2.4 GHz收發(fā)系統(tǒng)射頻前端的ADS設(shè)計與仿真

陳 麗

摘 要:針對無線移動通信環(huán)境中的應(yīng)用,使用ADS軟件設(shè)計了一種2.4 GHz收發(fā)系統(tǒng)的射頻前端,射頻前端中的關(guān)鍵模塊均根據(jù)實際的集成射頻模塊的參數(shù)設(shè)計。使用ADS軟件對設(shè)計的射頻前端進(jìn)行預(yù)算仿真、S參數(shù)仿真、大信號S參數(shù)仿真、諧波平衡仿真等。由仿真可以得出射頻發(fā)送端的總增益為17.783 dB,效率為16%。接收端的靈敏度為-92.08 dBm,帶寬為6 MHz。仿真結(jié)果表明,設(shè)計的射頻前端符合實際的無線移動通信環(huán)境的要求。

關(guān)鍵詞:ADS;2.4 GHz收發(fā)系統(tǒng);射頻前端;射頻模塊;增益;效率;靈敏度;帶寬

中圖分類號:TN911文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-023-04

ADS Design and Simulation of Radio Front End of 2.4 GHz Transceiver

CHEN Li

(Kunming Military Academy of PLA,Kunming,650207,China)

Abstract:The design and simulation of radio front end of a 2.4 GHz transceiver using Advanced Design System (ADS) for wireless mobile communication application is presented.The key modules in RF system are designed by using the parameters of actual integrated RF modules.Some simulations have been done by using ADS,such as Budget simulation,S parameter simulation,LSSP simulation,HB simulation and so on.Through simulation,the total gain of transmitter is 17.783 dB,the efficiency is 16%.The sensitivity of receiver is -92.08 dBm,bandwidth is 6 MHz.The simulation results show that this RF end accord with real wireless mobile communication demand.

Keywords:ADS;2.4 GHz transceiver;radio front end;RF module;gain;efficiency;sensitivity;bandwidth

0 引 言

近年來,隨著無線通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展,通信頻段已經(jīng)越來越擁擠。1985年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)授權(quán)普通用戶可以使用902 MHz,2.4 GHz和5.8 GHz三個“工業(yè)、科技、醫(yī)學(xué)”(ISM)頻段[1]。ISM頻段為無線通信設(shè)備提供了無需申請在低發(fā)射功率下就能直接使用的產(chǎn)品頻段,極大地推動了無線通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。雖然目前無線數(shù)字通信技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,但射頻設(shè)計仍然是移動通信設(shè)計的瓶頸。射頻電路的設(shè)計主要圍繞著低成本、低功耗、高集成度、高工作頻率和輕重量等要求而進(jìn)行。ISM頻段的射頻電路的研究對未來無線通信的發(fā)展具有重大的意義。國內(nèi)外許多文獻(xiàn)都對此作了研究,文獻(xiàn)[2]中介紹了在無線高速數(shù)據(jù)通信環(huán)境下,2.4 GHz發(fā)射機(jī)的設(shè)計。文獻(xiàn)[3]介紹了一種低功耗的CMOS集成發(fā)射機(jī)的設(shè)計。

ADS(Advanced Design System)軟件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善的大型綜合設(shè)計軟件。它功能強(qiáng)大能夠提供各種射頻微波電路的仿真和優(yōu)化設(shè)計廣泛應(yīng)用于通信航天等領(lǐng)域。本文主要介紹了如何使用ADS 設(shè)計收發(fā)系統(tǒng)的射頻前端,并在ADS的模擬和數(shù)字設(shè)計環(huán)境下進(jìn)行一些仿真。

1 發(fā)射端的建模與仿真

由于設(shè)計是建立在實驗室中已有的中頻調(diào)制和解調(diào)的硬件基礎(chǔ)上的,因此發(fā)射端和接收端不考慮信號的調(diào)制和解調(diào)過程。實驗室中的中頻調(diào)制模塊可以輸出大概8~10 dBm的40 MHz已調(diào)中頻信號,經(jīng)過分析選擇,該發(fā)射端的各個模塊均參考MAXIM公司的集成模塊的參數(shù)而設(shè)計。本地振蕩器采用的是MAX2700。MAX2700是壓控振蕩器,通過設(shè)計合適的外圍電路可以使它輸出2.4 GHz的信號。混頻器采用的是MAX2660,MAX2660是有源混頻器,可以提供一定的增益。功率放大器采用的是MAX2240,MAX2240的最大輸出功率是15.3 dBm。發(fā)射端所用到的濾波器可以使用ADS軟件中的濾波器設(shè)計工具進(jìn)行設(shè)計。由于實際的濾波器的插入損耗大概為1~2 dB,該設(shè)計中取濾波器的插入損耗均為1 dB。通過在ADS軟件中的模擬電路設(shè)計環(huán)境進(jìn)行建模。

