�ݺ�ߣ

55
Методы
моделирования
радиотехнических
СБИС

56
Моделирование радиотехнических схем с цифровой
модуляцией в рамках VHDL-AMS моделирующих систем
Ю.Б. Егоров, А.А. Лялинский, С.Г. Русаков
Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, rusakov@ippm.ru
Аннотация — Показана возможность применения
разработанного VHDL-AMS симулятора для
поведенческого моделирования радиотехнических
систем с современными методами цифровой модуляции.
Разработаны VHDL-AMS модели базовых блоков
радиотехнических схем с цифровой модуляцией.
Применение иллюстрируется моделированием тракта
приёмопередатчика с BPSK системой цифровой
модуляции.
I. ВВЕДЕНИЕ
Современные системы связи требуют увеличения
информационной ёмкости, повышения качества
передачи сигнала и защиты информации,
совместимости с цифровой обработкой.
Традиционные методы амплитудной или частотной
модуляции не соответствуют таким требованиям.
Цифровая модуляция – базовая функция современных
систем связи. В сравнении с аналоговой модуляцией
цифровая модуляция позволяет увеличить
информационную ёмкость канала и улучшить
качество передачи, увеличить отношение сигнал/шум.
Введение цифровой функции модуляции требует
изменения систем моделирования радиотехнических
схем, ориентированных исходно на непрерывные
модулирующие сигналы. В результате моделирования
схем с цифровой модуляцией желательно получить
количественные оценки таких характеристик,
которые установились в рассматриваемой предметной
области и поддерживаются измерениями [1-3].
Моделирование включает анализ модуляторов и
детекторов, оценку характеристик качества
передаваемых сигналов, анализ причин высокой
частоты битовых ошибок (BER), исследования новых
типов модуляции. Проектирование радиотехнических
схем с цифровой модуляцией требует расчёта
характеристик на разных уровнях детализации от
высокоуровневого моделирования до транзисторного
уровня моделирования.
Высокая вычислительная сложность определяется
необходимостью смешанного моделирования схем,
включающих цифровые, аналоговые и
радиотехнические блоки. Высокоуровневое
поведенческое моделирование позволяет в этом
случае выполнить оценку большинства требуемых
характеристик и оказывается во многих случаях более
практичным в сравнении с транзисторным уровнем
моделирования.
Возможность смешанного моделирования аналого-
цифровых схем поддерживается языками
высокоуровневого моделирования Verilog-A и VHDL-
AMS [4], принятого в качестве IEEE стандарта.
Следует отметить также, что применение VHDL-
AMS стандарта поддерживает методику нисходящего
проектирования, что существенно для качественного
проектирования радиотехнических СБИС. В
последнее время начаты активные исследования по
развитию VHDL-AMS стандарта для моделирования
радиотехнических схем (см., например, [5-8]).
В настоящей статье показана возможность
применения разработанной отечественной версии
VHDL-AMS симулятора [9] и разработанной системы
генерации VHDL-AMS моделей [10] для решения
задач высокоуровневого моделирования
радиотехнических схем с цифровой модуляцией,
включающих формирование макромоделей базовых
блоков и моделирование полного тракта
приёмопередатчика*. В качестве демонстрационного
примера выбрана практическая задача моделирования
тракта с BPSK системой цифровой модуляции.
II. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ
Бинарная модуляция (Bi-Phase Shift Keying) –
BPSK [1] является одной из простейших форм
цифровой модуляции. В этом случае амплитуда
постоянна, а фаза несущей меняется между нулём и
180 градусами. На I/Q диаграмме (рис.1.) состояние I
принимает два различных значения. Два допустимых
расположения на диаграмме состояний означают, что
бинарная единица или бинарный ноль могут быть
переданы. Скорость передачи символов равна одному
биту на символ.
Структурная схема модели радиотракта для BPSK
системы приведена на рис.2.
* Результаты получены в рамках проекта,
выполняемого по Программе ОИТВС РАН
"Фундаментальные основы информационных
технологий и вычислительных систем”

