基于ADS的射頻綜合仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

張 蘭，岳顯昌，唐 瑞，黃世峰，秦斯奇

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430079)

0 引言

目前，高校開展的“射頻電路實(shí)驗(yàn)”課程主要包括基于射頻實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的以頻譜儀為主要測(cè)量儀器的測(cè)量性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和基于仿真軟件的射頻模塊設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中射頻模塊的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要是利用ADS、MWO和HFSS等專業(yè)軟件，進(jìn)行對(duì)典型射頻模塊如濾波器、天線、功分器和放大器等進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、制作以及測(cè)量，從而掌握射頻模塊的開發(fā)流程，熟悉射頻電路的制作工藝和測(cè)試方法［1-4］。

然而，在培養(yǎng)學(xué)生的測(cè)量能力以及典型模塊的設(shè)計(jì)能力的基礎(chǔ)上，學(xué)生對(duì)射頻收發(fā)系統(tǒng)的理解、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與評(píng)估等方面的能力也需要加強(qiáng)。射頻收發(fā)系統(tǒng)作為無線通信的主要組成部分，它們的相關(guān)設(shè)計(jì)是射頻電路教學(xué)的關(guān)鍵內(nèi)容，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大都采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊參數(shù)固定，學(xué)生無法修改，學(xué)生只是按照順序把各個(gè)模塊連接起來，很難在實(shí)驗(yàn)過程中體會(huì)到射頻收發(fā)系統(tǒng)各個(gè)指標(biāo)與各個(gè)模塊的關(guān)系，以及各個(gè)模塊的性能改變對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。

考慮到實(shí)驗(yàn)的時(shí)間限制、可操作性和可實(shí)現(xiàn)性等方面的因素，不可能讓學(xué)生去設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的射頻收發(fā)系統(tǒng)，而通過軟件對(duì)射頻收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行建模并對(duì)其關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行仿真和計(jì)算是可行的。系統(tǒng)仿真時(shí)不需要用到很具體的電路元件，而是使用一個(gè)個(gè)的行為級(jí)功能模塊，直接按其參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后對(duì)整機(jī)方案的各種特性進(jìn)行仿真，從而快捷地從行為級(jí)和功能級(jí)的角度去研究系統(tǒng)性能。歸納起來，基于ADS的射頻綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路就是在學(xué)生完成模塊設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)后，在其掌握各個(gè)典型的射頻電路模塊設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，再參與綜合實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，利用仿真軟件的行為級(jí)功能模塊設(shè)計(jì)并搭建射頻收發(fā)系統(tǒng)，使學(xué)生能對(duì)其組成、功能和結(jié)構(gòu)有充分認(rèn)識(shí)，并對(duì)收發(fā)系統(tǒng)的重要指標(biāo)進(jìn)行仿真，進(jìn)而評(píng)估系統(tǒng)性能，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生射頻系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力的目的。

1 實(shí)驗(yàn)原理分析

射頻發(fā)射系統(tǒng)的主要功能是產(chǎn)生并發(fā)射信號(hào)，通常由發(fā)射天線、振蕩器、混頻器、濾波器和功率放大器組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由信號(hào)發(fā)生單元合成所需的基帶信號(hào)，通過混頻器將其頻譜搬移到所需的頻段上，經(jīng)過功率放大后通過天線發(fā)射出去。

系統(tǒng)增益是射頻發(fā)射系統(tǒng)一個(gè)主要指標(biāo)。使用ADS軟件創(chuàng)建射頻發(fā)射系統(tǒng)的原理圖，在其中加入增益仿真控制器，就可以得到增益在系統(tǒng)各個(gè)部分的分配情況。

