微波電路與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)5課件

1、實(shí)驗(yàn)5 ADS系統(tǒng)級(jí)仿真高源慈電子科技大學(xué)2012年9月School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of ChinaADS系統(tǒng)級(jí)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私馐瞻l(fā)信機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)；掌握利用ADS中行為級(jí)模塊進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真的方法。使用如濾波器、放大器、混頻器等行為級(jí)的功能模塊搭建收發(fā)信機(jī)系統(tǒng)。運(yùn)用S參數(shù)仿真、交流仿真、諧波平衡仿真、瞬態(tài)響應(yīng)仿真等仿真器對(duì)收發(fā)信機(jī)系統(tǒng)的各種性能參數(shù)進(jìn)行模擬檢測(cè)。ADS系統(tǒng)級(jí)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：5.1 收發(fā)信機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)5.2 外差式接收機(jī)的系統(tǒng)級(jí)仿真5.1 收發(fā)信機(jī)

2、的基礎(chǔ)知識(shí) 接收機(jī) 接收機(jī)將通過(guò)信道傳播的信號(hào)進(jìn)行接收，提取出有用信號(hào)。接收機(jī)一般具有接收靈敏度、選擇性、交調(diào)抑制、噪聲系數(shù)等性能參數(shù)。 接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)可分為：超外差、零中頻和數(shù)字中頻等。 典型無(wú)線接收機(jī)框圖（超外差式）接收機(jī)各部分的作用和要求如下：射頻濾波器1（FP Filter1）選擇信號(hào)頻段、限制輸入信號(hào)帶寬、減小互調(diào)失真。抑制雜散信號(hào)，避免雜散響應(yīng)。減少本振泄漏，在頻分系統(tǒng)中作為頻域相關(guān)器。低噪聲放大器（LNA）在不使接收機(jī)線性度惡化的前提下提供一定的增益。抑制后續(xù)電路的噪聲，降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。射頻濾波器2（FP Filter2）抑制由低噪聲放大器放大或產(chǎn)生的鏡頻干擾。進(jìn)一步抑制其

3、他雜散信號(hào)。減少本振泄漏。接收機(jī)各部分的作用和要求如下：混頻器（Mixer）將射頻信號(hào)下變頻為中頻信號(hào)。是接收機(jī)中輸入射頻信號(hào)最強(qiáng)的模塊，其線性度極為重要，同時(shí)要求較低的噪聲系數(shù)。本振濾波器（Injection Filter）濾除來(lái)自本振的雜散信號(hào)。本振信號(hào)源（LO）為接收機(jī)提供本地振蕩信號(hào)。接收機(jī)各部分的作用和要求如下：中頻濾波器（IF Filter）抑制相鄰信道的干擾，提供選擇性。濾除混頻器產(chǎn)生的互調(diào)干擾。如果存在第二次變頻，需要抑制第二鏡頻。中頻放大器（IF AMP）將信號(hào)放大到一定的幅度，供后續(xù)電路（如數(shù)模轉(zhuǎn)換器或解調(diào)器）處理。通常需要較大的增益并實(shí)現(xiàn)增益控制。2. 發(fā)射機(jī) 發(fā)射機(jī)是一

4、個(gè)非常重要的子系統(tǒng)，無(wú)論是語(yǔ)音、圖像，還是數(shù)字信號(hào)，要 利用電磁波傳送到遠(yuǎn)端，都必須使用發(fā)射機(jī)產(chǎn)生信號(hào)，然后經(jīng)調(diào)制放大送到天線。 發(fā)射機(jī)一般具有頻率、帶寬、功率、輻射雜散等性能指標(biāo)參數(shù)。 發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)可分為：超外差、零中頻和數(shù)字中頻等。 典型無(wú)線發(fā)射機(jī)框圖5.2 外差式接收機(jī)的系統(tǒng)級(jí)仿真 建立工程 建立行為級(jí)模型構(gòu)成的系統(tǒng) 系統(tǒng)仿真 建立行為級(jí)模型構(gòu)成的系統(tǒng)建立工程的具體步驟如下：運(yùn)行ADS，彈出ADS的主窗口。選擇【File】【New Project】命令，彈出“New Project”（新建工程）對(duì)話框。對(duì)話框中的默認(rèn)工作路徑為“C:Usersdefaults”，在路徑的末尾輸入工程名