57
Q
I
Рис. 1. I/Q диаграмма для BPSK модуляции
(1 бит на символ)
Структурная схема включает модели передатчика,
канала, приёмника. Цифровой сигнал преобразуется в
аналоговый с помощью однобитового ЦАП. Далее
выполняется модулирование, усиление и передача в
канал. Модель канала предполагает наличие шума.
Приёмный тракт осуществляет усиление входного
сигнала и его демодуляцию. Затем применяется
низкочастотная фильтрация и выполняется
преобразование сигнала в цифровую форму.
Для проведения поведенческого моделирования
рассматриваемого тракта нужно формировать VHDL-
AMS макромодели приведённых блоков и получить
результирующую VHDL-AMS модель полного
тракта.
Рис. 2. Структурная схема модели тракта:
Dinp – цифровой сигнал синхронизации; D – случайная
битовая последовательность (входной сигнал),
DA_Converter – цифро-аналоговый преобразователь,
TX_Mixer – BPSK модулятор, Oscillator – генератор
гармонического сигнала (f = 2ГГц), PA – усилитель
мощности передатчика, RF_Channel – модель эфира
(ослабление & шум), Efir_Noise – генератор шума эфира,
RX_AMP – предусилитель приемника, RX_MIXER – BPSK
демодулятор, LP_Filter – ФНЧ приемника, AD_Converter –
аналого-цифровой преобразователь, D_out – выходной
цифровой сигнал.
III. ПОВЕДЕНЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАКТА
ПРИЁМОПЕРЕДАЧИ
A. VHDL-AMS коды моделей блоков
Для разработки VHDL-AMS кодов,
представляющих модели блоков, применялась ранее
разработанная система автоматической генерации
VHDL-AMS макромоделей по их графическому
представлению.
Ниже приведены результаты работы указанной
программы.
1 Генератор входной битовой последовательности.
entity RandData is
generic(seed : real := 10);
port ( signal Clk : in bit;
signal Rand : out bit );
end entity RandData;
architecture archRandData of RandData is
variable N : real;
begin
GEN_B_0:process(Clk)
begin
if (Clk'event and Clk = '1') then
N := -0.5+RandU(seed) ; -- RandU - генератор
if (N > 0.0) then -- случайных чисел
Rand <= '1';
else
Rand <= '0';
end if;
end if;
end process GEN_B_0;
2 DA_Converter
entity DA_CONV is
port ( signal Si : in bit;
quantity Vo : out real );
end entity DA_CONV;
architecture archDA_CONV of DA_CONV is
begin
break on Si;
case Si use
when '1' use
Vo == 1;
when others use
Vo == -1;
end case;
end architecture archDA_CONV;
3 Mixer (модулятор и демодулятор)
entity MIXER is
port ( quantity RFin : in real;
quantity OSCin : in real;
quantity RFout : out real );
end entity MIXER;
architecture archMIXER of MIXER is
begin
RFout == RFin*OSCin;
end architecture archMIXER;
4 Линейный усилитель (PA и RX_AMP)
entity LinAmp is
generic(Gain : real := 20); -- к-т усиления (dB)