圖1 射頻發(fā)射系統(tǒng)基本框圖

射頻接收系統(tǒng)的作用是通過接收天線接收所需要頻段的信號(hào)，用射頻濾波器將其諧波、干擾濾除后，通過低噪聲放大器把微弱信號(hào)進(jìn)行放大，最后用混頻器及濾波器進(jìn)行頻譜搬移，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為所需要的中頻或者基帶信號(hào)，再送入到相應(yīng)的模塊進(jìn)行后續(xù)處理。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 射頻接收系統(tǒng)基本框圖

不同的通信系統(tǒng)，接收系統(tǒng)有很多種結(jié)構(gòu)，比較常見的有零中頻接收和超外差接收等結(jié)構(gòu)。零中頻接收其天線所接收到的射頻信號(hào)與本振信號(hào)頻率相同，混頻后變?yōu)檩d波頻率為零的基帶信號(hào)，而超外差接收天線所接收到的射頻信號(hào)與本振信號(hào)頻率之差為某個(gè)預(yù)置的中頻信號(hào)，通過中頻帶通濾波器得到所需的信號(hào)。零中頻接收電路相對(duì)簡單，不存在鏡頻干擾，但存在著直流偏差、本振泄漏等問題。超外差接收通過適當(dāng)?shù)剡x擇中頻和濾波器可以獲得極佳的選擇性和靈敏度，但其電路相對(duì)復(fù)雜，需要解決鏡頻干擾抑制問題。

接收系統(tǒng)主要的技術(shù)參數(shù)包括靈敏度、噪聲系數(shù)、增益、動(dòng)態(tài)范圍和頻率選擇性等［5］。這些參數(shù)與各個(gè)模塊的選擇與連接有關(guān)，在接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)它們進(jìn)行充分地評(píng)估。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置

基于ADS的射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)室原有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為模型，主要完成一個(gè)工作在900 MHz的射頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)帶寬為2 MHz，接收采取超外差式，中頻取40 MHz。

2.1 射頻發(fā)射系統(tǒng)的建模與仿真

發(fā)射系統(tǒng)將經(jīng)過調(diào)制后的60 MHz信號(hào)(帶寬為2 MHz)經(jīng)過放大后與840 MHz的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出信號(hào)經(jīng)中心頻率為900 MHz帶通濾波器，濾除其中的一個(gè)不需要的邊帶，得到900 MHz的信號(hào)，再經(jīng)過功率放大、濾波后送入發(fā)射天線發(fā)射出去。

利用ADS軟件中的模擬電路設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行建模，其仿真原理圖如圖3所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮調(diào)制解調(diào)部分，將60 MHz信號(hào)作為已調(diào)制的信號(hào)輸入到發(fā)射系統(tǒng)中，其幅度為0 dBm。濾波器采用的是切比雪夫帶通濾波器，其具體的階數(shù)以及電路設(shè)計(jì)由ADS自帶的濾波器設(shè)計(jì)工具來完成。

圖3 發(fā)射系統(tǒng)仿真電路

發(fā)射電路原理圖建立以后，在ADS的模擬設(shè)計(jì)環(huán)境下，添加相關(guān)的仿真控件，進(jìn)行預(yù)算路徑設(shè)定，建立預(yù)算增益方程，對(duì)發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)算仿真，得到各個(gè)模塊的增益和系統(tǒng)的增益，如圖4所示。由圖4可知，系統(tǒng)輸入信號(hào)為0 dBm，系統(tǒng)增益為15 dBm，輸出到天線的信號(hào)幅度為15 dBm。

圖4 發(fā)射系統(tǒng)的預(yù)算增益仿真結(jié)果

2.2 射頻接收系統(tǒng)的建模與仿真

接收系統(tǒng)采用超外差接收結(jié)構(gòu)，中頻為40 MHz。經(jīng)天線接收到帶寬為2 MHz的弱信號(hào)送入中心頻率為900 MHz的射頻濾波器，經(jīng)濾波后的信號(hào)送入到低噪聲放大器進(jìn)行放大，低噪聲放大器的選擇對(duì)于降低系統(tǒng)噪聲系數(shù)是至關(guān)重要的。接著信號(hào)被功分器等分為兩路，分別進(jìn)行正交混頻(下變頻)，再經(jīng)中頻濾波、中頻放大得到中頻I/Q信號(hào)，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。如果是零中頻結(jié)構(gòu)，混頻后不再是中頻處理而是基帶處理，通過調(diào)整混頻器的本振頻率、將中頻濾波器改用低通濾波器即可。

