1、實(shí)驗(yàn) ：ADS系統(tǒng)級(jí)仿真,本實(shí)驗(yàn)將介紹如何使用行為級(jí)的功能模塊實(shí)現(xiàn)收發(fā)信機(jī)的系統(tǒng)級(jí)仿真。,實(shí)驗(yàn)?zāi)康?使用諸如濾波器、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)。,進(jìn)行仿真的收發(fā)信機(jī)方案,零中頻接收機(jī)方案 外差式接收機(jī)方案 外差式發(fā)射機(jī)方案,一、零中頻接收機(jī)仿真1. 仿真原理圖,2. 射頻前端參數(shù)設(shè)置,最前端的微波帶通濾波器采用4階切比雪夫通帶濾波器，中心頻率為2140MHz，3dB帶寬為80MHz，止帶寬為400MHz，期望能夠得到-25dB的帶外衰減。另外，通帶波紋為0.1dB，插入

2、損耗為-1dB。 LNA的增益為21dB，噪聲系數(shù)為2dB,故我們將所選的Amplifier設(shè)置為S21=dbpolar(21,180)，NF=2dB。,射頻前端仿真模塊圖,3. 混頻部分參數(shù)設(shè)置,下變頻部分的混頻器選用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。將混頻器的邊帶設(shè)為L(zhǎng)OWER，增益為10dB，NF為13dB。 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)和輸入信號(hào)頻率一致，這里設(shè)為變

3、量LO_freq，可以用VAR很方便的進(jìn)行賦值，輸出電壓設(shè)為1V。 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。,混頻部分各仿真模塊圖,4. 模擬基帶部分參數(shù)設(shè)置,接下來(lái)的模擬基帶部分分兩條支路，每條都由一個(gè)信道選擇低通濾波器和基帶放大器級(jí)聯(lián)而成。信道選擇濾波器采用5階切比雪夫低通濾波器，通帶波紋為0.01dB，-3dB頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)為1.92MHz，止帶截點(diǎn)頻率為5MHz，期望得到36dB的鄰道衰減?；鶐Х糯笃鞯脑鲆?/p>

4、在066dB之間可調(diào)，所以也設(shè)為變量G5，NF為15 dB。最后在基帶輸出端加入端口Term2和Term3。,模擬基帶部分仿真模塊圖,5. 接收機(jī)頻帶選擇性仿真,我們使用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 Controller設(shè)置為從1GHz到3GHz以10MHz為步進(jìn)進(jìn)行仿真。,接收機(jī)的頻帶選擇性仿真結(jié)果（1）,接收機(jī)在頻帶選擇濾波器的中心頻率擁有20dB的最大增益，也就是LNA的增益減去微波帶通濾波器的插入損耗。在偏離中心頻率70MHz處可得到25dB左右的衰減。,接收機(jī)的頻帶選擇性仿真結(jié)果（2）,接收機(jī)射頻前端

5、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，而且通帶內(nèi)的波動(dòng)不超過(guò)0.125dB。,6. 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)，我們接下來(lái)進(jìn)行信道選擇性的仿真。仿真的電路圖就是整個(gè)系統(tǒng)的原理圖。,信道選擇性仿真中的S_parameter Simulation Controller設(shè)置,需要注意的是要對(duì)S_parameter Simulation Controller的Parameters欄進(jìn)行設(shè)置，啟動(dòng)AC frequency conversion，并將S-parameter freq.conv

6、.port設(shè)為1端口。,信號(hào)源和VAR設(shè)置,我們以一個(gè)交流功率源模擬從射頻輸入端的天線雙工器輸出的接收信號(hào)，輸入功率和信號(hào)頻率在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VGA定為最大增益66dB。,接收機(jī)信道選擇性仿真結(jié)果（1）,接收機(jī)信道選擇性仿真結(jié)果（2）,從圖中可以看到，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49.4dB，優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)；通頻帶寬為3MHz，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0.15dB。,7. 接收機(jī)系統(tǒng)預(yù)算增益仿真,通過(guò)這個(gè)

7、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，混頻器的非先性特征是已知的，所以我們就用交流分析來(lái)進(jìn)行仿真。,接收機(jī)系統(tǒng)預(yù)算增益仿真參數(shù)設(shè)置,頻率欄設(shè)為Single point，頻率為2.14GHz，Parameters欄中的Enable AC frequency conversion和Perform budget dimulation都要激活。,(1) AC Simulation Controller,兩次仿真的VAR設(shè)置,仿真會(huì)在接收機(jī)總增益最大和最小兩種

8、情況下進(jìn)行以得到較為全面的分析結(jié)果。當(dāng)VGA增益為最大值66dB時(shí)，信號(hào)源的功率電平為接收機(jī)的靈敏度-108dBm（已考慮了天線雙工器的損耗），反之，當(dāng)VGA的增益最小時(shí)，信號(hào)源應(yīng)輸入接收機(jī)所能接收的最大功率。這些參數(shù)的變化都要在VAR中反映出來(lái)。,預(yù)算增益方程,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。這項(xiàng)內(nèi)容可以在仿真的下拉菜單中找到，選擇好輸入端RF_source和輸出端Term2（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,BudGain componen