5、：rfsystem。在【Project Technology Files】欄中選擇“ADS Standard：Length unit-millimeter”，即工程中的默認(rèn)長(zhǎng)度單位為毫米。點(diǎn)擊【OK】按鈕，完成新建工程，此時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。射頻前端電路參數(shù)設(shè)置微波帶通濾波器切比雪夫帶通濾波器階數(shù)：4中心頻率：2140MHz3dB帶寬：80MHz阻帶帶寬：400MHz帶外衰減：25dB 通帶波紋：0.1dB插入損耗：1dB低噪聲放大器增益：21dB噪聲系數(shù)：2dB 因該放大器處于射頻前端，故需要較低的噪聲系數(shù)。射頻前端電路Filter-Bandpass元件面板System-Amp &

6、Mixer元件面板Sources-Freq Domain元件面板信號(hào)源（交流功率源）端口：1 輸出阻抗：50功率方程：P=polar(dbmtow(RF_pwr),0) 變量RF_pwr頻率：變量RF_freq MHz下變頻部分電路參數(shù)設(shè)置混頻器 選用System-Amps & Mixer palette中的behavioral Mixer，注意不要錯(cuò)選成Mixer2，它是用來(lái)進(jìn)行非線性分析的，而Mixer才是用來(lái)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換的。邊帶：LOWER轉(zhuǎn)換增益：10dBNF：13dB本振 本振在Sources-Freq Domain palette選一電壓源，由于接收機(jī)中頻為0，故本振頻率應(yīng)和輸入信

7、號(hào)頻率一致.，這里設(shè)為變量LO_freq，可以用VAR很方便的進(jìn)行賦值，輸出電壓設(shè)為1V。移相器和功分器 由于要將接收信號(hào)分為同相和正交兩路，所以本振信號(hào)也要分為兩路，一路直接和接收信號(hào)混頻，一路先經(jīng)移相器移相90，再進(jìn)入混頻器混頻，所以還要用到移相器和功率分離器，它們都可以從System-Passive palette中找到的。下變頻部分電路參數(shù)設(shè)置下變頻部分電路元件System-Amp & Mixer元件面板Sources-Freq Domain元件面板System-Passive元件面板中頻部分電路參數(shù)設(shè)置 中頻部分分兩條支路，每條都由一個(gè)信道選擇帶通濾波器和基帶放大器級(jí)聯(lián)而成。信道選擇

8、濾波器切比雪夫帶通濾波器階數(shù)：5中心頻率：318MHz3dB帶寬：5MHz阻帶帶寬：40MHz帶外衰減：35dB 通帶波紋：0.01dB中頻部分電路參數(shù)設(shè)置中頻放大器增益：在2466dB之間可調(diào)，所以也設(shè)為變量G5NF：15 dB最后在中頻輸出端加入端口Term2和Term3。 中頻部分電路完整接收機(jī)電路圖系統(tǒng)仿真接收機(jī)頻帶選擇性仿真接收機(jī)信道選擇性仿真接收機(jī)系統(tǒng)預(yù)算增益仿真接收機(jī)的下變頻分析接收機(jī)的相位噪聲分析本振輸出功率對(duì)接收機(jī)性能的影響接收機(jī)頻帶選擇性仿真 使用S參數(shù)仿真進(jìn)行接收機(jī)的系統(tǒng)選擇性分析。首先是接收機(jī)的頻帶選擇性分析。S_parameter Simulation Control