圖5 接收系統(tǒng)仿真電路

首先，對(duì)接收系統(tǒng)的頻率選擇性進(jìn)行仿真。通過設(shè)置射頻輸入信號(hào)的范圍，利用軟件的S參量仿真控件，可得到在不同輸入頻率下的輸出信號(hào)增益變化情況，如圖6所示。從圖中可知，中心頻率900 MHz處的增益約為90 dB，為系統(tǒng)的最大增益，通頻帶寬約為2 MHz，滿足設(shè)計(jì)要求。利用諧波平衡仿真控制器，將射頻輸入以及本振信號(hào)作為基波頻率，得到接收系統(tǒng)的頻域響應(yīng)特性曲線如圖7所示。其中左圖為射頻輸入Vin的功率譜，右圖為輸出信號(hào)Vout_i的功率譜，由于I/Q兩路信號(hào)完全對(duì)稱，所以只需要取其中的一路輸出進(jìn)行仿真即可。混頻輸出的信號(hào)是射頻頻率與本振頻率的差值以及它們的各次諧波和互調(diào)，各次諧波和互調(diào)通過中頻濾波器時(shí)衰減，通過接收系統(tǒng)的頻域響應(yīng)特性可以看出上述頻率轉(zhuǎn)換。從仿真結(jié)果可以看出，接收系統(tǒng)將射頻輸入信號(hào)的頻譜從900 MHz搬移到40 MHz。

圖6 不同輸入頻率的輸出信號(hào)增益變化曲線

圖7 接收系統(tǒng)的頻域響應(yīng)特性曲線

接著，對(duì)接收系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)置增益仿真，得到900 MHz情況下系統(tǒng)增益在各個(gè)模塊的分布情況如圖8所示。圖中只給出增益的變化值。射頻輸入功率預(yù)置時(shí)，應(yīng)為最小值-107 dBm，中頻放大器的預(yù)置增益取最大值。

最后，對(duì)接收系統(tǒng)進(jìn)行噪聲特性分析。利用諧波仿真噪聲控制器，設(shè)定噪聲分析的范圍和步進(jìn)量，可得到相位噪聲如圖9所示。

圖8 接收系統(tǒng)增益預(yù)置仿真曲線

圖9(a)和圖9(b)分別為I/Q兩路的相位噪聲在接收系統(tǒng)輸出端的分布情況。

圖9 接收系統(tǒng)噪聲特性仿真曲線

除此之外，還可以進(jìn)行本振輸出功率對(duì)接收系統(tǒng)性能影響的分析以及整機(jī)增益隨本振功率的變化特性分析等等［6］。

3 結(jié)語

“射頻電路實(shí)驗(yàn)”是一門工程性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，需要很多的理論知識(shí)和實(shí)際技能，射頻電路實(shí)踐教學(xué)是對(duì)理論教學(xué)有效地補(bǔ)充和完善。基于ADS的射頻前端綜合仿真實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生熟練掌握各典型射頻電路模塊的設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，利用專業(yè)設(shè)計(jì)工具來完成典型的射頻發(fā)射和接收系統(tǒng)前端的建模與關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的仿真，從而使學(xué)生對(duì)射頻系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)有一個(gè)較為系統(tǒng)的理解和把握。

本文從實(shí)驗(yàn)原理分析和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置兩個(gè)方面對(duì)一個(gè)基于ADS的射頻綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，旨在更好地培養(yǎng)學(xué)生射頻系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力，促進(jìn)射頻電路實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的全面提高。

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