基于ＡＤＳ對ＯＦＤＭ射頻前端的仿真及分析

摘要：OFDM技術在射頻系統方面存在一定的技術難點。該文簡要運用了agilent公司的ads仿真軟件，并對已設計的OFDM射頻系統為例，對其系統發射，接收進行分析和優化設計該電路的過程，并最終獲得得精確仿真效果。

關鍵詞：射頻；仿真；優化設計

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)29-0464-02

The Simulation and Analysis of the OFDM Radio Frequency System Based on ADS

WANG Wen-bin

(School of Electronic，Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China)

Abstract: There're some difficulties in application of OFDM to the radio frequency system. The paper mainly presents a simulation ， design and optimization of radio frequency system， which is based on the agilent ads，and it'll get a exact a conclusion of the simulation.

Key words: radio frequency;simulation; optimization

1 引言

OFDM是一種特殊的多載波調制技術，用戶的信息首先要經過串行到并行的轉換，轉變成多個低速率的數據碼流，通過編碼之后，調制為射頻信號，傳統的調制技術在同一個時刻只能用一種頻率進行數據的傳送，而OFDM則可以在正交的頻率上同時發送多路信號，可以說是并行的傳送多路信號，這樣OFDM能夠充分地利用信道的帶寬。OFDM不用帶通濾波器來分隔子載波，而是通過快速傅立葉變換（FFT）來選用那些即便混疊也能夠保持正交的波形。

OFDM系統的子載波可以自適應地根據信道的情況選擇調制方式，并且能夠實現在各種調制方式之間的切換。選擇和切換的原則是頻譜利用率和誤碼率之間的平衡選擇。在通常的通信系統中，為了保持一定的可靠性，選擇通過采用功率控制和自適應調制協調工作的技術。信道好的時候，發射功率不變，可以增強調制方式（如64 QAM），或者在低調制（如QPSK）時降低發射功率。功率控制與自適應調制要取得平衡，也就是說對于一個遠端發射臺，它有良好的信道，若發送功率保持不變，可使用較高的調制方案如64 QAM；若功率可以減小，調制方案也相應降低，可使用QPSK。

2 OFDM技術難點

1) 對頻偏和相位噪聲比較敏感。OFDM技術區分各個子信道的方法是利用各個子載波之間嚴格的正交性。頻偏和相位噪聲會使各個子載波之間的正交特性惡化，僅僅1%的頻偏就會使信噪比下降30dB。因此，OFDM系統對頻偏和相位噪聲比較敏感。

2) 功率峰值與均值比（PAPR）大，導致射頻放大器的功率效率較低。與單載波系統相比，由于OFDM信號是由多個獨立的經過調制的子載波信號相加而成的，這樣的合成信號就有可能產生比較大的峰值功率，也就會帶來較大的功率峰值與均值比，簡稱峰均值比。對于包含N個子信道的OFDM系統來說，當N個子信道都以相同的相位求和時，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。當然這是一種非常極端的情況，通常OFDM系統內的峰均值不會達到這樣高的程度。高峰均值比會增大對射頻放大器的要求，導致射頻信號放大器的功率效率降低。

3 采用ADS對射頻系統進行仿真

OFDM的調制方式給射頻模塊的線性度提出了較高的要求。OFDM調制將單一信號載波調制成數千個小的子載波發射出去，而在接收端再將這些子載波接收處理還原成原始信號，使以往被當成干擾信號的反射波、折射波、多徑效應變成了有用信號，大大提高了接收信噪比，從而使以往技術不能達到的在嚴重遮擋條件下傳輸寬帶圖象數據的要求得以實現。多載波同時發射，如果信道線性度不高，產生交調和互調，會直接破壞OFDM調制性能，影響圖像傳輸效果。因此如何保證系統的高線性度成為了設計中一項關鍵。射頻模塊的TDD工作模式要求射頻信道能進行快速的收發切換，其收發切換時間應保持在50us以內。

