0 引 言
        近年來(lái),，隨著無(wú)線通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展,，通信頻段已經(jīng)越來(lái)越擁擠。1985年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)授權(quán)普通用戶可以使用902 MHz,，2．4 GHz和5．8 GHz三個(gè)“工業(yè),、科技、醫(yī)學(xué)”(ISM)頻段,。ISM頻段為無(wú)線通信設(shè)備提供了無(wú)需申請(qǐng)?jiān)诘桶l(fā)射功率下就能直接使用的產(chǎn)品頻段,，極大地推動(dòng)了無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。雖然目前無(wú)線數(shù)字通信技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,，但射頻設(shè)計(jì)仍然是移動(dòng)通信設(shè)計(jì)的瓶頸,。射頻電路的設(shè)計(jì)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(jìn)行。ISM頻段的射頻電路的研究對(duì)未來(lái)無(wú)線通信的發(fā)展具有重大的意義,。國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn)都對(duì)此作了研究,，文獻(xiàn)[2]中介紹了在無(wú)線高速數(shù)據(jù)通信環(huán)境下，2．4 GHz發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì),。文獻(xiàn)[3]介紹了一種低功耗的CMOS集成發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì),。
ADS(Advanced Design System)軟件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善的大型綜合設(shè)計(jì)軟件。它功能強(qiáng)大能夠提供各種射頻微波電路的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于通信航天等領(lǐng)域,。本文主要介紹了如何使用ADS設(shè)計(jì)收發(fā)系統(tǒng)的射頻前端,，并在ADS的模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行一些仿真。


1. 發(fā)射端的建模與仿真
        由于設(shè)計(jì)是建立在實(shí)驗(yàn)室中已有的中頻調(diào)制和解調(diào)的硬件基礎(chǔ)上的,，因此發(fā)射端和接收端不考慮信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)過(guò)程,。實(shí)驗(yàn)室中的中頻調(diào)制模塊可以輸出大概8～10 dBm的40 MHz已調(diào)中頻信號(hào),，經(jīng)過(guò)分析選擇，該發(fā)射端的各個(gè)模塊均參考MAXlM公司的集成模塊的參數(shù)而設(shè)計(jì),。本地振蕩器采用的是MAX2700,。MAX2700是壓控振蕩器，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的外圍電路可以使它輸出2．4 GHz的信號(hào),?；祛l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(fā)射端所用到的濾波器可以使用ADS軟件中的濾波器設(shè)計(jì)工具進(jìn)行設(shè)計(jì),。由于實(shí)際的濾波器的插入損耗大概為1～2 dB，該設(shè)計(jì)中取濾波器的插入損耗均為1 dB,。通過(guò)在ADS軟件中的模擬電路設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行建模,。
在該發(fā)射端模型中，中頻信號(hào)為40 MHz,，-10 dBm大小的信號(hào),。在ADS的模擬設(shè)計(jì)環(huán)境下，對(duì)該發(fā)射端進(jìn)行設(shè)計(jì)并作預(yù)算仿真,，該仿真主要是為了測(cè)量各個(gè)模塊的增益,、噪聲系數(shù)、三階互調(diào)截點(diǎn)等,。該仿真過(guò)程如圖1所示,。

        從表1仿真結(jié)果中可以看出，整個(gè)發(fā)射端的總增益為17．783 dB,。輸入的中頻信號(hào)為-10 dBm,，

2.  接收端的建模與仿真

        接收端在設(shè)計(jì)中要考慮增益、噪聲系數(shù),、靈敏度等因素,，比發(fā)射端的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。由于接收端包含很多有源器件,，有源器件的非線性對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大的影響,，比如當(dāng)只輸入一個(gè)信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)增益壓縮，當(dāng)輸入兩個(gè)以上的信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)互相調(diào)制等,。在本設(shè)計(jì)中,，中頻解調(diào)模塊大概也需要8～10 dBm的信號(hào)大小,，經(jīng)過(guò)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(shù)為1．5 dB,?；祛l器采用的是MAX2682，MAX2682的增益為7．9 dB,，噪聲系數(shù)為13．4 dB,，本地振蕩器與發(fā)送端的相同。使用ADS對(duì)接收端進(jìn)行建模,，如圖2所示,。

