軟件無線電中的射頻電路設計方案

1、能力拓展訓練任務書學生姓名： 王旋 專業(yè)班級： 信息SY0801 指導教師： 艾青松 工作單位： 信息工程學院 題 目: 軟件無線電中的射頻電路設計方案課程設計目的：（1）安排學生進行與專業(yè)有關的綜合性設計和研究，開展專題調研、探索、研究和設計，培養(yǎng)學生綜合應用所學知識分析問題、解決問題的能力；（2）鍛煉學生查詢文獻資料、靈活運用知識、有效開展科學研究的能力；（3）提高學生的綜合素質。根據本專業(yè)需求和特點，需要在通信專業(yè)知識、實驗技能和研究能力方面進行綜合提高，使學生對專業(yè)綜合及專業(yè)前沿知識有較為全面的了解和掌握，能夠運用相關儀器和軟件進行實驗和模擬分析專業(yè)問題。課程設計內容和要求軟件無線電中

2、的射頻電路設計方案初始條件：（1）鑒主15樓“通信實驗室一”MBC-5W移動通信實驗箱，鑒主13樓THEX-1型現代通信原理與技術實驗平臺；（2）Matlab，Protel等；（3）武漢理工大學圖書館及圖書館網站上的“電子資源導航”。時間安排：1布置任務鑒主504教室05天2項目設計實踐通信實驗室一、四4天3答辯指導老師辦公室05天合 計5天指導教師簽名： 2011年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 2011年 月 日目錄摘要IABSTRACTII1軟件無線電簡介12射頻前端收發(fā)模塊12.1放大器22.2混頻器22.2.1增益32.2.2噪聲32.2.3線性范圍32.2.4失真42.2.5阻

3、抗匹配42.3振蕩器42.4振蕩器的原理52.4.1振蕩器的分類52.4.2雙端口負阻振蕩器的分析52.4.2.1 S參數分析法52.4.2.2 起振條件52.4.2.3 輸出功率62.4.3壓控振蕩器的設計72.4.4振蕩電路形式的選擇72.4.5電路的結構與分析93壓控振蕩器電路的仿真分析103.1 ADS軟件的運用103.1.1 ADS簡介103.1.2 ADS的基本結構103.2壓控振蕩器性能分析113.2.1振蕩性能113.2.2仿真分析124 總結175參考文獻18摘要軟件無線電（softwareradio）在一個開放的公共硬件平臺上利用不同可編程的軟件方法實現所需要的無線電系統(tǒng)。

4、簡稱SWR。理想的軟件無線電應當是一種全部可軟件編程的無線電，并以無線電平臺具有最大的靈活性為特征。全部可編程包括可編程射頻（RF）波段、信道接入方式和信道調制。射頻簡稱RF射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。有線電視系統(tǒng)就是采用射頻傳輸方式的。關鍵詞： 軟件無線電，可編程，射頻，高頻ABSTRACTSoftware radio ( softwareradio) in an open public hardware platform using different progr

5、ammable software method to realize the required radio system.Referred to as the SWR.The ideal software radio should be a full software programmable radio, and radio platform with maximum flexibility for the feature.All programming includes programmable radio frequency ( RF) band, channel access mode

6、 and channel modulation.RF radio frequency is referred to as RF RF current, it is a kind of high frequency electromagnetic wave of change.Changes of less than 1000 times per second is called frequency AC current, more than 10000 known as the high frequency current, and frequency is such a high frequ

7、ency current.A cable television system is the use of radio frequency transmission mode.Key words: software radio, programmable, radio frequency, high frequency1軟件無線電簡介軟件無線電是建立在一個通用的硬件平臺之上的，這個通用平臺具有模塊化、開放性、可擴展性等特點。軟件無線電的硬件平臺主要由一下幾個部分組成：模擬射頻前端、寬帶A/D和D/A、數字上下變頻器、高速數字信號處理等。2射頻前端收發(fā)模塊圖2-1是射頻前端收發(fā)電路。從圖中可以看出

