Сравнение результатов моделирования с экспериментом и разработка пользовательских алгоритмов обработки данных в САПР AWR

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. Целью данной статьи является ознакомление с основами интеграции AWR с измерительной аппаратурой Rohde&Schwarz и написанием собственных алгоритмов обработки данных, позволяющих расширить и без того богатые возможности программного обеспечения, тем самым адаптируя его к специфическим задачам, что позволяет существенно сократить издержки на цикл разработки и ускорить выпуск готовой продукции.

Введение

Со второй половины 80-х с появлением компактных персональных компьютеров началась эпоха активного использования САПР для разработки электронных устройств.

Применение программного обеспечения избавило инженеров от рутинной работы по ручному расчёту схем, повысило их точность и значительно сократило время разработки: если в начале 90-х годов 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 PDK — Process Design Kit. При работе в AWR можно использовать модели из PDK в качестве исходных данных для расчётов, при этом чем точнее будут модели элементов, тем лучше 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, поскольку оно легко интегрируется с САПР AWR, перекрывает большинство измерительных задач за счёт широкой продуктовой линейки, а также отвечает оптимальному соотношению «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.

Статью можно условно разделить на две части: в первой части мы рассмотрим интеграцию измерительного оборудования Rohde & Schwarz c САПР AWR, а во второй рассмотрим добавление пользовательских функций и алгоритмов обработки данных на примере использования скрипта Visual Basic.

Рабочее место с интегрированным измерительным оборудованием

Совместное использование САПР AWR с измерительными приборами R&S позволяет создать рабочее место, на котором 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, тем самым давая возможность быстро проверить 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. TestWave может удалённо управлять приборами R&S, используя большинство стандартных интерфейсов, и объединять приборы в сложные измерительные системы (рис. 1).

Рисунок 1. Пример удалённого управления приборами R&S из САПР AWR. Приборы: 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 (рис. 2).

Рисунок 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 совместно с САПР AWR описан в [2]. Меню подключения анализатора цепей и сбора данных показаны на рисунке 4.

Рисунок 3. Схема измерительной установки

Рисунок 4. Меню настройки удалённого управления измерительным оборудованием и сбора данных

После сравнения результатов моделирования и измерений становится возможным подобрать значения элементов, при которых прототип будет удовлетворять требованиям ТЗ, с помощью инструментов оптимизации и подстройки (рис. 5).

Рисунок 5. 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 обеспечить выполнение требований ТЗ. В среде AWR системное моделирование проводится в модуле Visual System Simulator (рис. 6).

Рисунок 6. Пример разработки РЛС в модуле Visual System Simulator (VSS)

Разумеется, характеристики реальных модулей будут отличатся 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 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 (рис. 7). Более подробно об этом можно прочитать в [1].

Рисунок 7. Связка из векторного генератора SMW и анализатора спектра FSW для реализации программно-аппаратной симуляции СВЧ-тракта в среде AWR

Таким образом, становится возможным 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. Влияние усилителя мощности на качество сигнала с QPSK-модуляцией представлено на рисунке 8.

Рисунок 8. Влияние усилителя мощности на модуляцию QPSK: a — спектры сигналов, б — функция распределения мощности, в — созвездие, г — глазковая диаграмма

Пользовательская обработка данных

САПР AWR имеет большой набор встроенных функций, который перекрывает большинство стандартных задач. Тем не менее, случается так, что вам 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 невозможно в обычном редакторе формул. При этом вы получаете инструмент, встроенный в среду AWR, т.е. 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 (рис. 9). Данные импортировались с помощью программного интерфейса TestWave. В проекте была использована разновидность алгоритма, называющаяся простое скользящее среднее, или арифметическое скользящее среднее (англ. simple moving average, SMA), которое численно равно среднему арифметическому значений исходной функции за установленный период и вычисляется по формуле:

(1), где SMAt — 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; pt-i — значение исходной функции в точке t — i.

Рисунок 9. Измерение кабеля ZV-Z193, на анализаторе цепей ZVA24

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 (рис. 10).

Рисунок 10. Применение динамического окна в алгоритме скользящего среднего

Ниже показан 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 можно увидеть из рисунка 11, на увеличенном фрагменте уровень разброса значений вещественной части коэффициента отражения изменился с 0,03 до 0,005, т. е. в 6 раз. Из средней линии может быть рассчитан истинный опорный импеданс линии.

Для корректной работы алгоритма необходимо выбрать оптимальный размер окна, так как при узком окне не обеспечивается фильтрация данных, а при широком происходит искажение тренда.

Рисунок 11. Результат применения сглаживающего алгоритма к измеренному коэффициенту отражения кабеля ZV-Z193

Для создания такого скрипта необходимо выполнить следующую процедуру:

1. Открыть редактор скриптов:
   
2. Создать в редакторе скриптов модуль с названием Equations (или импортировать готовый файл Equations.bas). Программный код приведён в конце статьи:
   
3. Добавить функции в поле Equations. После создания скрипта в документе Equations необходимо ввести имя нашей функции (mov_avgs), как показано ниже:
   mes = Step10MHz:S(1,1)
   wr=7
   mrMwoFilt=mov_avgs(mes, wr)
4. Для отображения результата на новом графике выбрать Add Measurements → выбрать Document Name → выбрать Equation Name и формат отображения → нажать OK.
   

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. Все это позволяет значительно сократить время на разработку и оптимизацию устройства. Точность симуляции в САПР зависит от качества моделей используемых элементов, которое бывает недостаточным для работы.

К сожалению, российские производители компонентов не предоставляют моделей 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.

Список литературы:

1. Fiyyaz Bin Rahim, Roland Minihold, Connectivity of R&S^®Test Solutions with AWR Visual System Simulator™ (VSS), Application Note 1MA174_1e, Rohde & Schwarz, 2010,
2. M. Beer, F. Bin-Rahim, D. Seyboth, Filter Design and Optimization Using the R&S^®ZVA/ZVB/ZVT Integrated with AWR^®EDA Software, Application Note 1MA163_3e, Rohde & Schwarz,
3. awrcorp.com
4. kb.awr.com
5. habrahabr.ru
6. ru.wikipedia.org

Авторы:
д.т.н., проф. Никулин С.М.,
инженер тех. поддержки Торгованов А.И НГТУ им. Алексеева (г. Нижний Новгород)
ООО «РОДЕ и ШВАРЦ РУС» (г. Нижний Новгород)