5G時代無線環境空前複雜　軟體模擬搞定射頻系統干擾

2020年1月16日，NCC通過5G頻段的使用執照予中華電信、遠傳電信與台灣大哥大等業者，台灣的5G時代正式宣告到來。5G作為第五代行動通訊技術，具有更高速率、更寬頻寬、更低延遲及更高可靠性等先進特性。

5G的到來，除了能增加行動頻寬、豐富多媒體類應用場景、增強多使用者的通訊能力、實現無縫的用戶體驗之外，大規模機器類通訊的物聯網也是5G通訊技術的突破性應用場景，例如能夠衍生出智慧城市、智慧家居、環境監測、工業自動化控制、自動駕駛、遠距醫療等諸多具體的物聯網應用，因此可以期待的5G萬物互聯時代，將為人類的生活帶來天翻地覆的變化。

5G系統對多射頻系統共存及抗干擾設計造成新挑戰

從射頻的角度來看，因為5G通訊設備工作在更高的頻率、擁有更寬的頻寬。根據3GPP的定義，5G包括了如圖1所示的兩個頻譜範圍，分別是Sub-6GHz低頻和毫米波(mmWave)高頻，在每個範圍內又細分了數十個頻段用於分配給不同國家的不同電信營運商使用。不同的頻段在5G通訊設備裡，都對應著特定的射頻前端系統的硬體支援，對於5G通訊設備而言，如何在擁擠而複雜的頻譜環境中讓自己不被其它頻段設備干擾就成為了設計師必須要考慮的問題。

此外，5G行動終端設備除了支援制式5G通訊以外，還必須向前相容既存的行動通訊系統，比如2G GSM、3G WCDMA/CDMA2000/TDSCDMA、4G TD-LTE/FD-LTE等，在未來相當長時間內仍然會繼續提供服務，所以隨著通訊技術的不斷發展，通訊設備上務必會搭載越來越多種類的通訊系統。比如新型的5G手機除了有最先進的5G天線設計，還需要支援包括5G、4G、3G、2G、Wi-Fi、藍牙、GPS、NFC等多達8種以上不同的無線通訊系統，這些系統在單獨工作的時候不會產生干擾問題，但在不同的通訊系統同時工作的情況下，其產生的交互調變頻譜分量或者雜訊訊號很可能被抬高，導致某些極度敏感的通訊系統(比如GPS)被嚴重干擾甚至無法正常工作(圖2)。

在5G通訊技術下，物聯網應用場景大量爆發，除了行動通訊設備外，在汽車、工業設備，國防設備等平台上也會搭載包括5G通訊在內的導航、探測、通訊、測控、數位傳播等眾多射頻系統，豐富多樣的系統特性包括了複雜的調頻類型、超寬的頻率範圍、與不同的傳送功率等。這些平台上往往包含數十個射頻發射設備，這些發射設備中的倍頻器、混頻器、功率放大器等由於諧波洩漏、雜散輻射等會產生大量的調變結果，而寬頻調變、升降頻工作等使雜散輻射頻譜大量增加。同時這些平台上還包括了相當數量的射頻接收設備，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，隨著軟體無線電、數位化中頻、寬頻接收等技術的採用，使這些接收系統受到干擾的潛在風險大幅增加，這些複雜的電磁干擾以及與電磁頻譜相關的設備、系統和平台的影響將成為決定整體系統和平台效能至關重要的因素。

完美射頻系統抗干擾模擬方案需具備的幾大要素

業者如安矽思(ANSYS)的射頻系統抗干擾模擬方案提供了一個複雜射頻環境中電磁干擾模擬的資料管理與分析的整體框架，將尖端的模擬引擎與參數化模型結合，實現對任何環境下交互干擾的準確預測，如運載平台、通訊基站以及個人電子設備的共存和靈敏度降低等。

這套模擬解決方案的設計理念是允許設計師在設計初期階段就開始模擬，直至整個系統設計完成後的維護階段。在設計和系統整合的初期就可定位出交互干擾的問題，當發現干擾問題，便可對設備或系統進行重新設計和修改，而這些過程全都可在軟體中進行改善策略和最佳化，進而幫助開發者節省大量成本。