        由于各個(gè)模塊的參數(shù)均為已知，通過(guò)計(jì)算可以得出系統(tǒng)總的噪聲系數(shù),，三階互調(diào)截點(diǎn)等,。
        噪聲系數(shù)定義為系統(tǒng)輸入信噪功率比(SNR)i=Pi／N，與輸出信噪功率比(SNR)o=Po／No的比值,，常用F表示,。噪聲系數(shù)表征了信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲造成信噪比惡化的程度,。噪聲系數(shù)常用NF(單位為dB)表示,。根據(jù)噪聲系數(shù)的級(jí)聯(lián)式：

        可以計(jì)算出系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)，系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)就是從圖3中的低噪聲放大器向輸出端方向看過(guò)去,，所表現(xiàn)出的噪聲系數(shù),，也可以理解為當(dāng)接收信號(hào)由低噪聲放大器傳輸?shù)捷敵龆耍邮斩藢?duì)信噪比的惡化程度,。利用公式(1)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到系統(tǒng)的噪聲系數(shù)F＝2．582 dB,，NF＝4．12 dB。
        三階截點(diǎn)IP3定義為三階互調(diào)功率達(dá)到和基波功率相等的點(diǎn),，此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入功率表示為IIP3,，此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸出功率表示為OIP3。根據(jù)三階互調(diào)截點(diǎn)的級(jí)聯(lián)式：

        可得,，系統(tǒng)總的IIP3＝－9．75 dBm,。同樣在模擬設(shè)計(jì)環(huán)境下，對(duì)接收端進(jìn)行預(yù)算仿真,，仿真結(jié)果如表2所示,。

        從表2的仿真結(jié)果可以看出整個(gè)接收端的增益為17．205 dB，假設(shè)接收天線接收到的信號(hào)為－30 dBm,，則接收到的中頻信號(hào)大小為－12．795 dBm,。中頻信號(hào)的仿真值略低于中頻接收端所需要的信號(hào)大小，這可以用驅(qū)動(dòng)放大器來(lái)增加信號(hào)的大小。另外由仿真結(jié)果可以看出接收端總的噪聲系數(shù)為4．151 dB,，而計(jì)算出的結(jié)果為4．12 dB,。仿真的接收端的三階輸入截點(diǎn)為－10．124 dBm，而計(jì)算出的為－9．75 dBm,。以上結(jié)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(jī)的一個(gè)很重要指標(biāo)是靈敏度,，它定義為：在給定的信噪比的條件下,，接收機(jī)所能檢測(cè)的最低輸入信號(hào)電平。靈敏度與所要求的輸出信號(hào)質(zhì)量即輸出信噪比有關(guān),，還與接收機(jī)本身的噪聲大小有關(guān),。接收機(jī)的靈敏度可由下式計(jì)算得出：

        假設(shè)接收機(jī)輸入端滿足共軛匹配，由源內(nèi)阻Rs產(chǎn)生的噪聲輸送給接收機(jī)的噪聲功率為其額定輸出,，即：

        假設(shè)Ta=290 K,，則NRS=-174 dBm／Hz。所以靈敏度可表示為：

        在本設(shè)計(jì)中,，NF=4．12 dB,，B=6 MHz，當(dāng)(SNR)0,min=10 dB時(shí),，由式(5)計(jì)算可得：pin,min=92．08 dBm,。接收機(jī)所接收的信號(hào)強(qiáng)弱是變化的，通信系統(tǒng)的有效性取決于它的動(dòng)態(tài)范圍,，即高性能的工作所能承受的信號(hào)變化范圍,。動(dòng)態(tài)范圍的下限是靈敏度，上限由最大可接受的信號(hào)失真決定,。在本設(shè)計(jì)中考慮的是低噪聲放大器的輸入端的動(dòng)態(tài)范圍,。動(dòng)態(tài)范圍可由式(6)得到：