8、一個典型的射頻電路分為發(fā)射和接收兩個部分。每個部分包括以下幾個模塊：開關（功率分配器）、低噪聲放大器(LNA)、混頻器(MIXER：降頻器和升頻器)、射頻濾波器和本地振蕩器，功率放大器(PA)、中頻濾波器和中頻放大器。圖2-1 射頻發(fā)射與接收電路在發(fā)送信號時，從基帶模塊送出的模擬信號，經中頻放大、混頻器中的升頻器、功率放大器(PA)，然后再通過天線發(fā)送出去。通過天線接收進來的射頻信號經濾波和低噪聲放大器(LNA)放大后，與本地振蕩器所產生的本地振蕩信號經混頻器混頻(這里是降頻器)，產生固定的中頻信號IF，然后，經放大后送到基帶部分。典型的射頻收發(fā)設備除了功耗、速度、成品率等性能要求外，還要面對

9、噪聲、線性范圍、增益等指標。分析整個射頻通信機，最重要的器件就是放大器，混頻器和振蕩器。下面詳細分析各射頻電路模塊的性能指標。 2.1放大器由圖2-1可以看出，射頻通信電路中的放大器包括接收機的低噪聲小信號放大器和發(fā)射機的射頻功率放大器。低噪聲放大器(1ow-noise amplifier，簡稱LNA)是射頻接收機前端的主要部分。它主要有四個特點：首先，它位于接收機的最前端，這就要求它的噪聲越小越好。為了抑制后面各級噪聲對系統(tǒng)的影響，還要求有一定的增益，但為了不使后面的混頻器過載，產生非線性失真，它的增益又不宜過大。其次，它所接收的信號是很微弱的，所以低噪聲放大器必定是一個小信號線性放大器，而

10、且由于受傳輸路徑的影響，信號的強弱又是變化的，在接收信號的同時又可能伴隨許多強干擾信號混入，因此要求放大器有足夠大的線性范圍，而且增益最好是可調節(jié)的。第三，低噪聲放大器一般通過傳輸線直接和天線或天線濾波器相連，放大器的輸入端必須和它們很好的匹配，以達到功率最大傳輸或最小的噪聲系數，并能保證濾波器的性能。第四，應具有一定的選頻功能，抑制帶外和鏡象頻率干擾，因此它一般是頻帶放大器。2.2混頻器 混頻器是通信機的重要組成部件。在發(fā)射機中一般用上混頻，它將已調制的中頻信號搬移到射頻段。接收機一般為下混頻，它將接收到的射頻信號搬移到中頻上。接收機的混頻器位于LNA之后，將LNA輸出的射頻信號通過與本振信

11、號相乘變換為中頻信號?；祛l器的主要性能指標如表2-1表2-1 混頻器主要性能指標舉例增益10dBNF12dBIIP3+5dBm輸入阻抗50口間隔離1020dB下面分別說明各參數的意義：2.2.1增益混頻器的增益為頻率變換增益，定義為輸出中頻信號的大小與輸入射頻信號大小之比。電壓增益Av和功率增益Gp分別定義為 （1） （2）混頻器可以分為有源混頻器和無源混頻器兩種，它們的區(qū)別就在于是否有功率增益，無源混頻器的增益小于1，稱為混頻損耗。無源混頻器常用二極管和工作在可變電阻區(qū)的場效應管構成。有源混頻器的增益大于l，它由場效應管和雙極型晶體管構成。無源混頻器的線性范圍大，速度快，而有源混頻器由于增益

12、大于1，因此，可以降低混頻以后各級噪聲對接收機總噪聲的影響。2.2.2噪聲混頻器緊跟LNA后面，屬于接收機的前端電路，它的噪聲性能對接收機的影響很大?；祛l器對射頻而言是線性網絡，可以按線性網絡的計算公式來計算它的噪聲系數，只不過將計算公式中的增益改為混頻器的頻率變換增益。對于零中頻方案的接收機，由于射頻頻率和本振頻率相等，若射頻為已調信號，它的頻譜位于載頻兩邊，則經過混頻后，它僅將信號頻帶內的噪聲搬到了零中頻的頻帶內(因為此時無鏡頻)。很明顯，此時如果假設混頻器是無噪的，則經過混頻后輸出輸入的信噪比沒有變化。對于這種信號頻譜位于本振兩側的情況，測得混頻器的噪聲系數稱為混頻器的雙邊噪聲系數(DS

