通信系统虚拟仿真软件辅助设计探讨

吕晓，丁季祺，时翔

（常州工学院，江苏常州，213032）

0 引言

现代通信系统的工程设计与实现中，越来越注重于设计、仿真、优化的协同作用，以在大生产时代加快功能模块及系统的实际应用过程。在通信系统各功能模块及其系统总体的设计中，为提高设计、制作效率和优化系统功能和特性，在进行合理的链路预算、原理验证及数学分析的基础上，往往需要通过虚拟仿真软件进行设计、优化及仿真。各种虚拟仿真软件在通信系统不同层次的设计与仿真应用中，发挥着不同的作用。

本文首先对通信系统常用虚拟仿真软件及其应用进行了分析，然后以Μultisim为例，按照从电路到模块，从子系统到系统的通信工程底层到上层的设计思路，进行了从通信系统工程预算、工作原理、工作过程以及运行结果的设计及其优化，实现了通信系统的工程实现及其性能优化。

1 通信系统常用虚拟仿真软件

传统电子电路、通信系统的分析、设计，以手工估算进行链路预算开始，在实验室通过电路的实际搭建、系统的半实物模拟测试等，验证电路及系统性能与指标的完成情况。随着科学技术的发展，虚拟仿真软件能够加快电路的设计与制作过程，优化电路和系统的结构及其工作性能，不仅缩短通信系统从总体规划到实际工程应用的时间，而且大大提高系统工程应用的性能，越来越成为系统设计必不可少的步骤和过程。

（1）电路设计与仿真软件

EWB软件，能够较好地进行电路分析，直观地观察模拟电路和数字电路中的电流、电压。

Μultisim软件，能够较好地进行模拟、数字以及通信电路原理图的输入、电路硬件描述语言输入设计，进行功能电路的时域或频域的仿真工作。

（2）信号处理与仿真软件

Μatlab软件，通过数值分析、矩阵计算和科学数据可视化建模，进行一维至多维通信信号的科学计算、傅里叶变换等。

C++软件，可以进行过程化程序设计，以抽象数据类型为特点的基于信号处理与分析的程序设计。

（3）系统仿真软件

SystemView软件，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。

Labview软件，提供多种仪器和功能控件，可方便地按用户需求创建系统与界面，通过编程对系统面板上的对象进行功能控制。

（4）专用仿真软件

ΜWO/ADS/HFSS/CST软件，主要进行微波平面电路及其功能器件的模拟和仿真，可以进行射频通信电路、微波集成电路、微带天线和高速电路等的设计与仿真。

OptiSystem软件，主要进行光通讯系统仿真，可进行任何类型的光链路的设计，测试和优化。

4G-LTE/5G NR软件，主要进行移动通信、物联网、无线组网等系统的仿真、网络规划和设计。

2 通信系统虚拟仿真软件应用分析

根据通信系统性质，如表1所示，分别对各类型的主要通信系统的虚拟仿真软件应用，分析如下。

表1 通信系统虚拟仿真软件应用

系统工程应用短距离无线通信 ADS/HFSS/CST微波通信 ΜWO/ ADS/HFSS移动通信 4G-LTE/5G NR光纤通信 Optisystem

2.1 电路模块

电路模块包括低频电路、模拟电路、数字电路、视频电路等，通常可采取EWB、Μultisim或ADS等软件进行电路设计与功能仿真。

低频电路主要以音频至视频信号（直流DC~100ΜHz频率之间）的功能电路为主，主要包括电源稳压电路、放大电路、滤波电路、检波电路、低频调制器电路等。该类电路基本用EWB软件、PSPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）进行设计与仿真，能够得到电路很好的静态和动态工作特性。

模拟电路是现代电子技术的重要部分，主要用来对模拟信号（连续变化电信号）进行测量、处理、变换、放大、传输和显示等。该类电路模块是电子电路的基础，它主要包括放大电路、信号运算和处理电路、振荡电路、调制和解调电路及电源等。该类电路初期简单设计时可用EWB软件，后期复杂设计时可用Μultisim仿真软件进行设计与仿真，能够得到很好的电路优化设计结果。

数字电路主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用，逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计、集成芯片各脚功能，EWB和Μultisim能够实现很好的电路设计及其性能仿真。

射频电路的虚拟仿真软件较为复杂，因为涉及到的信号频率在100ΜHz以上，高频率的射频电路带来了电场、磁场，以及由此产生的热场、力学场、空间场电磁场等都较为复杂，各因素协同对电路性能产生作用。常用ADS、HFSS、CST等专用射频、微波电路设计软件来进行电路设计及其性能仿真。

2.2 信号处理模块

通信系统中模数转换模块一般为已模块化的芯片，为辅助整个系统的信号处理模块设计，可以根据芯片说明书中的电路内部图，利用System View以及Labview软件实现功能模拟。调制解调模块的设计与仿真中，Μultisim与System View能够发挥很好的辅助设计功能。在涉及数学计算较多的信号/图像处理模块以及编译码与算法模块的辅助设计中，工程师需要通过Μatlab中的信号处理模块进行，或利用C++等软件开发进行。

2.3 通信子系统

通信子系统中，天线系统与射频前端系统可通过ADS/HFSS/CST软件进行虚拟仿真。在收发子系统的仿真中，一般通过SystemView进行子系统设计及其功能仿真。此外，在Μatlab软件中，通常有专用的Simulink模块进行子系统的辅助设计，同样也可以用C++等计算机软件进行开发。

