4G改變了生活，5G將改變社會，5G除了在增強移動帶寬應用場景下能夠豐富多媒體類應用場景，在用戶密度大的區(qū)域增強通信能力，實現(xiàn)無縫的用戶體驗之外，基于大規(guī)模機器類通信的物聯(lián)網(wǎng)也是5G通信技術的突破性應用場景，能夠衍生出智慧城市、智能家居、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)自動化控制、自動駕駛、遠程醫(yī)療等諸多具體的物聯(lián)網(wǎng)應用方向，5G的時代萬物互聯(lián)，新一代移動通信技術將給人類的生活帶來天翻地覆的變化。

 

萬物互聯(lián)的5G時代

 

5G時代對多射頻系統(tǒng)共存及抗干擾設計提出的挑戰(zhàn)

 

從射頻的角度來看，5G技術先進性的原因之一是因為5G通信設備工作在更高的頻率，擁有更多帶寬。根據(jù)3GPP的定義，5G包括了如下圖所示的兩個頻譜范圍，分別是Sub-6GHz低頻和mmWave毫米波高頻，在每個范圍內(nèi)又細分了數(shù)十個頻段號用于分配給不同國家的不同電信運營商使用。

 

比如中國移動得到了2515MHz-2675MHz和4899MHz-4900MHz兩個頻段，中國電信得到了3400MHz-3500MHz頻段，而中國聯(lián)通則被分配到了3500MHz-3600MHz頻段，放眼全球則各個電信運營商頻段的分配就更加復雜。

 

不同的頻段在5G通信設備里都對應著特定的射頻前端系統(tǒng)的硬件支持，對于5G通信設備而言，如何在擁擠而復雜的頻譜環(huán)境中讓自己不被其他頻段設備干擾就成為了設計師必須要考慮的問題。

 

5G頻譜分布圖

 

此外，5G移動終端設備除了支持5G通信制式以外，還必須向下兼容老的移動通信制式，比如2G GSM、3G WCDMA/CDMA2000/TDSCDMA、4G TD-LTE/FD-LTE等在未來相當長時間內(nèi)仍然會繼續(xù)提供服務，所以隨著通信技術的不斷發(fā)展，通信設備上務必會搭載越來越多種類的通信系統(tǒng)。

 

比如最近發(fā)布的華為Mate 30 Pro 5G手機采用了最先進的5G天線設計，機身共有21根天線，搭載了包括5G、4G、3G、2G、WiFi、BT、GPS、NFC等在內(nèi)多達8種不同移動通信系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在單獨工作的時候不會產(chǎn)生干擾問題，但當不同的通信系統(tǒng)同時工作的情況下，產(chǎn)生的互調(diào)/交調(diào)頻譜分量或者噪聲信號很可能被抬高，導致某些極度敏感的通信系統(tǒng)（比如GPS）被嚴重干擾到無法正常工作。

 

集成包含5G在內(nèi)多種通信系統(tǒng)的手機仿真模型

 

5G通信技術下，物聯(lián)網(wǎng)應用場景大量爆發(fā)，除了移動通信設備外，在汽車、工業(yè)設備，國防設備等平臺上也會搭載包括5G通信在內(nèi)的導航、探測、通信、測控、數(shù)傳等眾多射頻系統(tǒng)，豐富多樣的系統(tǒng)特性包括了復雜的調(diào)制類型、超寬的頻率范圍、豐富的功率電平等。

 

這些平臺上往往包含數(shù)十個射頻發(fā)射設備，這些發(fā)射設備中的倍頻器、混頻器、功率放大器等由于諧波泄漏、雜散輻射等會產(chǎn)生大量的交調(diào)產(chǎn)物，而擴頻調(diào)制、調(diào)頻工作等使雜散輻射頻譜大量增加。

 