13、B)。在測量時如果儀器輸出的噪聲系數是雙邊的，只要加上3dB就是單邊噪聲系數。2.2.3線性范圍混頻器對輸入RF小信號而言是線性網絡，其輸出中頻信號與輸入射頻信號的幅度成正比。但是當輸入信號幅度逐漸增大時，與線性放大器一樣，也存在著非線性失真問題。與放大器一樣，也可以用下列質量指標衡量它的線性性能。1） 1dB壓降點2） 三階互調節(jié)點3） 線性動態(tài)范圍2.2.4失真混頻功能是靠器件的非線性完成兩信號的相乘來實現的。由于器件非線性特性的高次方項，使本振與輸入信號除產生有用中頻分量外還會產生很多組合頻率，當某些組合頻率落到中頻帶寬內，就形成了對有用中頻信號的干擾。因此混頻器的失真主要表現在組合頻率

14、干擾上，這些失真一般分為以下幾種：1） 干擾哨聲2） 寄生通道干擾3） 互調失真2.2.5阻抗匹配對混頻器三個口的阻抗要求主要有兩點。一是匹配?；祛l器RF及IF口的匹配可以保證與各口相接的濾波器正常工作。LO口的匹配可以有效的向本地振蕩器汲取功率。但對FET管，由于柵極的輸入阻抗很高，匹配往往是很難做到的。二是每個口對另外兩口的信號，力求短路。這樣可以減少各口之間的干擾。2.3振蕩器制作振蕩器的有源器件可以用固態(tài)器件和電真空器件。固態(tài)器件與真空器件相比具有體積小，制作方便，耗能小，工作穩(wěn)定及成本低等特點，因此人們廣泛使用固態(tài)源。在使用的固態(tài)器件中，固態(tài)三端器件與固態(tài)二端器件相比具有效率高、噪聲

15、低、頻帶寬及易于集成等優(yōu)勢。所以固態(tài)振蕩器己逐漸向三端器件發(fā)展。振蕩器的主要技術指標是振蕩器性能質量的標志，是設計研制、質檢考核、選擇使用的依據。振蕩器被稱為各種無線通信系統(tǒng)的心臟，是雷達、電子對抗、通信和測試等無線通信系統(tǒng)廣泛應用的重要部件。高穩(wěn)定度的微波振蕩源可以提高超外差接收機的信噪比和靈敏度；對射頻通信系統(tǒng)而言，則可以提高通信質量，充分利用電磁頻譜資源；在儀表測量中微波振蕩源的好壞直接影響到測量的精度和穩(wěn)定度。就是因為以上原因，本次強化訓練設計了工作在1.8GHz2GHz和800MHz900MHz的壓控振蕩器。下面主要介紹一下振蕩器的原理與設計方法。2.4振蕩器的原理振蕩器在現代各種電

16、子系統(tǒng)中，幾乎是必不可少的重要部件。它主要用作各種中小功率調制載波信號源、收發(fā)信機中的本機振蕩源和激勵器、以及測量系統(tǒng)中的基本信號源。由于它的性能直接影響到整個系統(tǒng)的質量，因此，設計優(yōu)質的振蕩源是電子技術領域中的一個永恒的課題。2.4.1振蕩器的分類振蕩器分類方法很多，可以分別從工作頻段和帶寬、器件類型、電路結構形式、調諧方式、穩(wěn)頻方式來對其進行分類。2.4.2雙端口負阻振蕩器的分析2.4.2.1 S參數分析法根據前述內容我們知道，無論是微波雙極晶體管或場效應晶體管，都可以視為一個兩端口網絡，在適當端接下，均可以構成振蕩器。雙端口振蕩器負阻的形成可以通過器件內部基建電容的正反饋，外部電路的正反

17、饋或內外電路相結合的反饋網絡，但要求反饋的相位和幅度適當，才能產生穩(wěn)定的振蕩。因此，從反饋角度考慮，雙端口振蕩器又稱為反饋振蕩器。換句話說，無論用正反饋概念或負阻概念分析微波晶體管振蕩器，其本質都是相同的，只是負阻分析方法更漸變而已。2.4.2.2 起振條件一個雙端口負阻振蕩器示于圖2-2。它包含晶體三極管、諧振網絡和輸出網絡。晶體三極管的散射矩陣S用S11、S12、S21、S22表示。設兩個端口上連接的傳輸線特性阻抗都為Z0,線長都為零。圖2-2 雙端口振蕩器原理圖設輸入阻抗為Zin=Rin+jXin，輸入端反射系數為in，向諧振網絡看進去的阻抗為Zg=Rin+jXin,相應的反射系數為g。