        利用式(6)計(jì)算可得：DRf=51．58 dB。
        利用ADS軟件對(duì)接收端進(jìn)行S參數(shù)仿真,，該仿真可以用于測(cè)量各個(gè)器件的S參數(shù)等,。在本仿真中，可以看成是當(dāng)2～3 GHz,，以1 MHz為步長(zhǎng)的各個(gè)頻率分量通過(guò)該接收端時(shí),，接收端對(duì)各個(gè)頻率分量的增益或衰減大小的仿真。仿真模型及仿真結(jié)果如圖3,，圖4所示,。

        從圖4可以看到接收到的有用射頻信號(hào)和該信號(hào)所對(duì)應(yīng)的鏡像頻率信號(hào)的大小。由于在混頻器前有抑制鏡像頻率信號(hào)的帶通濾波器,，所以鏡像頻率信號(hào)與有用射頻信號(hào)相比非常小,。如果沒(méi)有混頻器前的濾波器則會(huì)出現(xiàn)圖4(b)的仿真結(jié)果,。鏡像頻率信號(hào)與混頻器混頻后會(huì)得到與中頻信號(hào)頻率相同的干擾信號(hào)，這一干擾信號(hào)無(wú)法通過(guò)濾波器移除,，這樣就會(huì)形成對(duì)有用信號(hào)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(duì)抑制鏡像干擾非常重要,。

        利用ADS軟件對(duì)接收端進(jìn)行大信號(hào)s參數(shù)仿真,，用此工具對(duì)接收端進(jìn)行仿真主要是為了測(cè)試接收端的1 dB增益壓縮點(diǎn)P1db仿真的結(jié)果如圖5所示,。

        由仿真結(jié)果可以看出當(dāng)輸入的信號(hào)功率為-19．45 dBm時(shí),，接收端的總增益壓縮1 dB。將發(fā)射端與接收端連接起來(lái),，并加入發(fā)射天線和接收天線,，就可以構(gòu)成整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的射頻前端模型。然后對(duì)整個(gè)射頻前端進(jìn)行了諧波平衡仿真,，仿真的原理圖如圖6所示,，仿真結(jié)果如圖7所示。

        由于信號(hào)頻率很高,，如果通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射到自由空間中,，經(jīng)過(guò)傳輸會(huì)產(chǎn)生巨大的損耗，該損耗可由式(7)算出：

        假設(shè)傳輸?shù)木嚯x為d=1 m,，則Lf△40 dB,。實(shí)際的傳輸路徑并不是自由空間，而是比自由空間更為復(fù)雜的通信環(huán)境,，在無(wú)線通信的損耗預(yù)測(cè)中,，可以用Okumura或是Egli模型進(jìn)行估計(jì)。在仿真中設(shè)置接收天線的增益為10 dB,，以使接收到的信號(hào)達(dá)到中頻解調(diào)的要求,。由上面的仿真結(jié)果可以看出信號(hào)通過(guò)整個(gè)射頻前端時(shí)的信號(hào)頻率和大小的變化，設(shè)計(jì)的射頻前端可以滿足無(wú)線通信的要求,。

3. 結(jié) 語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)實(shí)際的集成射頻模塊的選擇,，以及利用ADS對(duì)射頻前端的仿真，可以得到系統(tǒng)的一些重要性能指標(biāo),，通過(guò)對(duì)這些性能指標(biāo)進(jìn)行分析,，可以得出設(shè)計(jì)的射頻收發(fā)端是可行的，可以滿足實(shí)際無(wú)線通信環(huán)境對(duì)射頻系統(tǒng)的要求,。另外,，為了能夠在實(shí)際的應(yīng)用中使收發(fā)前端實(shí)現(xiàn)最佳的性能，設(shè)計(jì)可以對(duì)噪聲與非線性的影響作進(jìn)一步的分析,，通過(guò)分析可以選用更合適的射頻模塊或?qū)﹄娐愤M(jìn)行一些改進(jìn),，以滿足特殊的信道對(duì)射頻前端的要求,。