同時這些平臺上還包括了相當數(shù)量的射頻接收設備，這些接收設備的工作頻段各有不同，其敏感頻率（如鏡像頻率，諧波頻率等）也各有不同，隨著軟件無線電、數(shù)字化中頻、寬帶接收等技術的采用，使這些接收系統(tǒng)受到干擾的潛在風險大大增加，這些復雜的電磁干擾以及與電磁頻譜相關的軍事力量、設備、系統(tǒng)和平臺的影響成為決定整體系統(tǒng)和平臺效能至關重要的因素。

 

搭載多種通信系統(tǒng)的平臺設備

 

完美的射頻系統(tǒng)抗干擾仿真方案需具備的幾大要素

 

ANSYS射頻系統(tǒng)抗干擾仿真方案提供了一個復雜射頻環(huán)境中電磁干擾仿真的數(shù)據(jù)管理與分析的整體框架，將尖端的仿真引擎與多保真參數(shù)化模型相結(jié)合，實現(xiàn)對任何環(huán)境下共址干擾的準確預測，如運載平臺、通信基站以及個人電子設備的共存和靈敏度降低等。并且針對不同保真度登記的已知數(shù)據(jù)，可以進行不同層級的仿真分析。

 

這套仿真解決方案的設計理念是允許設計師在設計早期階段就開始仿真，直至整個系統(tǒng)設計完成后的維護階段。在設計和集成的早期就可定位出共址干擾問題，當定位出干擾問題，在對設備或系統(tǒng)進行否認和修改之前，便可以在軟件中進行改善策略的探索對比，從而幫助客戶節(jié)省大量成本。

 

而說到射頻系統(tǒng)共址及抗干擾仿真解決方案，所需要注重的能力包括以下幾個方面。

 

1 內(nèi)置無線電模型庫和RF部件庫，方便射頻系統(tǒng)建模

 

多通信系統(tǒng)共存情況下的射頻抗干擾仿真的第一步是對射頻系統(tǒng)的建模，射頻系統(tǒng)包含了收發(fā)機、濾波器、雙工器、放大器、混頻器、天線等諸多器件，能夠支持用戶方便快捷地實現(xiàn)射頻系統(tǒng)建模成為抗干擾仿真工具的重要技術要求。

 

ANSYS EMIT內(nèi)置了多種通用的無線電模型庫，包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、GPS、WiFi、藍牙、VHF/UHF通信、SINCGARS、CDL等許多通用的無線電模型，用戶可以直接調(diào)出使用。對于實現(xiàn)特殊功能的定制化無線電模型，客戶也可以通過參數(shù)化輸入對其發(fā)射頻譜和接收頻譜進行定義，也可通過導入測試數(shù)據(jù)的方式實現(xiàn)對未知無線電模型的建模。

 

EMIT內(nèi)置的無線電模型庫以及可擴展的無線電模型

 

EMIT軟件中的無線電模型（Radio）可以是收發(fā)信機（Tranceiver）、發(fā)射機（Transmitter）或接收機（Receiver），一個無線電模型中可以定義多個頻段（Band），EMIT可對每個頻段配置相應的頻率、功率電平、調(diào)制方式等無線系統(tǒng)參數(shù)。對于發(fā)射機頻譜可以配置頻譜類別、發(fā)射功率、近端相位噪聲、遠端相位噪聲、諧波、雜散等指標，對于接收機頻譜則可以配置帶內(nèi)敏感度門限、混頻器產(chǎn)物、帶外雜散、飽和電平等參數(shù)。

 

ANSYS EMIT：完美解決復雜環(huán)境中的射頻干擾(RFI)

 

ANSYS EMIT是用于復雜環(huán)境中射頻干擾(RFI)仿真的業(yè)界領先軟件。EMIT與ANSYS HFSS緊密配合，將射頻系統(tǒng)干擾分析與行業(yè)領先的電磁仿真相結(jié)合，能夠?qū)μ炀€到天線耦合進行建模，能夠可靠地預測多天線環(huán)境（具有多個發(fā)射器和接收器）中的RFI影響。眾所周知，在測試環(huán)境中診斷復雜環(huán)境內(nèi)的RFI非常困難而且成本高昂，但是，利用EMIT的動態(tài)鏈接結(jié)果視圖，就可以通過圖形化信號跟蹤和診斷總結(jié)功能顯示干擾信號的源頭以及其到達接收器的路徑，從而快速確定任何干擾的根源。一旦找到干擾原因，EMIT就能快速評估各種RFI緩解措施，從而實現(xiàn)解決方案優(yōu)化。

