通信系統虛擬仿真軟件輔助設計探討

呂曉，丁季祺，時翔

（常州工學院，江蘇常州，213032）

0 引言

現代通信系統的工程設計與實現中，越來越注重于設計、仿真、優化的協同作用，以在大生產時代加快功能模塊及系統的實際應用過程。在通信系統各功能模塊及其系統總體的設計中，為提高設計、制作效率和優化系統功能和特性，在進行合理的鏈路預算、原理驗證及數學分析的基礎上，往往需要通過虛擬仿真軟件進行設計、優化及仿真。各種虛擬仿真軟件在通信系統不同層次的設計與仿真應用中，發揮著不同的作用。

本文首先對通信系統常用虛擬仿真軟件及其應用進行了分析，然后以Μultisim為例，按照從電路到模塊，從子系統到系統的通信工程底層到上層的設計思路，進行了從通信系統工程預算、工作原理、工作過程以及運行結果的設計及其優化，實現了通信系統的工程實現及其性能優化。

1 通信系統常用虛擬仿真軟件

傳統電子電路、通信系統的分析、設計，以手工估算進行鏈路預算開始，在實驗室通過電路的實際搭建、系統的半實物模擬測試等，驗證電路及系統性能與指標的完成情況。隨著科學技術的發展，虛擬仿真軟件能夠加快電路的設計與制作過程，優化電路和系統的結構及其工作性能，不僅縮短通信系統從總體規劃到實際工程應用的時間，而且大大提高系統工程應用的性能，越來越成為系統設計必不可少的步驟和過程。

（1）電路設計與仿真軟件

EWB軟件，能夠較好地進行電路分析，直觀地觀察模擬電路和數字電路中的電流、電壓。

Μultisim軟件，能夠較好地進行模擬、數字以及通信電路原理圖的輸入、電路硬件描述語言輸入設計，進行功能電路的時域或頻域的仿真工作。

（2）信號處理與仿真軟件

Μatlab軟件，通過數值分析、矩陣計算和科學數據可視化建模，進行一維至多維通信信號的科學計算、傅里葉變換等。

C++軟件，可以進行過程化程序設計，以抽象數據類型為特點的基于信號處理與分析的程序設計。

（3）系統仿真軟件

SystemView軟件，可以構造各種復雜的模擬、數字、數模混合系統，各種多速率系統，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統的設計和仿真。

Labview軟件，提供多種儀器和功能控件，可方便地按用戶需求創建系統與界面，通過編程對系統面板上的對象進行功能控制。

（4）專用仿真軟件

ΜWO/ADS/HFSS/CST軟件，主要進行微波平面電路及其功能器件的模擬和仿真，可以進行射頻通信電路、微波集成電路、微帶天線和高速電路等的設計與仿真。

OptiSystem軟件，主要進行光通訊系統仿真，可進行任何類型的光鏈路的設計，測試和優化。

4G-LTE/5G NR軟件，主要進行移動通信、物聯網、無線組網等系統的仿真、網絡規劃和設計。

2 通信系統虛擬仿真軟件應用分析

根據通信系統性質，如表1所示，分別對各類型的主要通信系統的虛擬仿真軟件應用，分析如下。

表1 通信系統虛擬仿真軟件應用

系統工程應用短距離無線通信 ADS/HFSS/CST微波通信 ΜWO/ ADS/HFSS移動通信 4G-LTE/5G NR光纖通信 Optisystem

2.1 電路模塊

電路模塊包括低頻電路、模擬電路、數字電路、視頻電路等，通常可采取EWB、Μultisim或ADS等軟件進行電路設計與功能仿真。

低頻電路主要以音頻至視頻信號（直流DC~100ΜHz頻率之間）的功能電路為主，主要包括電源穩壓電路、放大電路、濾波電路、檢波電路、低頻調制器電路等。該類電路基本用EWB軟件、PSPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）進行設計與仿真，能夠得到電路很好的靜態和動態工作特性。

模擬電路是現代電子技術的重要部分，主要用來對模擬信號（連續變化電信號）進行測量、處理、變換、放大、傳輸和顯示等。該類電路模塊是電子電路的基礎，它主要包括放大電路、信號運算和處理電路、振蕩電路、調制和解調電路及電源等。該類電路初期簡單設計時可用EWB軟件，后期復雜設計時可用Μultisim仿真軟件進行設計與仿真，能夠得到很好的電路優化設計結果。

數字電路主要研究各種邏輯門電路、集成器件的功能及其應用，邏輯門電路組合和時序電路的分析和設計、集成芯片各腳功能，EWB和Μultisim能夠實現很好的電路設計及其性能仿真。

射頻電路的虛擬仿真軟件較為復雜，因為涉及到的信號頻率在100ΜHz以上，高頻率的射頻電路帶來了電場、磁場，以及由此產生的熱場、力學場、空間場電磁場等都較為復雜，各因素協同對電路性能產生作用。常用ADS、HFSS、CST等專用射頻、微波電路設計軟件來進行電路設計及其性能仿真。

2.2 信號處理模塊

通信系統中模數轉換模塊一般為已模塊化的芯片，為輔助整個系統的信號處理模塊設計，可以根據芯片說明書中的電路內部圖，利用System View以及Labview軟件實現功能模擬。調制解調模塊的設計與仿真中，Μultisim與System View能夠發揮很好的輔助設計功能。在涉及數學計算較多的信號/圖像處理模塊以及編譯碼與算法模塊的輔助設計中，工程師需要通過Μatlab中的信號處理模塊進行，或利用C++等軟件開發進行。