18、在圖2-2中同時示出了晶體管的輸出阻抗Zout、輸出端反射系數out、負載阻抗ZL及負載反射系數L。設雙端口網絡的入射波為a1、a2，反射波為b1、b2。雙口網絡的散射參數定義為 b1=S11a1+S12a2 (3)b2=S21a1+S22a2 (4) 式中D=S11S22-S12S21。因為輸入端口接諧振回路，輸出端口接匹配網絡和負載，都是無源器件構成的網絡，故|g|和|L|都小于1，這意味著|S11|1,|S22|1。顯然欲產生振蕩，穩(wěn)定系數應小于1。如果不滿足這個條件，就應該改變公共端，或加大正反饋，使達到k1。這相當于單口負阻振蕩器的起振條件。而式（3）或（4）表示振蕩器的幅相平衡和穩(wěn)

19、定條件。2.4.2.3 輸出功率Pucel 等指出FET放大器的功率飽和特性可以用式（5）估算。 (5) 其中，G0是小信號增益，Psat是放大器的輸出飽和功率。放大器在每個輸入電平下調諧到最大有效增益GME。Kotzebue定義最大有效增益是兩端口附加增益最大的功率增益。即：用S參數的形式，表示為 其中K是穩(wěn)定系數。輸入端和輸出端的反射系數分別為： 此時，輸出功率近似為從這里，可以得出振蕩器最大輸出功率因此，最大有效增益GME為 2.4.3壓控振蕩器的設計壓控振蕩器（VCO）是電壓頻率轉換器，其瞬時頻率(t)受到環(huán)路濾波器輸出誤差電壓Ud(t)的控制，(t)= 0+Kv Ud(t)。其中Kv

20、是VCO的壓控靈敏度，它表示單位控制電壓可使VCO角頻率變化的大小。VCO是數字鎖相環(huán)路中的核心部分，鎖相振蕩源的輸出功率直接來自VCO，VCO的調頻噪聲會直接反映到振蕩器的輸出中。而輸出信號的調頻噪聲（相位噪聲）與輸出長期頻率穩(wěn)定度一并構成了鎖相頻率合成器非常關鍵的兩個技術指標。從相位的觀點看壓控振蕩器在鎖相環(huán)路中起了積分器的作用。因此，從理論和實踐上設計好壓控振蕩器是十分重要的。2.4.4振蕩電路形式的選擇一定組態(tài)下的微波晶體管可視為一個二端口網絡，在適當設計條件下均可構成振蕩器。按照振蕩器的機理分類，可分為反饋型振蕩器和負阻型振蕩器。前者利用正反饋把輸出信號的一部分以適當的相位和幅度反饋

21、至輸入端，以補充振蕩中損失的能量。后者是利用負阻器件在一定條件下對負載呈現負阻，即等效為一個源來補充能量。本質上，正反饋必定在電路中引入負阻。因此，反饋型振蕩器本質上也是一種負阻振蕩。雙口振蕩器負阻的形成可借助于器件內部極間電容的正反饋，外部電路的正反饋或內部電路相結合的反饋網絡實現。晶體管本身是三端口期間，但在平時使用時，往往使其一個端口接地而成為二端口網絡。其小信號S參數可表示為： （6） 根據微波晶體管的S參數的穩(wěn)定條件判斷依據|S11|1,|S22|1,我們可以很清楚的看出3種組態(tài)的穩(wěn)定性。但是作為振蕩器，正是需要利用晶體管的不穩(wěn)定性，才能很好的振蕩。所以我們選擇這兩個參數都大于1的結