 

除了對無線電模型的快速參數(shù)化建模外，EMIT還內(nèi)置包含濾波器、多工器、環(huán)形器、隔離器、功分器、放大器、線纜等在內(nèi)的全面RF部件庫，這些寬帶部件模型可以生成搭建射頻系統(tǒng)所用的模塊，這些部件模型可以利用EMIT內(nèi)置參數(shù)化模型指定指標，或者通過其他仿真工具或測量獲得的特性數(shù)據(jù)生成模型。射頻系統(tǒng)模型中用到的無線電模型、RF部件和天線等模型的定義可保存在EMIT部件庫中以供將來使用，也可以共享給其他用戶使用。

 

包含發(fā)射和接收系統(tǒng)的EMIT仿真模型

 

2 支持多種保真度的天線耦合模型

 

射頻系統(tǒng)的干擾路徑主要基于各系統(tǒng)天線之間的空間耦合，所以天線耦合數(shù)據(jù)成為決定射頻系統(tǒng)抗干擾仿真準確性的重要組成部分。對于設計初期的系統(tǒng)共存仿真驗證工作而言，該階段一般尚不具備搭載通信系統(tǒng)的平臺設備模型以及各系統(tǒng)天線的具體設計模型，所以此時并不能通過傳統(tǒng)電磁場仿真工具得到天線耦合數(shù)據(jù)。

 

而EMIT有多種天線耦合數(shù)據(jù)的定義方式，提供包括恒定耦合、路徑損耗、路徑損耗+增益、以及S參數(shù)等在內(nèi)的多保真度天線耦合數(shù)據(jù)供用戶選擇，耦合數(shù)據(jù)的精度隨之增加。

 

恒定耦合是指天線耦合量為用戶設定的與頻率無關的常數(shù)，用于系統(tǒng)設計初期的天線耦合度指標分配。

路徑損耗天線模型的耦合量為基于自由空間內(nèi)天線之間的路徑損耗，用于在設計初期考慮天線放置的不同位置對干擾程度的影響。

 

EMIT還可以考慮自由空間內(nèi)天線之間路徑損耗以及相對方向上的增益計算得到的耦合量，用于獲悉天線設計類型之后的更準確的天線耦合數(shù)據(jù)提取，最準確的方法則是通過測試或電磁場仿真得到的寬帶S參數(shù)數(shù)據(jù)用于表征耦合量，此數(shù)據(jù)充分考慮搭載通信系統(tǒng)平臺和天線的相互影響，適合用于系統(tǒng)設計完成后的最終抗干擾性能仿真驗證。

 

EMIT多保真度的天線耦合數(shù)據(jù)模型

 

EMIT內(nèi)置了多種近似天線耦合模型，用于在具備更精確的天線隔離數(shù)據(jù)之前進行系統(tǒng)共址的抗干擾分析，在缺乏特定耦合數(shù)據(jù)的情況下，EMIT也可以用來計算避免產(chǎn)生干擾所需的天線間的耦合量。

 

3 快速準確的天線耦合仿真算法

 

為了實現(xiàn)更準確的系統(tǒng)抗干擾仿真，用戶需要用到更準確的天線耦合數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對射頻系統(tǒng)的建模，EMIT能夠?qū)胩炀€測試數(shù)據(jù)作為耦合模型，支持使用工業(yè)標準Touchstone文件格式描述的寬帶多端口隔離數(shù)據(jù)，而無需將所有的數(shù)據(jù)容納在單個Touchstone文件中，因為EMIT會將所有待考慮天線間的多組數(shù)據(jù)自動整合在一起。

 

