Modellierung von Hochfrequenz-Front-Ends in der Simulation von Übertragungssystemen

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1 Modellierung von Hochfrequenz-Front-Ends in der Simulation von Übertragungssystemen Roland Jancke, Uwe Knöchel Fraunhofer Institut Integrierte Schaltungen, Außenstelle Entwurfsautomatisierung Titel U. Knöchel, DASS2004.ppt 1 Motivation Drahtlose Übertragungsverfahren finden immer breitere Anwendung. Intro U. Knöchel, DASS2004.ppt 2

2 Motivation Kommerziell erfolgreiche Mobilfunkprodukte müssen heute hohen Anforderungen genügen: große Funktionalität und gute Bedienbarkeit Zuverlässigkeit bei schlechten Empfangsbedingungen Störfestigkeit und Vermeidung von Störabstrahlungen niedrige Leistungsaufnahme im Akkubetrieb niedrige Gerätekosten Die Systemsimulation unterstützt das Erreichen dieser Ziele im Entwurfsprozess. Besonders großes Optimierungspotential besteht an der Schnittstelle zwischen digitaler Signalverarbeitung und dem analogen HF-Front-End. Intro U. Knöchel, DASS2004.ppt 3 Aufbau und Eigenschaften von Mobilfunksystemen Modellierungsebenen im Design-Flow Prinzip der Modellierung im komplexen Basisband Tabellenmodelle Zusammenfassung U. Knöchel, DASS2004.ppt 4

3 Aufbau und Eigenschaften von Mobilfunksystemen Modellierungsebenen im Design-Flow Prinzip der Modellierung im komplexen Basisband Tabellenmodelle Zusammenfassung 1 U. Knöchel, DASS2004.ppt 5 Subsystems of a Wireless LAN Transceiver Timing and Frequency Sync. AddCyclic Extension Remove Cyclic Extension FFT FFT RF LNA Channel VCO Correction Mixer Constellation Mapping Constellation Demapping 0 PLL 90 Media Access Layer I Puncturing and Interleaving BB Filter BB Amp Scrambling Coding Q manages Wireless Channel Access, frame generation,... Deinterleaving RF subsystem Depuncturing and Decoding Descrambling Binary Data In Binary Data Out RF DSP Control Data PHY Layer MAC Layer Subsystems(B) U. Knöchel, DASS2004.ppt 6

4 Functionality of subsystems is strongly associated RF part has a great impact to system performance and costs. Improvements can be done, e.g.: ideal adaptation of RF and DSP sub-systems built in self test / self correction of the RF subsystem driven by the DSP part Simulation is required at different design levels. System level simulation (RF and DSP) has a growing importance. RF DSP Control Data PHY Layer MAC Layer Connected U. Knöchel, DASS2004.ppt 7 Beispiel: Signalaufbereitung in einem WLAN Empfänger Gesendete Symbole Mobilfunkkanal AddCyclic Extension FFT Constellation Mapping Interleaving Puncturing and Coding Scrambling Binary Data In Timing and Frequency Sync. Remove Cyclic Extension FFT Channel Correction Constellation Demapping Deinterleaving Depuncturing and Decoding Descrambling Binary Data Out Demo U. Knöchel, DASS2004.ppt 8 Empfangssignal Empfangene Symbole Nach Kanalkorrektur

5 Aufbau und Eigenschaften von Mobilfunksystemen Modellierungsebenen im Design-Flow Prinzip der Modellierung im komplexen Basisband Tabellenmodelle Zusammenfassung 2 U. Knöchel, DASS2004.ppt 9 Problem in Wireless System Simulation High system complexity requires fast simulation = simple models Very high carrier frequencies RF behavior (about 5GHz) requires accurate simulation the DSP subsystems of up-to-date communication systems have a great complexity fast simulation required. the transmission is done at a very high carrier frequency accurate RF modeling required wireless system simulation is always a trade-off between accuracy and simulation speed special modeling and simulation techniques are used further improvements needed Problem U. Knöchel, DASS2004.ppt 10

6 Simulation is supported by behavioral models at different design levels Top-Down Design Executable specification based on behavioral models. The models are refined during the design steps. Bottom-Up Verification Behavioral models are calibrated with simulation results from lower design levels. SimFlow Simulation for RF-Systemdesign Top-Down Design System Level (Executable Specification) Electrical Block Level (behavioral model) Circuit / Transistor (circuit model) Layout Level System Verification Block Verification (calibrated behavioral model) Parameter Extraction & model refinement Circuit Verification (extracted circuit model) Layout Verification Parasitic Extraction & back annotation Bottom-Up Verification U. Knöchel, DASS2004.ppt 11 Current problems in RF system level modeling system level simulators uses signals instead of nodes, therefore it is very difficult to describe impedance matching at the block interfaces system level simulators do not provide special RF analyses which are helpful for model development RF simulation tools provide good RF analyses but they do not understand system modeling languages models of the same RF components are often unequal at different design levels and tools Goal: Bridging the gap between System Level Design and RF circuit design Problems U. Knöchel, DASS2004.ppt 12