22、構。從以上的三個組態(tài)的S參數圖中，可以明顯看出，共基組態(tài)的S(1,1),S(2,2)都大于1，也就是說不滿足三級管穩(wěn)定條件，而共射組態(tài)的S(1,1),S(2,2)均小于1三級管穩(wěn)定，不能振蕩；共集組態(tài)的S(1,1)在某個頻率范圍內大于1，但S(2,2)小于1，也不適合做振蕩電路。鑒于此，本設計選用共基電路，這樣可以在不降低諧振回路的有載Q值的情況下，保證VCO有一定的調諧寬度。對共基、共集、共射三種組態(tài)振蕩電路的研究實踐表明：共集電路盡管易于起振，但不夠穩(wěn)定，容易產生跳?，F象。相比之下共發(fā)射極電路比較難于起振，共基電極電路不僅易于起振，且頻率穩(wěn)定性好，相位噪聲性能優(yōu)越。論文中采用共基組態(tài)電路。

23、對于變容二極管調諧的VCO，確保其頻率電壓特性的線性是非常重要的。而變容二極管在低頻端調諧靈敏度Kv較大，而在高頻端Kv較小。因此頻率電壓特性曲線線性不好是變容二極管VCO的一個缺點。為了改進這一缺陷，我在電路中采用了一電容與變容二極管串聯(lián)的優(yōu)化方法。變容二極管的特性曲線如圖2-3所示。圖2-3 變容二極管特性曲線從圖中可看出頻率低端的調諧線性較差。如果取一適當數值的電容Cg與變容管串聯(lián)，則總電容Cj表示為： (7)式（7）可改寫成：Cj=Cg/(1+Cg/Cj)只要選取合適的Cg值，則該電容的串入對V中左邊的曲線（AB段），特別是對Vmin附近Cj的影響比V中右邊曲線（AC段）大得多。圖中虛

24、線部分即表示串入電容Cg修正后的特性曲線。這一措施使低頻端的調諧線性得到了很大的改善。該Cg值的大小可借助于計算機分析粗值，在實際應用中，采用可變電容，通過實驗調整達到最佳值。2.4.5電路的結構與分析依照上述設計思想，在ADS軟件中首先設計出如圖2-4所示的1.8GHz到2Ghz壓控振蕩器電路圖。其中：AT41411晶體管;MV1404 為變容二極管;Vtune為控制電壓。微波晶體管偏置電路的設計如同振蕩器射頻電路設計一樣重要。因為它關系到微波振蕩器的穩(wěn)定性、相位噪聲、功率及效率的高低，所以必須認真慎重地設計偏置電路，并選擇最佳直流工作點，以達到較好的射頻性能。圖2-4 1.8GHz到2Gh

25、z壓控振蕩器電路圖本振蕩器通過改變Vtune的值來控制變容二級管mv1404的電容值，以達到該VCO在1.8GHz到2Ghz振蕩的目的。下面利用ADS軟件對本振蕩器進行性能分析。3壓控振蕩器電路的仿真分析3.1 ADS軟件的運用3.1.1 ADS簡介ADS(Advanced Design System)軟件即高級設計系統(tǒng)軟件是惠普公司提供的從電路、電磁仿真到數字信號處理分析以及物理設計等全方位的通信系統(tǒng)設計的EDA軟件包。它包括：1) 通信系統(tǒng)設計軟件可以進行射頻系統(tǒng)仿真，信號處理仿真，系統(tǒng)設計，并包含信號處理矩陣模型，射頻系統(tǒng)模型，天線與傳輸系統(tǒng)模型和數字I/P集成組件。2) DSP軟件：包

26、括適應波形比較器，VHDL或Verilog模型編碼發(fā)生器。VHDL或Verilog仿真器和DSP綜合器。設計環(huán)境和數據可在DSP設計軟件包中顯示。3) RFIC設計軟件：可以對電路在時域、頻域及時域混合域進行諧波平衡、電路包絡、高頻SPICE、線性和卷積等五種仿真。4) 微波電路設計軟件：可以進行線性仿真，諧波平衡仿真，統(tǒng)計設計和電路版圖設計。軟件還帶有射頻系統(tǒng)模型，模擬模型，開發(fā)組件，微波晶體管以及二極管庫。5) 射頻印刷板設計軟件：可以進行線性諧波平衡和電路包絡仿真，統(tǒng)計設計和版圖設計。同時也包含有源電路模型庫，多層交叉模型，系統(tǒng)模型庫，射頻晶體管庫和有源表面封裝（SMT）庫。本課題壓控振