9、ler設(shè)置：1GHz3GHz步進(jìn)： 10MHz接收機(jī)頻帶選擇性仿真結(jié)果估算接收機(jī)射頻前端電路通帶中心頻率S21的最大值。畫(huà)出S21的仿真結(jié)果圖形，并用光標(biāo)標(biāo)出通帶中心頻率（2.14 GHz）的值。用Delta Marke標(biāo)出在偏離中心頻率70MHz處S21的值。觀察通帶內(nèi)的波動(dòng)情況，分析通帶內(nèi)的波動(dòng)最大值。接收機(jī)頻帶選擇性仿真結(jié)果 接收機(jī)射頻前端的接收帶寬為6MHz，和WCDMA系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)終端下行鏈路的要求是相吻合的。接收機(jī)信道選擇性仿真 信道選擇功能主要由中頻濾波器完成，對(duì)于這里的直接下變頻方案就要靠基帶低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，接下來(lái)進(jìn)行信道選擇性的仿真。仿真的電路圖就是完整的接收機(jī)原理圖。 此處

10、利用一個(gè)交流功率源來(lái)模擬通過(guò)天線進(jìn)入接收機(jī)的射頻信號(hào)。輸入功率和信號(hào)頻率在變量VAR中賦值，這里用的是接收機(jī)所能接收的最低信號(hào)電平-108dBm，因此將基帶信號(hào)放大器的增益定為增益66dB。信號(hào)源和變量VAR的參數(shù)設(shè)置信號(hào)源（交流功率源）端口：1 輸出阻抗：50功率方程：P=polar(dbmtow(RF_pwr),0) 變量RF_pwr頻率：變量RF_freq MHz變量VARRF_freq=2140 LO_freq=1822RF_pwr=-108 G5=66 信號(hào)源和變量VAR的參數(shù)設(shè)置Sources-Freq Domain元件面板S參數(shù)仿真控制器參數(shù)設(shè)置起始頻率：2.1GHz終止頻率：2

11、.18GHz頻率間隔：0.5MHz頻率轉(zhuǎn)換：允許頻率轉(zhuǎn)換的端口：1接收機(jī)信道選擇性仿真電路圖接收機(jī)信道選擇性仿真結(jié)果 從下圖中可以看到，中心頻率2.14GHz處的增益為96dB，為系統(tǒng)的最大增益；鄰道抑制達(dá)到了36.9dB；通頻帶寬為4MHz，一般接收的信息都集中在離中心頻率2MHz的范圍內(nèi)，因此不會(huì)導(dǎo)致接收到的信號(hào)產(chǎn)生較大的失真；通帶內(nèi)的波動(dòng)不大于0.1dB。接收機(jī)系統(tǒng)算增益仿真 通過(guò)這個(gè)仿真我們將看到系統(tǒng)總增益在系統(tǒng)各個(gè)部分中的分配情況。 預(yù)算增益仿真在諧波平衡分析以及交流分析中都可以進(jìn)行，但如果在交流仿真中進(jìn)行的話，混頻器不能是晶體管級(jí)的。因?yàn)檫@里進(jìn)行的是行為級(jí)仿真，混頻器的非線性特征是

12、已知的，所以此處就用交流分析來(lái)進(jìn)行仿真。接收機(jī)系統(tǒng)算增益仿真在電路圖中加入交流仿真控制器。交流仿真控制器參數(shù)設(shè)置頻率：2.14GHz頻率轉(zhuǎn)換(Enable AC frequency conversion): 允許 Yes預(yù)算分析(Perform budget dimulation)：執(zhí)行 YesSimulation-AC元件面板預(yù)算路徑設(shè)定和預(yù)算增益方程建立 預(yù)算分析還有兩項(xiàng)很重要的設(shè)置是預(yù)算路徑設(shè)定和建立預(yù)算增益方程。預(yù)算路徑設(shè)定：可以在仿真的下拉菜單中找到。點(diǎn)擊菜單【Simulate】【Generate Budget Path】，彈出如下窗口。預(yù)算路徑設(shè)定和預(yù)算增益方程建立輸入端選擇：Po

