2.4 GHz收發系統射頻前端的ADS設計與仿真

陳 麗

摘 要:針對無線移動通信環境中的應用,使用ADS軟件設計了一種2.4 GHz收發系統的射頻前端,射頻前端中的關鍵模塊均根據實際的集成射頻模塊的參數設計。使用ADS軟件對設計的射頻前端進行預算仿真、S參數仿真、大信號S參數仿真、諧波平衡仿真等。由仿真可以得出射頻發送端的總增益為17.783 dB,效率為16%。接收端的靈敏度為-92.08 dBm,帶寬為6 MHz。仿真結果表明,設計的射頻前端符合實際的無線移動通信環境的要求。

關鍵詞:ADS;2.4 GHz收發系統;射頻前端;射頻模塊;增益;效率;靈敏度;帶寬

中圖分類號:TN911文獻標識碼: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,隨著無線通信業務的迅速發展,通信頻段已經越來越擁擠。1985年美國聯邦通信委員會(FCC)授權普通用戶可以使用902 MHz,2.4 GHz和5.8 GHz三個“工業、科技、醫學”(ISM)頻段[1]。ISM頻段為無線通信設備提供了無需申請在低發射功率下就能直接使用的產品頻段,極大地推動了無線通信產業的發展。雖然目前無線數字通信技術已經相當成熟,但射頻設計仍然是移動通信設計的瓶頸。射頻電路的設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行。ISM頻段的射頻電路的研究對未來無線通信的發展具有重大的意義。國內外許多文獻都對此作了研究,文獻[2]中介紹了在無線高速數據通信環境下,2.4 GHz發射機的設計。文獻[3]介紹了一種低功耗的CMOS集成發射機的設計。

ADS(Advanced Design System)軟件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA軟件基礎上發展完善的大型綜合設計軟件。它功能強大能夠提供各種射頻微波電路的仿真和優化設計廣泛應用于通信航天等領域。本文主要介紹了如何使用ADS 設計收發系統的射頻前端,并在ADS的模擬和數字設計環境下進行一些仿真。

1 發射端的建模與仿真

由于設計是建立在實驗室中已有的中頻調制和解調的硬件基礎上的,因此發射端和接收端不考慮信號的調制和解調過程。實驗室中的中頻調制模塊可以輸出大概8~10 dBm的40 MHz已調中頻信號,經過分析選擇,該發射端的各個模塊均參考MAXIM公司的集成模塊的參數而設計。本地振蕩器采用的是MAX2700。MAX2700是壓控振蕩器,通過設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。發射端所用到的濾波器可以使用ADS軟件中的濾波器設計工具進行設計。由于實際的濾波器的插入損耗大概為1~2 dB,該設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計環境進行建模。

在該發射端模型中,中頻信號為40 MHz,-10 dBm大小的信號。在ADS的模擬設計環境下,對該發射端進行設計并作預算仿真,該仿真主要是為了測量各個模塊的增益、噪聲系數、三階互調截點等。該仿真過程如圖1所示。

圖1 發送端模型

從表1仿真結果中可以看出,整個發射端的總增益為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 發送端的預算仿真結果

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

接收端在設計中要考慮增益、噪聲系數、靈敏度等因素,比發射端的設計更為復雜。 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會產生很大的影響,比如當只輸入一個信號時會出現增益壓縮,當輸入兩個以上的信號時會出現互相調制等。在本設計中,中頻解調模塊大概也需要8~10 dBm的信號大小,經過分析,低噪聲放大器采用的是MAX2641,MAX2641的增益為13.5 dB,噪聲系數為1.5 dB。混頻器采用的是MAX2682,MAX2682的增益為7.9 dB,噪聲系數為13.4 dB,本地振蕩器與發送端的相同。使用ADS對接收端進行建模,如圖2所示。

圖2 接收端模型

由于各個模塊的參數均為已知,通過計算可以得出系統總的噪聲系數,三階互調截點等。

噪聲系數定義為系統輸入信噪功率比(SNR)i=Pi/Ni與輸出信噪功率比(SNR)o=Po/No的比值,常用F表示。噪聲系數表征了信號通過系統后,系統內部噪聲造成信噪比惡化的程度。噪聲系數常用NF(單位為dB)表示。根據噪聲系數的級聯式[4]:

F=F1+F2-1Gp1+F3-1Gp1Gp2+…(1)

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

三階截點IP3定義為三階互調功率達到和基波功率相等的點,此點所對應的輸入功率表示為IIP3,此點所對應的輸出功率表示為OIP3。根據三階互調截點的級聯式[5]:

1IIP3=1(IIP3)1+A21(IIP3)2+…(2)

可得,系統總的IIP3=-9.75 dBm。

同樣在模擬設計環境下,對接收端進行預算仿真,仿真結果如表2所示。

表2 接收端的預算仿真結果

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 /dB1.51.5354.1474.151

從表2的仿真結果可以看出整個接收端的增益為17.205 dB,假設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,這可以用驅動放大器來增加信號的大小。另外由仿真結果可以看出接收端總的噪聲系數為4.151 dB,而計算出的結果為4.12 dB。仿真的接收端的三階輸入截點為-10.124 dBm,而計算出的為-9.75 dBm。以上結果有一定的差異,該差異是由增益壓縮等因素所引起的。

接收機的一個很重要指標是靈敏度,它定義為:在給定的信噪比的條件下,接收機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量即輸出信噪比有關,還與接收機本身的噪聲大小有關。接收機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)

假設接收機輸入端滿足共軛匹配,由源內阻Rs產生的噪聲輸送給接收機的噪聲功率為其額定輸出,即:

NRS=4KTaRs4Rs=KTa(4)

假設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)

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

接收機所接收的信號強弱是變化的,通信系統的有效性取決于它的動態范圍,即高性能的工作所能承受的信號變化范圍[7]。動態范圍的下限是靈敏度,上限由最大可接受的信號失真決定。在本設計中考慮的是低噪聲放大器的輸入端的動態范圍。動態范圍可由式(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軟件對接收端進行S參數仿真,該仿真可以用于測量各個器件的S參數等。在本仿真中,可以看成是當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。仿真模型及仿真結果如圖3,圖4所示。

圖3 S參數仿真模型

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圖4(b)的仿真結果。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參數仿真結果

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

圖5 大信號S參數仿真結果

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

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

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

Lf=10lg(4πdf/λ)2(7)

假設傳輸的距離為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雜的通信環境,在無線通信的損耗預測中,可以用Okumura或是Egli模型進行估計[10]。在仿真中設置接收天線的增益為10 dB,以使接收到的信號達到中頻解調的要求。由上面的仿真結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,設計的射頻前端可以滿足無線通信的要求。

圖6 收發系統的射頻前端電路

圖7 仿真結果

3 結 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,可以得到系統的一些重要性能指標,通過對這些性能指標進行分析,可以得出設計的射頻收發端是可行的,可以滿足實際無線通信環境對射頻系統的要求。另外,為了能夠在實際的應用中使收發前端實現最佳的性能,設計可以對噪聲與非線性的影響作進一步的分析,通過分析可以選用更合適的射頻模塊或對電路進行一些改進,以滿足特殊的信道對射頻前端的要求。

參考文獻

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