27、蕩器的設計主要用到微波電路設計軟件。3.1.2 ADS的基本結構ADS的基本文件結構如圖3-1所示。networkProjectsynthesisverificationmom dsndata圖3-1 ADS文件結構DRC dataDSP synthesis designschematic layoutmomentum data simulation data Project: ADS為每個設計系統(tǒng)都定義為一個工程。 Mom_dsn:電路進行分析后，所得到的結果保存在這一子目錄下。 Networks:所有的電路原理圖和版圖都保存在這一子目錄下。 Synthesis: DSP合成。 Verfic

28、ation:對版圖進行設計規(guī)則檢查后的結果都保存在這一子目錄下。3.2壓控振蕩器性能分析 考慮到現在射頻電路的發(fā)展趨勢以及實驗室現有硬件條件，本強化訓練設計了振蕩頻率在1.8GHz2Ghz，并且對每一個振蕩器進行性能分析時分兩步進行。第一步，對壓控振蕩器是否能夠振蕩進行仿真檢驗。第二步，對壓控振蕩器的具體性能參數進行仿真分析。 3.2.1振蕩性能在檢驗振蕩器是否振蕩的環(huán)節(jié)，我們必須引入“OscTest”元件，該元件的主要功能之一就是測試設計的壓控振蕩器是否能夠振蕩。這一功能主要是通過它對振蕩器系統(tǒng)的環(huán)增益及反射系數S(1,1)相位的測量來得到的。 下圖是“OscTest”(Grounded O

29、scillator Test)元件，在ADS庫中的模型。該元件是一個S參數仿真控制器，由于它是用諧振腔連續(xù)插入設計成的，所以在進行仿真時無需其它任何控制器或端口器件。其具體參數設置如圖3-2中所示，即Port_Number（端口數）=1，Z（元件內電阻）=1.1Ohm, Start（開始頻率）=0.5GHz,圖3-2 “OscTest”元件模型Stop（終止頻率）=4GHz,Points(頻率點的數目)=200。其中，端口數、元件內電阻及頻率點的數目都是根據需要取默認值。根據晶體管特性，我們把頻率設定為0.5G4GHz。 在壓控振蕩器的電路圖中加入“OscTest”元件，并為適應仿真的需要將電

30、路稍作改進，得到如圖3-3所示的仿真電路。圖3-3加入“OscTest”元件的仿真電路 3.2.2仿真分析 由以上分析，可以證明本振蕩器可以振蕩。接下來是分析整個振蕩電路在大信號領域中的性能參數。這時需用得晶體管模型都是大信號模型：pb_hp_AT41411_。對壓控振蕩器的性能參數進行仿真分析時，需從ADS得元件庫中調用兩個重要的仿真元件，即如圖3-4所示的“OscPort” （Grounded Oscillator Port）元件模型與圖3-5“HB”（Harmonic Balance）元件模型，這兩個元件一般是要匹配使用的。 圖3-4“OscPort” 元件模型 圖3-5 “HB”元件模

31、型 此次仿真的主要是大信號穩(wěn)態(tài)時壓控振蕩器振蕩的情形。圖3-6是第一步仿真后壓控振蕩器輸出信號的頻譜。由從圖中譜線的標示，可以得到在1.8GHz的目標頻率上其輸出振蕩器可以起振且輸出電壓為7.318 dBm左右。 圖3-6 輸出信號的頻譜圖圖3-7 在時間域輸出電壓的波形圖3-7是電壓輸出波形在時間域上的變化曲線。以上是對壓控振蕩器大信號特性的分析，下面利用HB的掃頻特性，詳細介紹通過變換加在變容二級管上的電壓，來改變整個振蕩器振蕩頻率的過程。圖3-8 掃頻特性中的HB設置 為了測試設計的壓控振蕩器其頻率與電壓控制的關系，這里繼續(xù)引入變量Vtune,現在修改大信號仿真電路圖，將SRC1的電壓設置為可變電壓，其變量即為Vtune，修改HB參數如圖3-8。然后利用HB對Vtune進行掃描，來看調協(xié)電壓對輸出頻率得影響。圖3-9是掃頻特性分析時的仿