EMIT還可以與ANSYS高頻電磁場仿真工具HFSS聯(lián)合工作，使用其商業(yè)化的電磁求解器對多天線、大尺寸的問題進行快速準確求解得到天線耦合數(shù)據(jù)。

 

HFSS具有的增強彈跳射線法（SBR+）求解器，利用射線追蹤技術求解天線在加載到大型平臺上以后的輻射性能和耦合數(shù)據(jù)，而且SBR+在傳統(tǒng)的彈跳射線法基礎上添加了多種改良算法，可以計算以前SBR算法無法求解的邊緣電流修正、入射波衍射、陰暗區(qū)電流分布、以及平臺表面爬行波等各方面的影響，是業(yè)界最精準的射線法求解工具，可以輕松得到多副天線的互耦數(shù)據(jù)。

 

HFSS SBR+求解器仿真復雜平臺的天線性能

 

除了算法層面，HFSS作為專業(yè)的電磁場仿真軟件還具有其他方面的巨大優(yōu)勢，集成了天線設計庫，包含有數(shù)十種實際工程中常見的天線種類，用戶可以直接方便快捷地調(diào)用各種天線形式，還具備其他射線追蹤工具所不具備的物理模型，擁有與業(yè)界主流三維MCAD軟件的接口，準確高效地實現(xiàn)大型平臺模型的導入導出。

 

軟件具有強大的圖形界面，可以直觀地了解天線在大型平臺上的輻射場圖，以及表面電流的分布情況等。絕大多數(shù)任務都在不超過8G內(nèi)存下完成求解，再配合HPC，利用硬件多核CPU和GPU加速，實現(xiàn)快速仿真得到結(jié)果。

 

4 考慮多射頻系統(tǒng)所有干擾因素

 

EMIT的1對1收發(fā)系統(tǒng)仿真對一對單獨Tx/Rx通道進行仿真，同時包括了收發(fā)系統(tǒng)相關的器件（如濾波器、電纜、放大器等）和天線的耦合度（ATA），最后計算出接收機Rx的射頻干擾冗余度。

 

EMIT功率流分析仿真射頻系統(tǒng)干擾

 

EMIT寬帶射頻干擾冗余度仿真結(jié)果見下圖所示，藍色曲線為接收機的敏感度門限，該曲線代表了接收機的寬帶敏感度指標。

 

由于接收通道上混頻器的非線性效應，所以不僅接收帶內(nèi)的干擾信號會影響靈敏度，在帶外某些頻點的干擾信號與接收混頻器進行高階互調(diào)，產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物也可能落在接收帶內(nèi)，從而引起接收機敏感度惡化，所以接收通道需要同時考慮帶內(nèi)和帶外干擾信號對靈敏度的影響。

 

下圖中橙色曲線是從發(fā)射系統(tǒng)耦合至接收端口的頻譜分量，低于藍色敏感度門限的頻點表示不會對接收機靈敏度造成干擾，而對超過門限的頻點則是引起接收通道性能惡化的來源。

 

接收通道寬帶射頻干擾冗余度仿真結(jié)果

 

EMIT還能計算帶內(nèi)的峰值射頻干擾余量。由于混頻器、放大器等通道上的多個非線性器件，導致經(jīng)過多次復雜交調(diào)互調(diào)后可能落在接收帶內(nèi)的干擾信號譜非常豐富，如果分別考慮這些信號對接收敏感度的影響，從上面的寬帶射頻冗余度結(jié)果來看都不會對接收系統(tǒng)靈敏度造成干擾。

 

但是，這些信號疊加起來產(chǎn)生的帶內(nèi)噪聲電平就很有可能超過接收機敏感度門限，造成靈敏度惡化。所以如下圖所示，EMIT的帶內(nèi)峰值射頻干擾余量則把多個落在接收帶內(nèi)的干擾信號疊加起來，觀察是否超越了接收機門限。

 

帶內(nèi)峰值射頻干擾余量

 