在該發(fā)射端模型中,中頻信號為40 MHz,-10 dBm大小的信號。在ADS的模擬設(shè)計環(huán)境下,對該發(fā)射端進(jìn)行設(shè)計并作預(yù)算仿真,該仿真主要是為了測量各個模塊的增益、噪聲系數(shù)、三階互調(diào)截點(diǎn)等。該仿真過程如圖1所示。

圖1 發(fā)送端模型

從表1仿真結(jié)果中可以看出,整個發(fā)射端的總增益為17.783 dB。輸入的中頻信號為-10 dBm,所以功率放大器輸出的射頻信號大小為7.783 dBm。

表1 發(fā)送端的預(yù)算仿真結(jié)果

仿真選項濾波器1混頻器濾波器2放大器

輸出功率 /dBm-11.007-7.217-8.2177.783

輸出增益 /dB-1.0072.7831.78317.783

2 接收端的建模與仿真

接收端在設(shè)計中要考慮增益、噪聲系數(shù)、靈敏度等因素,比發(fā)射端的設(shè)計更為復(fù)雜。 由于接收端包含很多有源器件,有源器件的非線性對整個接收系統(tǒng)會產(chǎn)生很大的影響,比如當(dāng)只輸入一個信號時會出現(xiàn)增益壓縮,當(dāng)輸入兩個以上的信號時會出現(xiàn)互相調(diào)制等。在本設(shè)計中,中頻解調(diào)模塊大概也需要8~10 dBm的信號大小,經(jīng)過分析,低噪聲放大器采用的是MAX2641,MAX2641的增益為13.5 dB,噪聲系數(shù)為1.5 dB?；祛l器采用的是MAX2682,MAX2682的增益為7.9 dB,噪聲系數(shù)為13.4 dB,本地振蕩器與發(fā)送端的相同。使用ADS對接收端進(jìn)行建模,如圖2所示。

圖2 接收端模型

由于各個模塊的參數(shù)均為已知,通過計算可以得出系統(tǒng)總的噪聲系數(shù),三階互調(diào)截點(diǎn)等。

噪聲系數(shù)定義為系統(tǒng)輸入信噪功率比(SNR)i=Pi/Ni與輸出信噪功率比(SNR)o=Po/No的比值,常用F表示。噪聲系數(shù)表征了信號通過系統(tǒng)后,系統(tǒng)內(nèi)部噪聲造成信噪比惡化的程度。噪聲系數(shù)常用NF(單位為dB)表示。根據(jù)噪聲系數(shù)的級聯(lián)式[4]:

F=F1+F2-1Gp1+F3-1Gp1Gp2+…(1)

可以計算出系統(tǒng)總的噪聲系數(shù),系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)就是從圖3中的低噪聲放大器向輸出端方向看過去,所表現(xiàn)出的噪聲系數(shù),也可以理解為當(dāng)接收信號由低噪聲放大器傳輸?shù)捷敵龆?接收端對信噪比的惡化程度。利用公式(1)經(jīng)過計算得到系統(tǒng)的噪聲系數(shù)F=2.582 dB,NF=4.12 dB。

三階截點(diǎn)IP3定義為三階互調(diào)功率達(dá)到和基波功率相等的點(diǎn),此點(diǎn)所對應(yīng)的輸入功率表示為IIP3,此點(diǎn)所對應(yīng)的輸出功率表示為OIP3。根據(jù)三階互調(diào)截點(diǎn)的級聯(lián)式[5]:

1IIP3=1(IIP3)1+A21(IIP3)2+…(2)

可得,系統(tǒng)總的IIP3=-9.75 dBm。

同樣在模擬設(shè)計環(huán)境下,對接收端進(jìn)行預(yù)算仿真,仿真結(jié)果如表2所示。

表2 接收端的預(yù)算仿真結(jié)果

仿真選項低噪聲放大器濾波器1混頻器濾波器2

輸出功率 /dBm11.61210.61218.20517.205

輸出增益 /dB-18.388-19.388-11.795-12.795

輸入TOI /dBm-10.1244.23.21 000

噪聲系數(shù) /dB1.51.5354.1474.151

從表2的仿真結(jié)果可以看出整個接收端的增益為17.205 dB,假設(shè)接收天線接收到的信號為-30 dBm,則接收到的中頻信號大小為-12.795 dBm。中頻信號的仿真值略低于中頻接收端所需要的信號大小,這可以用驅(qū)動放大器來增加信號的大小。另外由仿真結(jié)果可以看出接收端總的噪聲系數(shù)為4.151 dB,而計算出的結(jié)果為4.12 dB。仿真的接收端的三階輸入截點(diǎn)為-10.124 dBm,而計算出的為-9.75 dBm。以上結(jié)果有一定的差異,該差異是由增益壓縮等因素所引起的。

接收機(jī)的一個很重要指標(biāo)是靈敏度,它定義為:在給定的信噪比的條件下,接收機(jī)所能檢測的最低輸入信號電平。靈敏度與所要求的輸出信號質(zhì)量即輸出信噪比有關(guān),還與接收機(jī)本身的噪聲大小有關(guān)。接收機(jī)的靈敏度可由下式計算得出[6]:

pin,min(dBm)=NRS(dBm/Hz)+NF(dB)+

(SNR)o,min(dB)+10log B(3)