13、rt1輸出端選擇：Term1（因?yàn)镮/Q兩支路的增益分配完全相同，故任意仿真其中的一條即可） 點(diǎn)擊Generate和Highlight就可設(shè)置好預(yù)算路徑，同時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)生成預(yù)算增益方程。預(yù)算增益路徑在電路圖中高亮顯示。預(yù)算增益方程BudGain Component 設(shè)置 在原理圖中加入BudGain Component，將其設(shè)置為如右圖所示即可。 請(qǐng)注意“，”的個(gè)數(shù)。Simulation-AC元件面板預(yù)算增益仿真電路圖預(yù)算增益仿真 仿真結(jié)束后，選擇顯示BudgetGain1。Y軸為BudGain1，但圖中并沒(méi)有任何曲線生成。如果在Y軸的BudGain1后鍵入0后，增益預(yù)算曲線就出現(xiàn)了，這是因?yàn)?/p>

14、預(yù)算增益仿真必須明確指定頻率，這里只有唯一的頻率2.14GHz，也就是頻率數(shù)組中的第1個(gè)，故0是必須的。預(yù)算增益仿真結(jié)果預(yù)算增益仿真結(jié)果 修改變量VAR控件中的變量值：G5=24，RF_pwr=-32，再次仿真，并與前次仿真比較，圖片見(jiàn)下頁(yè)。 我們將兩次仿真的結(jié)果在一個(gè)圖中表示出來(lái)，可以清楚地看到接收機(jī)在VGA增益最大和最小的情況下整機(jī)增益的分配情況。兩次預(yù)算增益仿真結(jié)果比較兩次預(yù)算增益仿真結(jié)果比較接收機(jī)的下變頻分析 通過(guò)這次仿真，我們將看到接收機(jī)是如何將射頻信號(hào)的頻譜搬移到零頻的，也就是接收機(jī)的頻域響應(yīng)特性。這里使用的是諧波平衡仿真（Harmonic Balance Simulation，H

15、B Simulation）。 接收機(jī)輸入端的交流功率信號(hào)源： 頻率：2140MHz，電平：-108dBm（為與后噪聲分析中的下變頻比較，該處也采用-108dBm的電平）本地振蕩器也改用交流功率信號(hào)源。 頻率：1822MHz，電平：-20dBm。中頻放大器增益：G5：66dB輸入、輸出端編輯 通過(guò)菜單【Insert】【W(wǎng)ire/Pin Label】設(shè)置輸入、輸出端，分別命名為Vin、Vout_i和Vout_q。下變頻仿真元件參數(shù)設(shè)置HB controller 參數(shù)設(shè)定 在電路圖中插入HB controller，并進(jìn)行頻率設(shè)定。注意HB仿真中為了能夠正確進(jìn)行非 線性分析，HB controller

16、中的頻率變量必須和原理圖中的信號(hào)源頻率相一致，如果有多個(gè)頻率需要設(shè)定，F(xiàn)req1必須是輸出功率電平最高的信號(hào)源。所以這里必須是本振頻率，Order指的是諧波個(gè)數(shù)。 HB controller的參數(shù)設(shè)定如下頁(yè)所示。Simulation-HB元件面板接收機(jī)下變頻仿真電路圖接收機(jī)的下變頻功率譜仿真結(jié)果 從仿真結(jié)果中可以看到接收機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的下變頻作用。射頻輸入信號(hào)的頻譜從2.14GHz的載頻被搬移到了318MHz的中頻。 接收機(jī)的相位噪聲分析 這一部分將在本振中設(shè)定一組相位噪聲，然后用諧波平衡分析的方法進(jìn)行仿真，在輸出端觀察相位噪聲的情況，另外也會(huì)順便給出外差式接收機(jī)的頻譜特性。 為進(jìn)行相位噪聲仿真

17、需要專門的本振源，在Source-Freq Domain 元件面板中找到帶有相位噪聲的本振源OSCwPhNoise，需要設(shè)定的參數(shù)包括本振頻率、輸出功率、輸出阻抗和相位噪聲分布，其中最后一項(xiàng)用列表形式給出。 相位噪聲本振源設(shè)置 在Simulation-HB Palette中選擇HB noise controller插入電路圖，對(duì)HB noise controller進(jìn)行設(shè)定，在Freq tab中設(shè)定噪聲分析的范圍和步進(jìn)，和OSCwPhNoise的參數(shù)設(shè)置相一致，從10Hz到10kHz，用log形式，每個(gè)數(shù)量級(jí)仿真5個(gè)點(diǎn)。在Nodes tab選擇Vout_i和Vout_q為噪聲測(cè)量管腳。在Pha