EMIT還可以仿真當多個發(fā)射系統(tǒng)同時工作時，在多通道之間產(chǎn)生的有源互調(diào)交調(diào)產(chǎn)物，這些產(chǎn)物主要來源于兩個方面。

第一是多發(fā)射機同時工作，產(chǎn)生的發(fā)射頻譜耦合到接收機后與接收通道上的射頻前端非線性器件（如低噪聲放大器、混頻器等）產(chǎn)生的交叉調(diào)試

第二是不同發(fā)射通道之間的互調(diào)，發(fā)射頻譜耦合到其他發(fā)射通道中，與其他通道內(nèi)的非線性器件（如功率放大器、隔離器等）發(fā)生互調(diào)，得到的互調(diào)產(chǎn)物會由該發(fā)射通道往外二次耦合至接收通道，從而影響接收機靈敏度

 

 

多射頻系統(tǒng)同時工作時的干擾效應

   

5 直觀的結(jié)果顯示和干擾診斷功能

 

EMIT提供不同層級的直觀結(jié)果顯示，通過場景矩陣結(jié)果可快速查看平臺上哪個射頻系統(tǒng)受到了干擾，而通過電磁干擾邊限圖，則可以完整的獲得收發(fā)通道的寬帶干擾情況，并能夠自動識別每種類型干擾的根源。

 

利用結(jié)果分組過濾器，用戶很容易從結(jié)果中排除特定類型的干擾（如共通道干擾），這樣便可以看到最關心問題的結(jié)果，從結(jié)果的角度快速定位出干擾因素，從而可建議采取合適的改善措施。

 

多射頻系統(tǒng)干擾仿真可視化結(jié)果

 

EMIT的快速 “what if” 分析功能可以快速評估可用的干擾改善措施。例如，在調(diào)頻系統(tǒng)干擾分析中，可以從庫中快速拖放一個可調(diào)濾波器加入接收機通道，從而可以立即評估該濾波器的干擾改善效果。

 

在EMIT先進的界面下，通過高層級和低層級的分析匯總，以及內(nèi)置的自動化診斷功能，用戶可以輕而易舉地把射頻系統(tǒng)間的干擾情況顯現(xiàn)出來。

 

EMIT的快速“what if”分析功能

 

常見的射頻系統(tǒng)抗干擾仿真案例介紹

 

 

整車

 

如今，汽車總體通常搭載多個無線通信系統(tǒng)，這些通信系統(tǒng)的天線往往被放置得比較靠近，天線之間的相互耦合會帶來共址干擾問題，惡化部分敏感系統(tǒng)的接收性能，甚至使其功能徹底喪失，這就使得在汽車上的多通信系統(tǒng)共址干擾影響的研究十分必要。

 

下圖是搭載了5個射頻收發(fā)系統(tǒng)的汽車整體工作場景，GPS接收設備、WiFi收發(fā)設備、FM接收機、VHF/UHF收發(fā)機被分布在汽車的不同位置上。

 

搭載多個無線通信系統(tǒng)的汽車模型

 

使用HFSS對各個天線進行三維空間輻射場性能仿真，將通過仿真得到的各天線輻射場結(jié)果搭載在汽車的相應位置上，使用HFSS的增強彈跳射線法求解器計算得到考慮汽車平臺效應的各天線之間的寬帶耦合S參數(shù)結(jié)果。

 

HFSS SBR+求解器仿真得到的多天線耦合S參數(shù)

 

下方左側(cè)矩陣圖的最右側(cè)一列則反映了三個發(fā)射通道同時工作時的受擾情況，對GPS接收設備而言，每個發(fā)射系統(tǒng)單獨工作時都不會影響其敏感度，但是三個發(fā)射系統(tǒng)同時打開后，矩陣中的紅色單元框表示GPS接收設備此時受擾了。而右圖顯示出影響GPS帶內(nèi)敏感度的雜散頻譜以及其來源。

 

EMIT軟件多射頻系統(tǒng)抗干擾分析結(jié)果

 