9、t設(shè)置,最后我們從Simulation-AC palette中選出BudGain component，將其設(shè)置為如圖即可。請(qǐng)注意“，”的個(gè)數(shù)。,進(jìn)行預(yù)算增益仿真,進(jìn)行仿真后我們將Y軸設(shè)為BudGain，但圖中并沒(méi)有任何曲線生成，而如果在Y軸的BudGain后鍵入0后，增益預(yù)算曲線就出現(xiàn)了，這是因?yàn)轭A(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。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。,預(yù)算增益仿真結(jié)果（1）,預(yù)算增益仿真結(jié)果（2）,我們也可以把結(jié)果用表格的形式表示出來(lái)。

10、,8. 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，HB Simulation），我們?cè)诮邮諜C(jī)輸入端插入一個(gè)載頻為2140MHz，電平為-40dBm的交流信號(hào)作為信源，同樣的，本地振蕩器也使用交流功率信號(hào)源。另外需要對(duì)輸入、輸出端進(jìn)行編輯，分別命名為Vin、Vout_i和Vout_q。,HB controller參數(shù)設(shè)定,然后插入HB controller，如圖進(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中的

11、頻率變量必須和原理圖中的信源頻率相一致，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源。所以這里必須是本振頻率，Order指的是諧波個(gè)數(shù)。,射頻輸入信號(hào)和基帶輸出信號(hào)的頻譜曲線,仿真結(jié)果顯示在圖中，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的載頻被搬移到了零中頻，并且I/Q兩路基帶信號(hào)都得到了大約62dB左右的增益。,9. 接收機(jī)傳輸信號(hào)的瞬態(tài)分析,瞬態(tài)仿真參數(shù)設(shè)置 在電路圖中插入Transient simulation controller，然后進(jìn)行設(shè)置。將仿真時(shí)間StopTime定為1000nsec，仿真的步進(jìn)MaxTimeStep設(shè)為1nse

12、c，這樣的步進(jìn)足夠小了。另外，我們?cè)谳斎攵溯斎胍粋€(gè)CDMA下行鏈路信號(hào)，輸入功率為-32dBm，載頻為2140MHz，將本振輸出功率定為-20dBm。這些參數(shù)均可以很方便的在VAR中進(jìn)行設(shè)置。,輸入輸出信號(hào)的時(shí)域特性,仿真后在數(shù)據(jù)顯示窗口中我們打開(kāi)輸入信號(hào)和兩支路輸出信號(hào)的時(shí)域圖象，輸入的CDMA信號(hào)是以2140MHz為載頻的幅度隨機(jī)變化的信號(hào)；輸出信號(hào)明顯已處于零中頻，而且可以看出，I支路信號(hào)與輸入信號(hào)同相，Q支路信號(hào)則與之有一定的相位差。,時(shí)域特性轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域特性,接下來(lái)，我們把時(shí)域特性曲線轉(zhuǎn)換到頻域。選擇Trace Options，然后將Trace Expression設(shè)定為：dbm(fs

13、()，這里使用了函數(shù)fs( )，即傅立葉變換，并將數(shù)據(jù)用dbm表示，另外，將Trace Type設(shè)置為Spectral，圖象如下所示。與前面用諧波平衡進(jìn)行的頻域分析所得的圖象相比，基帶輸出的信號(hào)電平相差有1dB左右，畢竟這里的圖象是通過(guò)有限的時(shí)域信號(hào)特性轉(zhuǎn)換而來(lái)的，如果瞬態(tài)仿真的時(shí)間越長(zhǎng)，得到的信號(hào)時(shí)域特征越多，則傅立葉變換后得到的圖象與頻域分析的結(jié)果就越接近。,傅立葉變換后的頻域圖形曲線,二、外差式接收機(jī)仿真電路原理圖 1. 仿真原理圖,電路原理圖說(shuō)明,先簡(jiǎn)單介紹接收機(jī)仿真所用的電路原理圖，整個(gè)方案結(jié)構(gòu)和零差式基本相同，區(qū)別在于輸出信號(hào)不再是零頻的基帶信號(hào)，而是中頻信號(hào)，這里我選擇中頻為31

14、8MHz。相應(yīng)的本振頻率要改為1822MHz；仍通過(guò)下變頻部分將信號(hào)分為I/Q兩路，混頻器后面不再是基帶處理而是中頻處理部分，而是采用切比雪夫5階帶通濾波器進(jìn)行信道選擇，具體參數(shù)見(jiàn)圖；簡(jiǎn)單起見(jiàn)中頻放大器設(shè)置和零中頻方案保持一致。,2. 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。,OSCwPhNoise的參數(shù)設(shè)置,為進(jìn)行相位噪聲仿真需要專(zhuān)門(mén)的本振源，在Source-Fred Domain palette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

15、、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。,HB噪聲仿真器參數(shù)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PhaseNoise 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