射頻模塊由接收單元、發射單元、頻率合成單元、外置20W功放等四部分組成，采用差分IQ信號調制、解調，雙向傳輸。接收單元對接收信號進行濾波、低噪聲放大后送至IQ解調芯片解調出差分IQ信號，并進行RSSI檢測和AGC控制；發射單元將IQ差分輸入經調制芯片調制成射頻信號，經功率控制、功放送往環形器、天線；通過收發電平控制進行發送和接收的切換；采用半雙工模式的工作模式。

為滿足基帶模塊提出的濾波器相對群時延抖動小于10ns的技術條件，在接收單元采用聲表濾波器，在發射單元采用低通濾波器，基本滿足基帶模塊設計要求，但由于聲表濾波器插損較大，靈敏度將相應下降。

根據上述設計指標，采用ADS軟件對射頻模塊總體方案進行系統仿真，以驗證其是否滿足系統總體要求。仿真中采用同樣為OFDM調制方式的DVB—T信號作為參考基帶信號源。

信號占用帶寬8MHz，采用QPSK調制方式。其射頻頻譜如下：

可以看到DVB—T信號的峰均比（PAR）約為10.7dB，與本系統采用的OFDM信號峰均比大致相當，很適合用來評估射頻模塊的性能。

4 信道傳播特性的影響

電波在不同的信道環境下傳輸時會產生各種效應，如多徑、衰落等，這些都會影響對接收機接收性能。我們采用NADC TDMA傳播信道模型仿真信道傳播特性，通過仿真不同情況下接收機接收信號強度評估信道傳播損耗。以下為幾種典型情況下接收機接收信號強度仿真結果：

表1：發射機發射功率為20W（43dBm），發射天線高度為3米，移動速度為0，接收天線高度為20米，收發天線總增益設置為15dB，天線距離見表1。

表2：發射機發射功率為20W（43dBm），發射天線高度為3米，移動速度為0，接收天線高度為40米，收發天線增益均設置為7.5dB，天線距離設置為5km。接收信號強度單位為dBm。

表3：發射機發射功率為20W（43dBm），發射天線高度為3米，移動速度設為0，接收天線高度為20米，收發天線增益均設置為7.5dB，天線距離設置為1km。接收信號強度單位為dBm。

表4：發射機發射功率為20W（43dBm），發射天線高度為3米，移動速度設為0，接收天線高度為40米，收發天線增益均設置為7.5dB，天線距離設置為1km。接收信號強度單位為dBm。

仿真結果與鏈路計算的結果基本吻合。從表中可以看出，在典型城市環境下收發天線相距5km，發射機發射功率為20W時，經電波傳播損耗射頻模塊能接收到的信號功率大于接收機靈敏度，表明此時有效傳輸距離可大于5km，但收、發雙方天線必須架設一定高度（最好大于20米），如果環境惡劣，接收距離可能進一步下降。

5 重點射頻器件對系統性能的影響

1) 功放

OFDM調制方式對功放線性度要求很高。功放線性度很差時，多載波系統會產生嚴重的交調失真。仿真結果表明，當功放IMD3抑制<32dBc時，系統性能急劇下降，接收機不能完成對DVB—T信號的解調。圖2為功放IMD3抑制=32.5dBc時的發射信號頻譜和解調。

2) 頻率源

由于采用DVB—T信號在8MHz帶寬內存在1705個正交子載波，如果頻率源的頻率準確度不佳或者穩定度較差，都會破壞載波的正交性，導致接收機性能下降。

仿真結果表明，接收LO輸出頻率為<339.9976MHz時，解調性能嚴重下降 。

頻率源的相位噪聲反映了頻率源的短期穩定度特性。仿真結果表明，接收LO相位噪聲＞－70dBc@1kHz/Hz時，接收機性能嚴重下降。

6 結束語

根據對系統仿真結果的分析可以證明，本射頻模塊方案設計接收機靈敏度達到-86dBm，在典型城市環境下有效傳輸距離能夠達到5km，主要射頻器件性能均能滿足系統性能要求。

參考文獻

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