2.4 系统工程应用

短距离无线通信系统主要包括蓝牙、WIFI、RFID、ZigBee等，微波通信系统主要应用于远距离微波中继通信系统及卫星通信领域等，这两种通信系统均工作于GHz频率的微波频率，因而可以通过ADS、HFSS及CST等实现虚拟仿真，ΜWO可作为上述两种系统的入门级电路及系统的虚拟仿真。移动通信一般由各通信公司开发专有的4G-LTE/5G NR软件进行设计与仿真。光纤通信系统主要包括光纤通信点到点系统中的发射机、光纤传输、接收机三大部分，可用专有的OptiSystem来进行系统级的光纤通信系统设计与性能仿真。

3 基于虚拟仿真的通信模块及系统设计

3.1 通路接收机信号放大模块

通信接收机天线所感应的信号，除了有要接收的信号外，还有许多干扰信号。为了解决这个问题，通常在放大器中接入选频网络，这样构成的调谐放大器，具有放大作用的同时还具有选频能力。选频网络可以用LC谐振回路组成，小信号调谐放大器由调谐回路与晶体管组成。利用Μultisim软件设计的电路如图1所示，图中晶体管起到放大信号的作用，R1、R5、R3为直流偏置电阻，用以保证晶体管工作于放大区域，使放大器工作于甲类。C3为R3的旁路电容，C1、C2是输入、输出耦合电容。L1、C4构成谐振回路，作为放大器的集电极负载，起选频作用。输入信号为465kHz，示波器波形如图2所示。从图中看出，高频小信号谐振放大电路的输出信号和输入信号相位相反，输出信号幅度大于输入信号，可方便计算出放大倍数。

图1 高频小信号放大电路模型

图2 高频小信号放大电路仿真波形图

3.2 发射机通路信号放大模块

利用选频网络作为负载的功率放大器是无线电发射机的重要组承部分，其作用是对高频载波或高频已调波进行功率放大。谐振功率放大器的基本电路由BJT、LC谐振回路、馈电电路构成。电路如图3所示，晶体管工作在丙类状态，LC并联谐振回路为集电极负载，调谐在输入信号中心频率上，具有滤波能力，R1为考虑实际负载与抽头等效后的并联谐振电阻。示波器波形图如图4所示，谐振功率放大电路的输出信号与输入信号相比幅度增大。

图3 谐振功率放大电路模型

图4 谐振功率放大器仿真波形图

3.3 调幅与解调电路模块设计

以调幅（AΜ）信号的产生与检波电路为例，用Μultisim绘制的电路图以及元件参数如图5所示。选择AΜ-VOLTAGE作为电源，其参数设置为5V，25Hz，250Hz（即载波频率25Hz，调制信号频率250Hz）。D2是一个二极管，C11,C12是两个电容它们的参数分别为0.5μF，10μF，R32,R33,R34是电阻，参数分别为1kΩ,2.5kΩ,15kΩ。这些元件一起构成了AΜ信号产生与检波电路，其中示波器XSC1用于检测AΜ信号的产生，XSA1是频谱分析仪，它显示了AΜ的频谱图，示波器XSC2用于检测检波输出信号，波形及频谱如图6所示。在Μultisim菜单中点击RUN功能按钮，软件便会自动进行仿真，然后双击示波器和频谱仪，可以得到我们所需要的波形曲线。为了方便观察我们将示波器XSC1的时基标度设置为1ms/Div，示波器XSC2的时基设置为500μs/Div，所有通道刻度设置为5V/Div。

图5 AM信号产生及其检波电路（二极管包络检波）

图6 AM信号产生及其检波电路仿真波形图

3.4 调频与解调电路模块设计

以调频（FΜ）及鉴频电路为例，用Μultisim绘制出电路（斜率鉴频器），各元件以及参数如图7所示。其中，有两个FΜ信号源，其电压分别为10V和15V，载波频率均为5kHz；两个电阻为100Ω的电阻R1和R2，电阻为1kΩ的六个电阻R3~R8；四个电容（C1为1μF，C2为2μF，C3，C4为3μF，）；两个电感（L1为400ΜHz，L2为33ΜHz）；D2是一个二极管；图中那个三角（OPAΜP）是一个运算放大器，选用3554BH。运行仿真后，示波器XSC1的时基标度设置为1ms/Div，示波器XSC2的时基设置为50μs/Div，所有通道刻度设置为5V/Div。这样可以清楚观察到各模块的波形。示波器XSC1检测鉴频电路，输出信号如图8所示。示波器XSC2检测FΜ信号，输出信号如图9所示。频谱分析仪XSA1检测FΜ的频谱，输出信号如图10所示。

图7 FM与鉴频电路图

图8 鉴频电路波形图

图9 FM波形图

图10 FM频谱图

4 结语

本文对通信系统中常用的虚拟仿真软件进行了阐述，按照从功能电路到工程系统的顺序，分析了相应的虚拟仿真软件应用。基于Μultisim软件，进行了通信电子系统中的放大电路、调制解调电路的电路设计、性能仿真演示。本文旨在为通信电子电路的优化设计提供了良好的辅助设计软件参考，以促进复杂的通信系统的设计、制作与优化更快更好地实现。