而說到射頻系統交互干擾模擬解決方案，所需要注重的能力包括以下幾個方面。

內建無線電模型庫和RF元件庫以方便射頻系統建模

要進行多通訊系統共存情況下的射頻抗干擾模擬，第一步是對射頻系統的建模，射頻系統包含了收發機、濾波器、雙工器、放大器、混頻器、天線等諸多元件，能夠支援用戶方便快捷地實現射頻系統建模成為抗干擾模擬工具的重要技術要求。

ANSYS EMIT內建了多種通用的無線電模型庫，包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、GPS、Wi-Fi、藍牙、VHF/UHF通訊、SINCGARS、CDL等許多通用的無線電模型，使用者可以直接選擇使用(圖3)。對於實現特殊功能的客製化無線電模型，客戶也可以透過參數化輸入對其發射頻譜和接收頻譜進行定義，也可透過導入測試資料的方式實現對未知無線電模型的建模。

EMIT軟體中的無線電模型(Radio)可以是收發信機(Tranceiver)、發射機(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、功率值、調變方式等無線系統參數。對於發射機頻譜可以配置頻譜類別、發射功率、近端相位雜訊、遠端相位雜訊、諧波、雜散等指標，對於接收機頻譜則可以配置帶內敏感度範圍、混頻器輸出、飽和功率等參數。

解決複雜環境中射頻干擾

ANSYS EMIT是用於複雜環境中射頻干擾(RFI)模擬的軟體。EMIT與ANSYS HFSS緊密結合，也就是將射頻系統干擾分析與電磁模擬結合，針對天線到天線的耦合進行建模，預測多天線環境(具有多個發射器和接收器)中的RFI影響。眾所周知，在測試環境中診斷複雜環境內的RFI非常困難而且成本高昂，但是，利用EMIT的動態連結結果圖，就可以透過圖形化訊號跟蹤和診斷總結功能，顯示干擾訊號的源頭以及其到達接收器的路徑，進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解決方案，進而實現解決方案的最佳化。

除了對無線電模型的快速參數化建模外，EMIT還內建包含濾波器、多工器、環形器、隔離器、功分器、放大器、線纜等在內的全面RF元件庫，這些寬頻元件模型可以生成搭建射頻系統所用的模組，這些元件模型可以利用EMIT內建參數化模型指定指標，或者透過其它模擬工具或測量獲得的特性資料生成模型。射頻系統模型中用到的無線電模型、RF元件和天線等模型的定義可保存在EMIT元件庫中以供將來使用，也可以共用給其它用戶使用(圖4)。

支援多種高準確度的天線耦合模型

射頻系統的干擾路徑主要基於各系統天線之間的空間耦合，所以天線耦合資料成為決定射頻系統抗干擾模擬準確性的重要組成部分。對於設計初期的系統共存模擬驗證工作而言，該階段一般尚不具備搭載通訊系統的平台設備模型以及各系統天線的具體設計模型，所以此時並不能透過傳統電磁場模擬工具得到天線耦合資料。

而EMIT有多種天線耦合資料的定義方式，提供包括固定耦合量、路徑損耗、路徑損耗與增益、以及S參數等在內的多準確度天線耦合資料供使用者選擇，耦合資料的精度隨之增加。

固定耦合量是指天線耦合量為使用者設定的，與頻率無關的常數，用於系統設計初期的天線耦合度指標分配。天線路徑損耗模型的耦合量為基於自由空間內天線之間的路徑損耗，用於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，用於獲悉天線設計類型之後更準確的天線耦合資料萃取，最準確的方法則是透過測試或電磁場模擬得到的寬頻S參數資料用於表示耦合量，此資料充分考慮搭載通訊系統平台和天線的相互影響，適合用於系統設計完成後的最終抗干擾性能模擬驗證。

EMIT內建了多種近似天線耦合模型，用於在具備更精確的天線隔離資料之前，進行系統的抗干擾分析，在缺乏特定耦合資料的情況下，EMIT也可以用來計算避免產生干擾所需的天線間耦合量(圖5)。

快速準確的天線耦合模擬演算法

為了實現更準確的系統抗干擾模擬，使用者需要用到更準確的天線耦合資料來實現對射頻系統的建模，EMIT能夠導入天線測試資料作為耦合模型，支援使用工業標準Touchstone檔案格式描述的寬頻多埠隔離資料，而毋需將所有的資料容納在單個Touchstone檔中，因為EMIT會將所有待考慮天線間的多組資料自動整合在一起。