假設(shè)接收機(jī)輸入端滿足共軛匹配,由源內(nèi)阻Rs產(chǎn)生的噪聲輸送給接收機(jī)的噪聲功率為其額定輸出,即:

NRS=4KTaRs4Rs=KTa(4)

假設(shè)Ta=290 K,則NRS=-174 dBm/Hz。所以靈敏度可表示為:

pin,min(dBm)=-174 dBm/Hz+NF(dB)+

(SNR)o,min(dB)+10log B(5)

在本設(shè)計中,NF=412 dB,B=6 MHz,當(dāng)(SNR)o,min=10 dB時,由式(5)計算可得:pin,min=-92.08 dBm。

接收機(jī)所接收的信號強(qiáng)弱是變化的,通信系統(tǒng)的有效性取決于它的動態(tài)范圍,即高性能的工作所能承受的信號變化范圍[7]。動態(tài)范圍的下限是靈敏度,上限由最大可接受的信號失真決定。在本設(shè)計中考慮的是低噪聲放大器的輸入端的動態(tài)范圍。動態(tài)范圍可由式(6)得到:

DRf(dB)=13[2IIP3(dBm)+Ft(dB)]-

[Ft(dB)+(SNR)o,min(dB)](6)

利用式(6)計算可得:DRf=51.58 dB。

利用ADS軟件對接收端進(jìn)行S參數(shù)仿真,該仿真可以用于測量各個器件的S參數(shù)等。在本仿真中,可以看成是當(dāng)2~3 GHz,以1 MHz為步長的各個頻率分量通過該接收端時,接收端對各個頻率分量的增益或衰減大小的仿真。仿真模型及仿真結(jié)果如圖3,圖4所示。

圖3 S參數(shù)仿真模型

從圖4可以看到接收到的有用射頻信號和該信號所對應(yīng)的鏡像頻率信號的大小。由于在混頻器前有抑制鏡像頻率信號的帶通濾波器,所以鏡像頻率信號與有用射頻信號相比非常小。如果沒有混頻器前的濾波器則會出現(xiàn)圖4(b)的仿真結(jié)果。鏡像頻率信號與混頻器混頻后會得到與中頻信號頻率相同的干擾信號,這一干擾信號無法通過濾波器移除,這樣就會形成對有用信號的干擾,使信噪比下降。因此在混頻器前放置高Q值的濾波器對抑制鏡像干擾非常重要[8]。

圖4 S參數(shù)仿真結(jié)果

利用ADS軟件對接收端進(jìn)行大信號S參數(shù)仿真,用此工具對接收端進(jìn)行仿真主要是為了測試接收端的1 dB增益壓縮點(diǎn)P1 dB。仿真的結(jié)果如圖5所示。

圖5 大信號S參數(shù)仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出當(dāng)輸入的信號功率為-19.45 dBm時,接收端的總增益壓縮1 dB。

將發(fā)射端與接收端連接起來,并加入發(fā)射天線和接收天線,就可以構(gòu)成整個收發(fā)系統(tǒng)的射頻前端模型。然后對整個射頻前端進(jìn)行了諧波平衡仿真,仿真的原理圖如圖6所示,仿真結(jié)果如圖7所示。

由于信號頻率很高,如果通過發(fā)射天線發(fā)射到自由空間中,經(jīng)過傳輸會產(chǎn)生巨大的損耗,該損耗可由式(7)算出[9]:

Lf=10lg(4πdf/λ)2(7)

假設(shè)傳輸?shù)木嚯x為d=1 m,則Lf40 dB。實際的傳輸路徑并不是自由空間,而是比自由空間更為復(fù)雜的通信環(huán)境,在無線通信的損耗預(yù)測中,可以用Okumura或是Egli模型進(jìn)行估計[10]。在仿真中設(shè)置接收天線的增益為10 dB,以使接收到的信號達(dá)到中頻解調(diào)的要求。由上面的仿真結(jié)果可以看出信號通過整個射頻前端時的信號頻率和大小的變化,設(shè)計的射頻前端可以滿足無線通信的要求。

圖6 收發(fā)系統(tǒng)的射頻前端電路

圖7 仿真結(jié)果

3 結(jié) 語

通過對實際的集成射頻模塊的選擇,以及利用ADS對射頻前端的仿真,可以得到系統(tǒng)的一些重要性能指標(biāo),通過對這些性能指標(biāo)進(jìn)行分析,可以得出設(shè)計的射頻收發(fā)端是可行的,可以滿足實際無線通信環(huán)境對射頻系統(tǒng)的要求。另外,為了能夠在實際的應(yīng)用中使收發(fā)前端實現(xiàn)最佳的性能,設(shè)計可以對噪聲與非線性的影響作進(jìn)一步的分析,通過分析可以選用更合適的射頻模塊或?qū)﹄娐愤M(jìn)行一些改進(jìn),以滿足特殊的信道對射頻前端的要求。

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