隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、配備高級輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)的自動駕駛汽車等最新無線技術的興起，以及現(xiàn)有無線技術的普及應用和性能飛速發(fā)展，相關行業(yè)迎來了巨大的商業(yè)機遇。廣泛普及的無線系統(tǒng)可提供持續(xù)的移動通信、導航和數(shù)據(jù)服務，并延伸至多個行業(yè)和應用，包括個人電子設備、家庭自動化、電信、汽車、航空航天等。與此同時，在復雜環(huán)境中設計和部署如此眾多的無線系統(tǒng)也需要面臨越來越大的挑戰(zhàn)。

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。這會造成不同程度的后果?小到給個人娛樂帶來不便，大到給飛機帶來災難性的后果。要想贏得競爭，企業(yè)需要快速設計、評估和部署能夠在預期工作環(huán)境中實現(xiàn)優(yōu)異性能的無線系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)運行時，附近會存在其他可能導致干擾和性能劣化的無線系統(tǒng)。此外，還必須考慮環(huán)境中存在的意外射頻干擾(RFI)源，以實現(xiàn)魯棒性的系統(tǒng)設計。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。

仿真無線系統(tǒng)

必須在無線系統(tǒng)設計的早期概念階段進行仿真驅動的產(chǎn)品研發(fā)，以預測復雜環(huán)境中的無線系統(tǒng)性能。設計必須包括：在環(huán)境中不屬于待設計系統(tǒng)組成部分的其他無線設備和RF信號源的影響。如果沒有針對目標環(huán)境進行設計，有可能出現(xiàn)以下情況：系統(tǒng)在實驗室測試中表現(xiàn)出色，但經(jīng)過部署后出現(xiàn)性能劣化，從而為了減輕干擾產(chǎn)生高昂成本，并且很可能使業(yè)務戰(zhàn)略以失敗告終。

復雜環(huán)境中的無線系統(tǒng)仿真涉及多個計算域和求解方法。它需要一個不僅僅是面向分析專家，同時還面向設計工程師的工作流程。為確保設計生產(chǎn)力和效率，需要在提供多保真度模型庫的無縫設計工作流程中協(xié)同使用這些方法，這樣就能在獲得完整和詳細的設備信息之后開始仿真。仿真結果應當有利于實現(xiàn)性能要求和部件選擇。

在情景矩陣仿真結果視圖中，用顏色編碼顯示了潛在性能問題的系統(tǒng)級概要。紅色方塊表示受影響系統(tǒng)之間的干擾問題，并需要進一步關注以緩解問題。在實施合適的頻率規(guī)劃、干擾緩解和運行程序之后，全部是綠色的情景矩陣顯示了所有系統(tǒng)在倉庫環(huán)境中正常運行。

通過自動化診斷、信號跟蹤和添加標簽的頻譜顯示，可以快速確定無線系統(tǒng)性能問題的根源，以便設計和評估緩解措施。

仿真復雜環(huán)境

Ansys提供面向所有學科領域的世界級仿真解決方案，包括利用面向天線設計和布局的Ansys HFSS可進行電磁分析，利用 Ansys RF Option的電路與系統(tǒng)仿真器可預測無線傳感器在連接到天線時的性能。Ansys RF Option現(xiàn)包含Ansys EMIT，其集成了電磁和電路/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。Ansys EMIT提供基于行業(yè)標準的模型庫，可面向多種類型的無線系統(tǒng)。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。

例如，現(xiàn)代自動化倉庫能夠接收訂單并通過送貨無人機進行派送。倉庫依靠大量無線電設備以無線方式連接訂單和送貨過程的各個不同部分。倉庫中的無線系統(tǒng)包括用于庫存管理的射頻識別(RFID)標簽和讀取器、工作在不同空閑頻帶的用于向機器人和無人機發(fā)送和接收命令的無線鏈路、用于提供位置信息的GPS以及設備之間的Wi-Fi和Bluetooth連接。此外，其他的RF信號源（例如倉庫中工人之間通信使用的手提式無線電設備）會影響用于確保倉庫運行的無線鏈路的性能。在如此復雜的無線環(huán)境中，很有可能發(fā)生干擾并劣化系統(tǒng)性能。在倉庫無線系統(tǒng)的早期設計階段使用仿真，能夠在部署系統(tǒng)之前發(fā)現(xiàn)并防止成本高昂的停機時間。

分析人員可利用Ansys HFSS和Ansys RF Option模擬所有天線和無線設備在倉庫環(huán)境中運行時的性能，而這一切工作都可在完成結構設計之前進行。在情景矩陣中匯總了頂層結果，矩陣中的每個方塊代表無線系統(tǒng)之間的相互作用。顏色編碼方案用紅色方塊識別性能問題。綠色部分代表已實現(xiàn)性能要求。從仿真獲得的詳細結果有助于進行合理的頻率規(guī)劃，定義運行參數(shù)，以及制定必要的解決措施，從而確保所有同時工作的無線系統(tǒng)能夠正常運行，就像在全綠色的情景矩陣中指出的那樣。

避免干擾

在復雜環(huán)境中進行系統(tǒng)集成的另一個典型挑戰(zhàn)是：確保飛機（例如直升機）上的所有無線電發(fā)射器和接收器正常運行。所有天線必須同時運行，而且不會劣化其他天線的性能。典型飛機環(huán)境中有上千萬種（或更多）導致性能劣化的干擾方式，這種復雜性問題必須加以解決。情景矩陣提供的高級概括圖可用來快速識別系統(tǒng)相互作用中的問題，但卻無法提供相關信息以確定問題的根源或干擾信號的路徑。Ansys EMIT中的自動診斷和結果可視化功能為設計人員提供了快速確定問題和設計緩解措施所需的工具。

例如，直升機上的一個無線電受到其他同時運行的共址發(fā)射器造成的干擾時，診斷工具會顯示信號跟蹤并在寬頻帶頻譜圖上顯示干擾標記。設計人員可以立即確定問題根源：由于兩個發(fā)射器系統(tǒng)耦合，功率放大器的非線性造成高階互調產(chǎn)物，從而導致了干擾。如果沒有自動診斷技術，預測和診斷這類相互作用將會非常困難。若依靠測試與測量方法，識別這些問題的成本會非常高，更糟的是需要測試整個環(huán)境和所有運行中的RF設備。據(jù)一家大型航空航天承包商的系統(tǒng)集成項目經(jīng)理估計，最近他們在一款新型無人機平臺的概念設計早期階段發(fā)現(xiàn)并解決了飛機中的RFI問題（類似于本文討論的問題），因此節(jié)省了超過1,000,000美元的成本。

將多個RF系統(tǒng)集成到飛機平臺（例如直升機）是系統(tǒng)集成人員面臨的常見挑戰(zhàn)，他們需要確保所有系統(tǒng)在擁擠的環(huán)境中正常運行而且不會相互干擾。輻射圖顯示了飛機上九個天線的位置。

集成型工作流程

這些實例展示了利用仿真的必要性，其可用于驅動復雜環(huán)境中的無線系統(tǒng)設計。隨著無線設備數(shù)量的激增，有一點變得更加至關重要：即評估共址設備對于待研發(fā)系統(tǒng)的性能影響，從而在安裝地點獲得令人滿意的預期性能。

為高效、準確仿真復雜環(huán)境中的無線系統(tǒng)性能，需要采用面向系統(tǒng)設計人員的緊密集成型工作流程。它必須采用涉及多個域的最佳求解器技術，并提供自動診斷功能，從而支持在無線系統(tǒng)的整個設計和集成過程中快速評估設計決策。

審核編輯：湯梓紅