EMIT還可以與ANSYS高頻電磁場模擬工具HFSS結合工作，使用其商業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資料。

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載入到大型平台上以後的輻射性能和耦合資料，而且SBR+在傳統的彈跳射線法基礎上，添加了多種改良演算法，可以計算以前SBR演算法無法求解的邊緣電流修正、入射波衍射、陰暗區電流分布，以及平台表面爬行波等各方面的影響，是業界較精準的射線法求解工具，可以輕鬆得到多副天線的互耦資料(圖6)。

除了演算法層面，HFSS作為專業的電磁場模擬軟體還具有其它方面的優勢。天線設計庫，包含有數十種實際工程中常見的天線種類，使用者可以直接方便快速地調用各種天線形式，還具備其它射線追蹤工具所不具備的物理模型，擁有與業界主流三維MCAD軟體的介面，準確高效地實現大型平台模型的導入與匯出。

軟體具有強大的圖形介面，可以直觀地瞭解天線在大型平台上的輻射場圖，以及表面電流的分布情況等。絕大多數的模擬檔案都可在不超過8G記憶體下完成求解，再配合HPC，利用硬體多核心CPU和GPU加速，實現快速模擬的結果。

考慮多射頻系統所有干擾因素

EMIT的一對一收發系統模擬針對一對單獨Tx/Rx通道進行模擬，同時包括了收發系統相關的元件(如濾波器、電纜、放大器等)和天線的耦合度(ATA)，最後計算出接收機Rx的射頻干擾容忍度(圖7)。

EMIT寬頻射頻干擾容忍度模擬結果見圖8所示，黑色曲線為接收機的敏感度門檻，該曲線代表了接收機的寬頻敏感度指標。由於接收通道上混頻器的非線性效應，所以不僅接收帶內的干擾訊號會影響靈敏度，在帶外某些頻點的干擾訊號與接收混頻器進行交互調變，產生的調變結果也可能落在接收帶內，進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和帶外干擾訊號對靈敏度的影響。

圖8中灰色曲線是從發射系統耦合至接收埠的頻譜分量，低於黑色敏感度門檻的頻點表示不會對接收機靈敏度造成干擾，而對超過門檻的頻點則是引起接收通道性能惡化的來源。

EMIT還能計算帶內的峰值射頻干擾餘量。由於混頻器、放大器等通道上的多個非線性元件，導致經過多次複雜交調互調後可能落在接收帶內的干擾訊號譜非常複雜，如果分別考慮這些訊號對接收敏感度的影響，從上面的寬頻射頻容忍度結果來看都不會對接收系統靈敏度造成干擾。但是，這些訊號疊加起來產生的帶內雜訊能量就很有可能超過接收機敏感度門檻，造成靈敏度惡化。所以如圖9所示，EMIT的帶內峰值射頻干擾餘量則把多個落在接收帶內的干擾訊號疊加起來，觀察是否超越了接收機門檻。

EMIT還可以模擬當多個發射系統同時工作時，在多通道之間產生的有源交互調變結果，這些結果主要來源於兩個方面。

第一是多發射機同時工作，產生的發射頻譜耦合到接收機後與接收通道上的射頻前端非線性元件(如低雜訊放大器、混頻器等)產生的交叉調試。

第二是不同發射通道之間的互調，發射頻譜耦合到其它發射通道中，與其它通道內的非線性元件(如功率放大器、隔離器等)發生互調，得到的互調結果會由該發射通道往外二次耦合至接收通道，進而影響接收機靈敏度(圖10)。

直觀的結果顯示和干擾診斷功能

EMIT提供不同層級的直觀結果顯示，透過場景矩陣結果可快速查看平台上哪個射頻系統受到了干擾，而透過電磁干擾邊限圖，則可以完整獲得收發通道的寬頻干擾情況，並能夠自動識別每種類型干擾的根源(圖11)。利用結果分組篩檢程式，用戶很容易從結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果，從結果的角度快速找出干擾因素，進而可建議採取合適的改善措施。

