射频EDA仿真软件介绍(包括算法,原理)

ADS ( Advanced Design System ) 是美国Agilent公司推出的电路和系统分析软件,它集成多种仿真软件的优点,仿真手段丰富多样,可实现包括时域和频域,数字与模拟,线性与非线性,高频与低频,噪声等多种仿真分析手段,范围涵盖小至元器件,大到系统级的仿真分析设计;ADS能够同时仿真射频(RF),模拟(Analog),数字信号处理(DSP)电路等
    下面来详细介绍ADS 在射频、模拟电路设计中的常用的仿真器及其功能。1.  DC Simulation
    直流仿真是所有仿真的基础,它可执行电路的拓扑检查以及直流工作点扫描和分析。
2.  AC Simulation
    交流仿真能获取小信号传输参数,如电压增益,电流增益,线性噪声电压,电流。在设计无源电路和小信号有源电路如LNA 时,此仿真器十分有用。
3.  S-parameter Simulation
    微波器件在小信号时,被认为工作在线性状态,是一个线性网络; 在大信号工作时,被认为工作在非线性状态,是一个非线性网络。通常采用S 参数分析线性网络,谐波平衡法分析非线性网络。
    S 参数是入射波和反射波建立的一组现性关系,在微波电路中通常用来分析和描述网络的输入特性。S 参数中的S11,和S12 反映了输入输出端的驻波特性,S21 反映了电路的幅频和相频特性以及群时延特性,S12反映电路的隔离性能。
    S-parameter Simulation 仿真时将电路视为一个四端口网络,在工作点上将电路线性化,执行线性小信号分析,通过其特定的算法,分析出各种参数值,因此,S-parameter Simulation可以分析线性S-parameter,线性噪声参数,传输阻抗(Zij)以及传输导纳(Yij)。
4.  Harmonic Balance Simulation
    谐波平衡仿真器着眼于信号频域(Frequency Domain)特征,擅长处理对非线性电路的分析。如果调制的周期性信息可以用简单的几个单载波及其谐波表示出来,或者说如果付氏级数展开式很简单的话,Harmonic Balance Simulation是一个有效的分析工具。但是,如果分析的是诸如CDMA等信号,不具备简单的周期信号的特点,那么,Harmonic Balance Simulation 也就不能胜任对系统的仿真工作。
    一般网络(系统)是由线性子网络和非线性子网络组成。线性子网络的特性可用频域代数方程来描述,而非线性子网络则建筑在时域的非线性方程上来描述。平衡时,经Fourier变换成时域的线性子网络端口电压和电流应满足非线性子网络端口的电压和电流,同样,经Fourier变换成频域的非线性子网络端口电压和电流应满足线性子网络端口的电压和电流。因此,设定一个最大的谐波数,建立一个线性子网络端口电
压(电流)和非线性子网络端口的电压(电流)的误差函数,通过迭代,实现稳态的线性子网络和非线性子网络的谐波平衡。采用谐波平衡仿真器可以仿真噪声系数,饱和电平,三阶交调,本振泄漏,镜象抑制,中频抑制,组合干扰等参数。
    一般而言Harmonic Balance Simulation 设计射频放大器,混频器,振荡器时十分有用。当设计大规模RFIC或RF/IF 子系统时,由于存在大量的谐波和交调成分,Harmonic Balance Simulation 必不可少。
5.  Large-Signal S-parameter Simulation ( Simulation-LSSP )
    Simulation-LSSP 是Harmonic Balance Simulation 的一种,不同的是前者执行大信号S-parameter 分析,因此在设计功放时十分有用。后者,一般只用于小信号S-parameter分析。
6.  Simulation-XDB
    Simulation-XDB用于寻找用户自定义的增益压缩点,它将理想的线性功率曲线与实际的功率曲线的偏离点相比较。使用Simulation-XDB,在设计射频器件时可以很方便的找出1dB ,3dB 压缩点。
7.  Circuit Envelope Simulation
    电路包络仿真器是近年来通信系统的一项标志性技术。其特点是: 对于任何类型的高频调制信号,均可分解为时域和频域两部分进行处理。在时域上,对相对低频的调制信息进行直接采样处理,而对相对高频的载波成分,则采用类似的Harmonic Balance Simulation 的方法,在频域进行处理。这样的结合使仿真起的效率和速度都得到一个质的飞跃。因此,Circuit Envelope Simulation 是目前进行数模混合仿真和数字微波系统高频最有效率的工具之一。
    Circuit Envelope Simulation 多用在涉及调制解调以及混合调制信号的电路和系统中。在通信中,如CDMA,GSM,QPSK,QAM 等,在雷达中,如LFM 波,非线性调频波,脉冲编码等均可用Circuit Envelope Simulation 进行仿真。
8.  Transient Simulation
    瞬态仿真器是传统的SPICE 软件的代表。SPICE 软件可以说是所有电路仿真软件的鼻祖。其采用最原始的算法,即直接在时域对电流,电压列节点方程,采用“一刀切”的方式,能够对所有的模拟,数字电路进行仿真。但是对于高频信号很难用SPICE 进行仿真,因为根椐Nyquist 采样定理,仿真时直接采样,软件必须能够对射频载波进行至少2倍频率以上的采样和处理,才能够准确,真实地反映系统的实际情况,即时域上的相位,幅度信息,以及频域上的频率特性等。以处理一个8GHz 的射频载波为例,要分析1 秒钟的信号,CPU 至少要处理2.4× 1010 点的数据,因此,在很多情况下,很难用TransientSimulation 对高频系统仿真。一般用于频率不高的场合。
    以上是对ADS主要仿真器的功能描述。由于每个仿真器只能完成特定指标的仿真,因此在仿真完整电路时,就比须调用多个仿真器才能完成所有指标的仿真。电路在仿真时,一次只能执行一个仿真器的仿真,在执行此仿真时,别的仿真器应处于非激活状态。其中,对于微波/射频电路和系统设计,最常用的是 S-parameter Simulation, Circuit Envelope Simulation和Harmonic Balance Simulation等。


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