18、seNoise tab中設(shè)定相位噪聲的形式，為Phase Noise spectrum，將噪聲的載頻定為318MHz，和輸出中頻一致。最終的設(shè)置結(jié)果見(jiàn)圖。HB噪聲仿真器參數(shù)設(shè)置 HB噪聲仿真器必須和HB simulation controller搭配使用，它可獨(dú)立于simulation controller很方便的進(jìn)行所有噪聲的測(cè)量，而且可以使用多個(gè)HB noise controller同時(shí)進(jìn)行不同噪聲的測(cè)量，而且在這種情況下只需一個(gè)simulation controller即可。 HB噪聲仿真器說(shuō)明 在電路圖加入HB controller，將頻率參數(shù)設(shè)置為射頻輸入頻率和本振頻率，這里注意不需

19、要設(shè)置中頻頻率，默認(rèn)的諧波階數(shù)和混頻最大階數(shù)將自動(dòng)計(jì)算電路中的所有頻率，當(dāng)然也包括中頻。然后在NoiseCons tab中選擇剛才已設(shè)定好的噪聲仿真器NC1。設(shè)置好的HB controller如圖所示。 HB controller參數(shù)設(shè)置VAR參數(shù)設(shè)置相位噪聲仿真電路圖 全部設(shè)置完成后即可進(jìn)行仿真，在數(shù)據(jù)顯示窗口中把Vout_ipnmx、Vout_qpnmx、Vout_i和Vout_q分別表示出來(lái)，我們可以看到相位噪聲在接收機(jī)輸出端的分布情況和中頻輸出信號(hào)的頻譜特性。仿真結(jié)果相位噪聲仿真結(jié)果輸出頻譜仿真結(jié)果本振輸出功率對(duì)接收機(jī)性能的影響 本節(jié)主要討論如何通過(guò)對(duì)本振輸出功率的調(diào)整來(lái)修改接收機(jī)的性

20、能。 首先要列出接收機(jī)的中頻輸出功率的測(cè)量方程，因?yàn)檩敵龅男盘?hào)是靠混頻生成的，因此需要用函數(shù)mix來(lái)定義方程，如下所示，式中的中的-1表示本振，1表示射頻輸入，結(jié)果即是中頻輸出。 因?yàn)镮/Q兩條支路性能基本一致，因此我們只仿真其中的I支路。另外我們把混頻器的PminLO設(shè)為-5，這樣將使混頻器二極管的響應(yīng)顯得更加真實(shí)。變量設(shè)置和測(cè)量方程如圖所示。中頻輸出方程和變量設(shè)置Simulation-HB元件面板 首先將混頻所需考慮的最大諧波階數(shù)Order設(shè)為8，本振的諧波階數(shù)設(shè)定為5，射頻信號(hào)仍為3，因?yàn)樗墓β时缺菊褫敵鲆偷枚?。在Sweep屬性頁(yè)中將本振功率定為變量，并將掃描范圍設(shè)定為-3010，步

21、進(jìn)為1。HB simulation controller的設(shè)置 在Freq屬性頁(yè)中，將Level Status設(shè)定為4級(jí)，這意味著仿真將得到更多的結(jié)果，包括噪聲系數(shù)和增益，其它的參數(shù)像FFT中的Oversample和Convergence設(shè)置只有對(duì)大型電路進(jìn)行仿真時(shí)才需要增加，這里使用默認(rèn)值足夠了。 在Noise屬性頁(yè)中，首先擊活Nonlinear noise（在1欄的底部），接著將噪聲頻率設(shè)置為中頻318MHz，將輸入頻率設(shè)置為變量RF_freq，并把輸入輸出管腳分別設(shè)置為1和2，注意這要和電路圖中輸入和輸出端的標(biāo)號(hào)保持一致。在2欄中，將the Node for noise parameter設(shè)置為Vout并將Include port noise in node noise