16、見(jiàn)圖。,對(duì)HB噪聲仿真器的說(shuō)明,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 controller參數(shù)設(shè)置,最后加入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)

17、定好的噪聲仿真器NC1。設(shè)置好的HB controller如圖所示。,VAR變量設(shè)置,仿真結(jié)果,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_iphmx、Vout_qphmx、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。,中頻輸出信號(hào)的頻譜特性,3. 本振輸出功率對(duì)接收機(jī)性能的影響,這一節(jié)，我將討論如何通過(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。,

18、變量設(shè)置和中頻輸出功率方程,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)量方程表示在圖中。,HB simulation controller的設(shè)置（1）,首先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欄中將本振功率定為變量，并將掃描范圍設(shè)定為-3010dB。,HB simulation controller的設(shè)置（2）,在Params欄中，將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

19、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。,HB simulation controller的設(shè)置（3）,然后是Noise1和2欄，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 volt

20、ages選項(xiàng)勾掉，因?yàn)榛祛l器的噪聲系數(shù)不需要用到端口噪聲。另外在solver欄中選定Use Krylov solver就完成了全部參數(shù)的設(shè)定，其它參數(shù)使用默認(rèn)即可。,HB simulation controller的設(shè)置（4）,仿真狀態(tài)窗口中的仿真結(jié)果,檢查好電路圖無(wú)誤后進(jìn)行仿真，在仿真狀態(tài)窗口中，LO輸出功率的每一點(diǎn)掃描都會(huì)有相應(yīng)的仿真結(jié)果寫(xiě)入窗口之中，我們可以看到每一點(diǎn)的噪聲系數(shù)和變頻增益仿真結(jié)果。,中頻輸出功率隨本振輸出功率的變化,我們來(lái)看一下最終的仿真結(jié)果，首先是中頻輸出隨本振功率的變化，如圖，輸出功率電平開(kāi)始隨本振輸出功率的增加逐漸增大，當(dāng)本振功率大于0dBm之后，輸出功率逐漸穩(wěn)定在

21、22dB左右。,整機(jī)增益隨本振功率的變化（1）,我們想得到整機(jī)增益隨本振功率的變化曲線，因?yàn)楸菊裨鲆娌⒎欠抡嬷苯涌傻玫降慕Y(jié)果，故要建立方程,可以直接運(yùn)用仿真數(shù)據(jù)顯示窗口中的方程編輯模塊完成此項(xiàng)操作，如下所示：,整機(jī)增益隨本振功率的變化（2）,這里將整機(jī)增益分別用表格和圖象的形式表示出來(lái) 。,整機(jī)增益隨本振功率的變化（3）,結(jié)果與輸出功率是相一致的，也是必須有足夠的本振功率輸出才能使增益達(dá)到穩(wěn)定的最大值。,接收機(jī)的噪聲系數(shù)隨本振輸出功率的變化（1）,由圖得，接收機(jī)的噪聲系數(shù)是隨本振信號(hào)增大遞減的，本振輸出達(dá)到0dBm以上時(shí)，它才會(huì)逐漸穩(wěn)定在最小值，使接收機(jī)的噪聲性能達(dá)到最優(yōu)。,結(jié)論,由這次仿真可

22、知，要使系統(tǒng)達(dá)到所需的性能指標(biāo)，足夠的本振功率輸出是必須的，但收發(fā)機(jī)的低功耗是其性能中不可忽視的一個(gè)重要方面，這也是在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中需要解決的問(wèn)題。,三、發(fā)射機(jī)預(yù)算增益仿真,1. 發(fā)射機(jī)仿真電路原理圖,仿真電路圖說(shuō)明,這里發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)方案將調(diào)制和上變頻分開(kāi)，先在較低的中頻(10.7MHz)上調(diào)制，原理圖中就以調(diào)制器的輸出為發(fā)射機(jī)射頻前端的輸入，然后經(jīng)中頻放大器放大（增益為5dB）再將其上變頻搬移到發(fā)射的載頻（1950MHz）上。 二次上變頻后必須再通過(guò)一個(gè)帶通濾波器濾除其中的一個(gè)不必要的邊帶，然后經(jīng)功放放大到發(fā)射機(jī)需要的發(fā)射功率電平上，最后經(jīng)過(guò)一個(gè)帶通濾波器濾波后發(fā)射。 這里所用的兩個(gè)帶通濾波器一個(gè)設(shè)定為4階切比雪夫帶通濾波器，一個(gè)設(shè)定5階的，插入損耗分別為-1dB和-2dB。 上變頻器的變頻損耗為-6dB，另外我們?nèi)≌袷幤鬏敵龉β蕿?13dB，本振頻率為1960.7MHz。輸入為1.5dBm的交流信號(hào)。所有器件的參數(shù)說(shuō)明在原理圖中都有描述。,發(fā)射機(jī)的的預(yù)算增益仿真,下面進(jìn)行發(fā)射機(jī)的的預(yù)算增益仿真，因?yàn)榫唧w