4 : 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)100 MHz OFDM訊號(hào)的單一信道ACLR圖表和EVM。

我們也提供測(cè)試平臺(tái)來(lái)進(jìn)行TX或RX BFIC模型和天線數(shù)組模型的協(xié)同仿真。用戶可以從這些范例開(kāi)始，檢視配置了波束成形器的天線設(shè)計(jì)表現(xiàn)如何，檢驗(yàn)天線放射型態(tài)、旁波瓣（sidelobe）或無(wú)效值等級(jí)，以及目標(biāo)波束方向和各種操作條件下的有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power；EIRP）（圖5）。

這個(gè)天線分析測(cè)試平臺(tái)透過(guò)天線工具箱（Antenna Toolbox）執(zhí)行一個(gè)偶極數(shù)組或圓形貼片天線（circular patch antennas）來(lái)仿真極指向性型態(tài)（polar directivity patterns），以及計(jì)算表現(xiàn)其與RF中心頻率和波束方向之間的關(guān)系的EIRP函式。使用者也可以變更測(cè)試平臺(tái)來(lái)加入他們自己使用MATLAB Antenna Designer app產(chǎn)生的客制天線設(shè)計(jì)，或是S參數(shù)數(shù)據(jù)和從EM仿真工具取得的方向性輪廓。


 
圖5 : 包含BFIC發(fā)射器模塊和偶極天線數(shù)組的Simulink模型，也附上仿真的極指向性型態(tài)和EIRP（右）。

計(jì)劃中的改善
當(dāng)目前供應(yīng)的OTBF103模型對(duì)于各種RF訊號(hào)鏈分析的支持已相當(dāng)完整，我們計(jì)劃依據(jù)裝置現(xiàn)有和未來(lái)的能力來(lái)改善后續(xù)的版本。其中一項(xiàng)列入考慮的改良是增添多重偏差控制（multi-bias control）。加入偏差控制可幫助工程師評(píng)估他們的系統(tǒng)在功率等級(jí)下降的情況下會(huì)如何表現(xiàn)。

功率消耗已成為4G蜂巢式無(wú)線電的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)—在多通道的5G蜂巢式基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備尤其更是。了解在較低流量負(fù)荷時(shí)如何使用裝置可以節(jié)省電力至為關(guān)鍵，捕捉這一方面的裝置行為對(duì)模型相當(dāng)重要。我們也計(jì)劃要重復(fù)使用現(xiàn)有模型，將模型改寫后，讓它能夠反映正在開(kāi)發(fā)中的波束成形器ICs行為。

短期之內(nèi)，我們即將推出一個(gè)連接了兩個(gè)MIMO系統(tǒng)的端到端空中（over-the-air）分析測(cè)試平臺(tái)。這個(gè)測(cè)試平臺(tái)將會(huì)是我們天線數(shù)組測(cè)試平臺(tái)的延伸，可以幫助建立帶有波束成形功能的完整無(wú)線電連接的模型。這樣的設(shè)置考慮到任何客制的路徑損耗（path loss），并且內(nèi)含支持訊號(hào)預(yù)算分析的TX-to-RX波束校準(zhǔn)（beam alignment）函式。

（本文由鈦思科技提供；作者Cecile Masse任職于Otava公司）