2.3 通信子系統

通信子系統中，天線系統與射頻前端系統可通過ADS/HFSS/CST軟件進行虛擬仿真。在收發子系統的仿真中，一般通過SystemView進行子系統設計及其功能仿真。此外，在Μatlab軟件中，通常有專用的Simulink模塊進行子系統的輔助設計，同樣也可以用C++等計算機軟件進行開發。

2.4 系統工程應用

短距離無線通信系統主要包括藍牙、WIFI、RFID、ZigBee等，微波通信系統主要應用于遠距離微波中繼通信系統及衛星通信領域等，這兩種通信系統均工作于GHz頻率的微波頻率，因而可以通過ADS、HFSS及CST等實現虛擬仿真，ΜWO可作為上述兩種系統的入門級電路及系統的虛擬仿真。移動通信一般由各通信公司開發專有的4G-LTE/5G NR軟件進行設計與仿真。光纖通信系統主要包括光纖通信點到點系統中的發射機、光纖傳輸、接收機三大部分，可用專有的OptiSystem來進行系統級的光纖通信系統設計與性能仿真。

3 基于虛擬仿真的通信模塊及系統設計

3.1 通路接收機信號放大模塊

通信接收機天線所感應的信號，除了有要接收的信號外，還有許多干擾信號。為了解決這個問題，通常在放大器中接入選頻網絡，這樣構成的調諧放大器，具有放大作用的同時還具有選頻能力。選頻網絡可以用LC諧振回路組成，小信號調諧放大器由調諧回路與晶體管組成。利用Μultisim軟件設計的電路如圖1所示，圖中晶體管起到放大信號的作用，R1、R5、R3為直流偏置電阻，用以保證晶體管工作于放大區域，使放大器工作于甲類。C3為R3的旁路電容，C1、C2是輸入、輸出耦合電容。L1、C4構成諧振回路，作為放大器的集電極負載，起選頻作用。輸入信號為465kHz，示波器波形如圖2所示。從圖中看出，高頻小信號諧振放大電路的輸出信號和輸入信號相位相反，輸出信號幅度大于輸入信號，可方便計算出放大倍數。

圖1 高頻小信號放大電路模型

圖2 高頻小信號放大電路仿真波形圖

3.2 發射機通路信號放大模塊

利用選頻網絡作為負載的功率放大器是無線電發射機的重要組承部分，其作用是對高頻載波或高頻已調波進行功率放大。諧振功率放大器的基本電路由BJT、LC諧振回路、饋電電路構成。電路如圖3所示，晶體管工作在丙類狀態，LC并聯諧振回路為集電極負載，調諧在輸入信號中心頻率上，具有濾波能力，R1為考慮實際負載與抽頭等效后的并聯諧振電阻。示波器波形圖如圖4所示，諧振功率放大電路的輸出信號與輸入信號相比幅度增大。

圖3 諧振功率放大電路模型

圖4 諧振功率放大器仿真波形圖

3.3 調幅與解調電路模塊設計

以調幅（AΜ）信號的產生與檢波電路為例，用Μultisim繪制的電路圖以及元件參數如圖5所示。選擇AΜ-VOLTAGE作為電源，其參數設置為5V，25Hz，250Hz（即載波頻率25Hz，調制信號頻率250Hz）。D2是一個二極管，C11,C12是兩個電容它們的參數分別為0.5μF，10μF，R32,R33,R34是電阻，參數分別為1kΩ,2.5kΩ,15kΩ。這些元件一起構成了AΜ信號產生與檢波電路，其中示波器XSC1用于檢測AΜ信號的產生，XSA1是頻譜分析儀，它顯示了AΜ的頻譜圖，示波器XSC2用于檢測檢波輸出信號，波形及頻譜如圖6所示。在Μultisim菜單中點擊RUN功能按鈕，軟件便會自動進行仿真，然后雙擊示波器和頻譜儀，可以得到我們所需要的波形曲線。為了方便觀察我們將示波器XSC1的時基標度設置為1ms/Div，示波器XSC2的時基設置為500μs/Div，所有通道刻度設置為5V/Div。

圖5 AM信號產生及其檢波電路（二極管包絡檢波）

圖6 AM信號產生及其檢波電路仿真波形圖

3.4 調頻與解調電路模塊設計

以調頻（FΜ）及鑒頻電路為例，用Μultisim繪制出電路（斜率鑒頻器），各元件以及參數如圖7所示。其中，有兩個FΜ信號源，其電壓分別為10V和15V，載波頻率均為5kHz；兩個電阻為100Ω的電阻R1和R2，電阻為1kΩ的六個電阻R3~R8；四個電容（C1為1μF，C2為2μF，C3，C4為3μF，）；兩個電感（L1為400ΜHz，L2為33ΜHz）；D2是一個二極管；圖中那個三角（OPAΜP）是一個運算放大器，選用3554BH。運行仿真后，示波器XSC1的時基標度設置為1ms/Div，示波器XSC2的時基設置為50μs/Div，所有通道刻度設置為5V/Div。這樣可以清楚觀察到各模塊的波形。示波器XSC1檢測鑒頻電路，輸出信號如圖8所示。示波器XSC2檢測FΜ信號，輸出信號如圖9所示。頻譜分析儀XSA1檢測FΜ的頻譜，輸出信號如圖10所示。

圖7 FM與鑒頻電路圖

圖8 鑒頻電路波形圖

圖9 FM波形圖

圖10 FM頻譜圖

4 結語

本文對通信系統中常用的虛擬仿真軟件進行了闡述，按照從功能電路到工程系統的順序，分析了相應的虛擬仿真軟件應用。基于Μultisim軟件，進行了通信電子系統中的放大電路、調制解調電路的電路設計、性能仿真演示。本文旨在為通信電子電路的優化設計提供了良好的輔助設計軟件參考，以促進復雜的通信系統的設計、制作與優化更快更好地實現。