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(圖12)。例如，在調頻系統干擾分析中，可以從元件庫中快速拖放一個可調濾波器加入接收機通道，進而可以立即評估該濾波器的干擾改善效果。在EMIT先進的介面下，透過高層級和低層級的分析匯總，以及內建的自動化診斷功能，用戶可以較容易把射頻系統間的干擾情況顯現出來。

常見射頻系統抗干擾模擬案例介紹整車多射頻系統抗干擾模擬

現在的汽車總體通常搭載多個無線通訊系統，這些通訊系統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干擾問題，惡化部分敏感系統的接收性能，甚至使其功能徹底喪失，這就使得在汽車上的多通訊系統干擾影響的研究十分必要。圖13是搭載了5個射頻收發系統的汽車整體工作場景，GPS接收設備、Wi-Fi收發設備、FM接收機、VHF/UHF收發機被分布在汽車的不同位置上。

使用HFSS對各個天線進行三維空間輻射場性能模擬，將透過模擬得到的各天線輻射場結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台效應的各天線之間的寬頻耦合S參數結果(圖14)。

圖15中左側矩陣圖的最右側一列則反映了三個發射通道同時工作時的受擾情況，對GPS接收設備而言，每個發射系統單獨工作時都不會影響其敏感度，但是三個發射系統同時打開後，矩陣中的深灰色單元框表示GPS接收設備此時受干擾了。而右圖顯示出影響GPS帶內敏感度的雜散頻譜以及其來源。

為了消除受干擾影響，在VHF收發機和FM接收系統通道都加上帶通濾波器，可以濾除帶外雜散的影響，也可以減小不同發射通道間的交互調變，改善GPS接收帶內敏感度。

圖16為使用抗干擾方案後的抗干擾分析結果，所有矩陣單元都為淺灰色，這表明所有干擾效應都已被消除。

無人機與基站的射頻系統抗干擾模擬

5G時代，萬物互聯，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，無人機作為工作在複雜電磁環境裡的設備可能對其它設備產生干擾，也可能被其它高功率發射的設備(例如通訊基站)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。

EMIT可以對基站和無人機兩個系統的所有發射和接收通道進行建模，透過功率流的分析方法對接收系統是否受擾進行模擬，生成如圖17所示的結果報告。右上方的矩陣圖清晰地顯示LTE基站的發射訊號對C2接收通道產生了干擾，而且當LTE基站和無人機視訊下載系統兩個發射通道同時工作時會使GPS接收通道的靈敏度餘量不足(矩陣中右上深灰色框格所示)。

在圖17結果正上方的系統交互框圖中，EMIT用折線明確指出了干擾的源頭和產生的路徑，對C2接收機造成的干擾來源於900MHz的LTE基站發射系統，基站的發射功率經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。

圖17正下方的頻譜曲線則顯示了造成干擾的所有頻點，以及造成干擾的雜訊類型，此案例中對C2接收機的干擾是因為LTE基站的發射功率超過了接收機的帶外飽和功率。

為解決該干擾問題，直接在系統原理圖裡透過簡單拖曳的方式，在C2接收機通道前端添加帶通濾波器，元件的帶內損耗、帶外抑制度等指標都可參數化定義，也可透過導入實際濾波器S參數的形式對其進行配置，重新模擬即可在矩陣中觀察到C2接收機通道的干擾問題已被解決(圖18)。

以上案例展示了利用模擬的必要性，在日益互聯的世界中，無線系統的數量激增，其發生干擾和性能劣化的可能性也隨之增加。本文提供全面性學科領域的世界級模擬解決方案，無論是手持終端設備還是大型軍用系統，ANSYS EMIT都能協助解決高難度的干擾問題，結合了電磁和電路/系統領域的所有技術，能夠在複雜環境中全面模擬所有無線系統的性能，其多準確度建模方案提供極其有用的模擬，能夠在設計初期參與性能評估盡早完成設計決策。工程師也可以在設計過程的初期評估盡可能多的備選方案，然後評估設計空間以最佳化關鍵設計參數。透過利用專業模擬軟體在研發早期階段確定有可能發生干擾的位置，企業能夠避免干擾問題，減少後期修復問題的成本和降低風險。

(本文作者魏培森為Ansys技術總監；羅輝為Ansys技術工程師)