58
quantity RFout : out real );
end entity LinAmp;
architecture archLinAmp of LinAmp is
begin
RFout == 10**(Gain/20)*RFin;
end architecture archLinAmp;
5 Модель радиоканала и генератор шума
entity RF_Channel is
generic (Att : real := -40); -- ослабление сигнала (dB)
quantity RFout : out real;
quantity Noi : in real );
end entity RF_Channel;
architecture archRF_Channel of RF_Channel is
begin
RFout == RFin*10**(Att/20) + Noi;
end architecture archRF_Channel;
entity WhiteGauss is – генератор белого шума
generic (Level : real := 1.e-3; Frate : real := 1; Tau : real :=
0.1);
port (quantity WG : out real );
end entity WhiteGauss;
architecture archWhiteGauss of WhiteGauss is
signal N : real;
constant rate : real := 1.0;
variable x1 ,x2 : real;
constant seed : real := 1;
constant Pi : real := 3.14159;
constant T : real := 1/Frate;
begin
P1: process
begin
wait for T ;
x1 := RandU(seed) ;
x2 := RandU(seed) ;
N <= sqrt(-2*log(x1))*cos(2*Pi*x2);
end process P1;
Level*N == WG+Tau*WG'dot;
end architecture archWhiteGauss;
6 AD конвертор
entity AD_Converter is
port ( quantity A : in real;
signal D : out bit );
end entity AD_Converter;
architecture archAD_Converter of AD_Converter is
constant Level : real := 0.1;
begin
D <= transport '1' when A'above(Level) else '0';
end architecture archAD_Converter;
Б. VHDL-AMS код всего тракта
Ниже представлена модель поведения всего тракта на
базе ранее приведённых моделей отдельных блоков.
entity BPSK is
port ( signal Dout : out bit;-- входной синхросигнал
signal Dinp : in bit ); -- выходной цифровой сигнал
end entity BPSK;
architecture archBPSK of BPSK is
constant EfirAtt : real := -80;-- ослабление сигнала в
эфире (dB)
constant NoiseLev : real := 1.e-2; -- относит.
уровень шума
constant RXampGain : real := 80; -- к-т
усиления приемника (dB)
constant PAGain : real := 20; --к-т
усиления передатчика (dB)
constant Fb : real := 0.05; -- граничн.
частота ФНЧ (ГГц)
constant G_LPF : real := 0.5; -- к-т
передачи ФНЧ
constant Fcur : real := 2.0; -- несущая
частота (ГГц)
quantity F, G, C , RF_TX, RF_RX, N_6, N_8, N_11,
Ainp : real;
signal D : bit;
begin
RandData:entity RandData generic map(seed=>1)
port map(Clk=>Dinp,Rand=>D);
DA_Converter:entity DA_CONV
port map(Si=>D,Vo=>Ainp);
TX_MIXER:entity MIXER
port
map(RFin=>Ainp,OSCin=>N_11,RFout=>N_8);
PA:entity LinAmp generic map(Gain=>PAGain)
port map(RFin=>N_8,RFout=>RF_TX);
RF_Channel:entity RF_Channel generic map(Att=>EfirAtt)
port map(RFin=>RF_TX,RFout=>RF_RX,Noi=>N_6);
RX_AMP:entity LinAmp generic map(Gain=>RXampGain)
port map(RFin=>RF_RX,RFout=>C);
RX_MIXER:entity MIXER
port map(RFin=>C,OSCin=>N_11,RFout=>G);
LP_Filter:entity Lfilter
generic map(f_b=>Fb,g=>G_LPF,Q=>1.0)
port map(Vi=>G,Vo=>F);
AD_Converter:entity AD_Converter
port map(A=>F,D=>Dout);
EfirNoise:entity WhiteGauss
generic map(Level=>NoiseLev,Frate=>1,Tau=>0.1)
port map(WG=>N_6);
Oscillator:entity OSCIL generic map(A=>1,F=>Fcur)
port map(Vosc=>N_11);
end architecture archBPSK;
В. Результаты моделирования
Полученная модель позволяет проводить
многовариантный анализ, обеспечивая оценку
влияния параметров моделируемого тракта или
внешних воздействий на основные рассчитываемые
характеристики. В частности, ставилась задача
определения допустимого уровня отношения

59
сигнал/шум на входе приемника при физически
реализуемых параметрах блоков. На рис.3 приведены
рассчитанные временные диаграммы в наиболее
информативных узлах анализируемой структурной
схемы (рис.2) при отсутствии шума радиоканала
(эфира). Показаны, в частности, вид сигнала после
усилителя приемника, сигнал на выходе
демодулятора, сигнал после фильтра низкой частоты.
В нижней части диаграммы приведены входные
цифровые сигналы передатчика и выходной
цифровой сигнал приёмника. Из этих диаграмм
видно, что выходная последовательность (Dout)
повторяет входную последовательность (D) с
некоторой задержкой. Увеличенный фрагмент
диаграммы (рис. 5) иллюстрирует смену фазы
сигналов для BPSK модуляции.
На рис.4 приведены временные диаграммы при
заданном уровне шума канала. Несмотря на
значительные искажения принятого
высокочастотного сигнала (С), выходной цифровой
сигнал полностью соответствует входному (рис. 6а).
Уменьшение соотношения сигнал/шум на входе
приемника на 20dB приводит к ошибкам в выходной
последовательности (рис. 6.б).
Для дальнейшее уточнение модели тракта полезно
ввести нелинейные характеристики усилителей,
например использовать VHDL-AMS модель
нелинейного усилителя с нелинейностью 3-го
порядка [10].
entity NL_Amp is
generic (G : real := 40.0; -- к-т усиления, dB
Ip3 : real := -10.0;-- IP3 точка ВАХ, dB
Ri : real := 0.05);-- входн. и вых.
--сопротивления
port ( quantity Vi : in real; quantity Vo : out real );
end entity NL_Amp;
architecture archNL_Amp of NL_Amp is
constant a : real := pow(10,G/20);
constant c: real :=a*1.33/(pow(10,Ip3/10)*2*Ri);
constant Vi_cr : real := sqrt(a/(3*c));
constant Vo_cr : real := (2*a/3)*Vi_cr;
begin
if fabs(Vi) < Vi_cr use
Vo == (a - c*Vi*Vi)*Vi;
else if Vi < 0 use
Vo == -Vo_cr;
else
Vo == Vo_cr;
end use;
end use;
end architecture archNL_Amp;
Передаточная характеристика такого усилителя
имеет вид, показанный на рис. 7.
Таким образом, на примере относительно простого
вида цифровой модуляции - BPSK модуляции
показана методика поведенческого моделирования
радиотехнических схем с цифровой модуляцией с
применением средств смешанного VHDL-AMS
моделирования.
Рис. 3. Временные диаграммы при отсутствии помехи:
C – сигнал в приемнике после усилителя,
G – сигнал на выходе демодулятора.
F – сигнал после ФНЧ,
Dinp – входные синхроимпульсы,
D – случайный входной цифровой сигнал,
Dout – выходной цифровой сигнал приемника.
Рис. 4. Временные диаграммы при наличии помехи:
Ainp – сигнал на входе TX_MIXER,
RF_TX – сигнал на выходе передатчика,
C – сигнал в приемнике после усилителя,
G – сигнал на выходе демодулятора,.
F – сигнал после ФНЧ,
D – входной цифровой сигнал,