為了消除受擾影響，在VHF收發(fā)機和FM接收系統(tǒng)通道都加上帶通濾波器，可以濾除帶外雜散的影響，也可以減小不同發(fā)射通道間的互調(diào)產(chǎn)物，改善GPS接收帶內(nèi)敏感度。

 

下圖為使用抗干擾方案后的抗干擾分析結(jié)果，所有矩陣單元都為綠色，這表明所有干擾效應都已被消除。

 

使用抗干擾方案后的分析結(jié)果

 

 

無人機與基站

 

5G時代，萬物互聯(lián)，無人機的使用將會越來越普及，在給人們生活帶來便利的同時，無人機作為工作在復雜電磁環(huán)境里的設備可能對其他設備產(chǎn)生干擾，也可能被其他高功率發(fā)射的設備（如同通信基站）干擾，設計師需要知道無人機和基站需要至少保持多遠的距離才能確保無人機能夠正常工作而不被基站干擾。

 

下面是使用HFSS對通信基站的近場仿真結(jié)果，可以得到距離基站不同距離條件下不同方向上的基站發(fā)射的電磁場近場分布。

 

通信基站周圍的電磁場近場分布

 

EMIT可以對基站和無人機兩個系統(tǒng)的所有發(fā)射和接收通道進行建模，通過功率流的分析方法對接收系統(tǒng)是否受擾進行仿真，生成如下圖所示的豐富的結(jié)果報告。

 

右上方的矩陣圖清晰地顯示LTE基站的發(fā)射信號對C2接收通道產(chǎn)生了干擾，而且當LTE基站和無人機視頻下載系統(tǒng)兩個發(fā)射通道同時工作時會使GPS接收信道的靈敏度余量不足（矩陣中右上黃色單元格所示）。

 

EMIT對無人機和基站共存時射頻系統(tǒng)抗干擾仿真結(jié)果

 

在上圖結(jié)果的正上方的系統(tǒng)交互框圖中，EMIT用紅線明確指出了干擾的源頭和產(chǎn)生的路徑，對C2接收機造成的干擾來源于900MHz的LTE基站發(fā)射系統(tǒng)，基站的發(fā)射功率經(jīng)過基站與無人機之間的天線耦合進入了C2接收機的接收通道，直接惡化了接收機的靈敏度。

 

上圖正下方的頻譜曲線則顯示了造成干擾的所有頻點，以及造成干擾的噪聲類型，此案例中對C2接收機的干擾是因為LTE基站的發(fā)射功率超過了接收機的帶外飽和電平。

 

為解決該干擾問題，直接在系統(tǒng)原理圖里通過簡單拖拽的方式，在C2接收機通道前端添加帶通濾波器，器件的帶內(nèi)損耗、帶外抑制度等指標都可參數(shù)化定義，也可通過導入實際濾波器S參數(shù)的形式對其進行配置，重新仿真即可在矩陣中觀察到C2接收機通道的干擾問題已被解決。

  

快速實施抗干擾措施使干擾解除

 

以上案例展示了利用仿真的必要性，在日益互聯(lián)的世界中，無線系統(tǒng)的數(shù)量激增，其發(fā)生干擾和性能劣化的可能性也隨之增加。ANSYS提供面向所有學科領域的世界級仿真解決方案，無論是手持終端設備還是大型軍用系統(tǒng)，ANSYS EMIT都能幫助您解決高難度的共址干擾問題，集成了電磁和電路/系統(tǒng)領域的所有技術，能夠在復雜環(huán)境中全面仿真所有無線系統(tǒng)的性能，其獨特的多保真度建模方案提供極其有用的仿真，能夠在只獲得不完整的設計與性能參數(shù)的情況下推進早期的設計決策。工程師可以在設計過程的早期階段評估盡可能多的備選方案，然后評估設計空間以優(yōu)化關鍵設計參數(shù)。通過利用專業(yè)仿真軟件在研發(fā)早期階段確定有可能發(fā)生干擾的位置，企業(yè)能夠避免干擾問題，減少后期修復問題的成本和降低風險。

 

 

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