7 Simulation Results System-level simulation of IEEE802.11a WLAN Physical Layer visualizes the impact of properties of the RF subsystem to the performance of the complete transmission system allows a common verification of RF and DSP subsystems Results bit error rate 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 ratio between filter parameter and BER ratio between compression point and BER with and without adjacent channel passband edge frequency (1.0e8 Hz) bit error rate 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 BER compression point of LNA1 (dbm) adjacent with channel adjacent channel non without adjacent channel adjacent channel U. Knöchel, DASS2004.ppt 13 Aufbau und Eigenschaften von Mobilfunksystemen Modellierungsebenen im Design-Flow Prinzip der Modellierung im komplexen Basisband Tabellenmodelle Zusammenfassung 3 U. Knöchel, DASS2004.ppt 14

8 passband signal Simulation von HF-Systemen im komplexen Basisband 0 fc fc+b bandwidth in simulation baseband signal f Digitale Modulationsverfahren nutzen Phase und Amplitude der Trägerschwingung zur Informationsübertragung: x( t) = r( t)cos(2πf t + φ( t)) = Re = c [ ] [ ] j (2π f c t + φ ( t ) j φ ( t ) j 2π f c r( t) e Re r( t) e e t Der Signalanteil, der Information enthält wird als komplexe Einhüllende bezeichnet: jφ ( t ) ( t) r( t) e ν = Mit s i = r cos(φ) und s q = r sin(φ) ist das komplexe Signal: 0=fc fc+b bandwidth in simulation f ν ( t) = s ( t) js ( t) i + q Complex BB U. Knöchel, DASS2004.ppt 15 Aus einem Bandpass Filter wird ein Tiefpass, mit reellen Koeffizienten, der ein komplexes Signal filtert Complex BB U. Knöchel, DASS2004.ppt 16

9 Vorteile: Abtastrate kann deutlich reduziert werden, wenn Signalbandbreite << Trägerfrequenz Simulation wird um ein Vielfaches beschleunigt Nachteile es können nur noch Störungen und Mischprodukte nahe der Mittenfrequenz erfasst werden Baseband Modelle benötigen komplexe Klemmen und können daher nicht direkt gegen Transistorschaltungen ausgetauscht werden Complex BB U. Knöchel, DASS2004.ppt 17 Aufbau und Eigenschaften von Mobilfunksystemen Modellierungsebenen im Design-Flow Prinzip der Modellierung im komplexen Basisband Tabellenmodelle Zusammenfassung 4 U. Knöchel, DASS2004.ppt 18

10 Low Pass Equivalent Models (LPEM) an extracted model for mixer or LNA provides AM/AM and AM/PM conversion for use with wideband signals consists of input filter, non-linearity and output filter LPEM1 U. Knöchel, DASS2004.ppt 19 Low pass equivalent models Extraction LPEM model extraction run on Nov 26 11:58: Design: /home/ronnyf/simulation/pb_extraction/sp ectre/schematic/netlist/netlist one-tone measurement at frequency: 900M prf dbm phasedegunwrap LPEM3 U. Knöchel, DASS2004.ppt 20

11 Low pass equivalent models Comparison Model and Circuit start-up behavior of LPEM different after start-up small error only error depends on the behavior of the input signals LPEM4 U. Knöchel, DASS2004.ppt 21 Characterization Environment developed at EAS automated analysis and parameter extraction from transistor level model test and calibration of behavioral models bottom-up model refinement model/circuit documentation open architecture, can be extended for other tests and simulators Characterization U. Knöchel, DASS2004.ppt 22

12 A commercial solution Aptivia by Cadence Additional Frontend to the Cadence Design Environment Aptivia supports test of circuits against specification monte Carlo Analysis model Calibration model generation optimization Aptivia U. Knöchel, DASS2004.ppt 23 Aufbau und Eigenschaften von Mobilfunksystemen Modellierungsebenen im Design-Flow Prinzip der Modellierung im komplexen Basisband Tabellenmodelle Zusammenfassung 5 U. Knöchel, DASS2004.ppt 24

13 Zusammenfassung die Systemsimulation ermöglicht eine gemeinsame Simulation von HF- Komponenten und digitaler Signalverarbeitung eine effiziente Modellierung des HF-Front-Ends ist erforderlich Modellierung im komplexen Basisband beschleunigt die Systemsimulation generierte Tabellenmodelle dienen besonders der Systemverifikation eine Charakterisierungsumgebung vereinfacht Modellerstellung und -Verifikation analytische Verhaltensmodell ermöglichen eine simulationsbasierte Systemspezifikation Details U. Knöchel, DASS2004.ppt 25