60
Dout – выходной цифровой сигнал приемника.
Рис. 5. Фрагмент сигналов RF_TX и С, на котором
видна смена фазы сигналов в BPSK системе модуляции
а)
б)
Рис. 6. Сравнение входной и выходной
последовательностей сигналов:
а) выходная последовательность (Dout) повторяет входную
(D) с некоторой задержкой, F – сигнал на входе АЦП-
преобразователя;
б) появление ошибок в выходной последовательности при
уменьшении соотношения сигнал/шум на входе приемника.
Рис. 7. Передаточная характеристика нелинейной
модели усилителя
ЛИТЕРАТУРА
[1] Gary Breed. Bit Error Rate: Fundamental Concepts and
Measurement Issues, High Frequency Electronics. - 2003.
[2] Gard K., Gutierrez H., and Steer M.. B,. Characterization
of spectral regrowth in microwave amplifiers based on the
nonlinear transformation of a complex Gaussian process //
IEEE Trans. Microwave Theory and Tech. -– 1999. - V.
47. - № 7. - PP. 1059-1069.
[3] Chen S.-W., Panton W., and Gilmore R., Effects of
nonlinear distortion on CDMA communication systems //
IEEE Trans. Microwave Theory and Tech. – 1996. - V. 44.
- № 12. - PP. 2743-2750.
[4] VHDL Analog and Mixed-Signal Extensions // IEEE
standard 1076.1-1999.
[5] D. Leenarts, G.E. Gielen, R.B. Rutenbar, CAD solutions
and Outstanding Challenges for Mixed-Signal and RF IC
Design. // Proc. of ICCAD’01,. - 2001, San Jose.
[6] M. Sida, R. Ahola, and D. Wallner , Bluetooth transceiver
design and simulation with VHDL-AMS // IEEE Circuits
and Devices Magazine. - March 2003. -, volV. 19,. - ppP.
11-14., March 2003.
[7] J. Ravatin, J. Oudinot, S. Scotti, A. Le-Clercq, and J.
Lebrun., Full transceiver circuit simulation using VHDL-
AMS // Journal of Microwave Engineering,. - May 2002. -
pp.P. 29.33, May 2002.
[8] E. Normark, L. Yang, C. Wakayama, P. Nikitin, and R.
Shi, VHDL-AMS behavioral modeling and simulation of a
π./4 DQPSK transceiver system. // Proc. IEEE Behavioral
Modeling and Simulation Conf. (BMAS'04), San Jose,
CA,. - Oct. 2004,. - ppP. 119-124.
[9] Актуальные проблемы моделирования в системах
автоматизации схемотехнического проектирования,
под редакцией чл.-корр. РАН А.Л.Стемпковского. //
Академиздатцентр “Наука” РАН, 2003 г.
[10] Ю.Б. Егоров, А.А. Лялинский Автоматизация синтеза
VHDL-AMS моделей для смешанного и аналогового
поведенческого моделирования // Всероссийская
Научно-техническая конференция "Проблемы разработки
перспективных микроэлектронных систем – 2005" / Сб.
научных тр. под общ. ред. А.Л. Стемпковского.-М.:ИППМ
РАН.-2005.–С.25-32.

�ݺ�ߣ

Bpsk

Recommended

More Related Content

Viewers also liked (9)

Similar to Bpsk (20)

Bpsk