射頻接收前端的ADS設(shè)計與仿真

賈鋒，楊瑞民

解放軍電子工程學(xué)院，合肥230037

1 引言

隨著無線通信和自動識別技術(shù)的不斷發(fā)展，射頻識別（RFID）技術(shù)近年來得到廣泛應(yīng)用，因此對射頻信號分析測試的需求日益增長。在RF信號的研究與測試中，射頻信號分析儀應(yīng)用也越來越多。射頻接收前端作為射頻信號分析儀的重要組成部分，對整個接收系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的作用，其主要功能是將接收到的高頻信號轉(zhuǎn)換成中頻信號[1]。超高頻（UHF）的860～960MHz頻段在識別距離等方面的優(yōu)勢，使其成為最受歡迎的射頻應(yīng)用頻段，射頻信號分析儀性能的提升對其射頻接收前端提出了更高的要求。同時，860～960MHz頻段的射頻信號分析儀的研制也可以作為全波段信號分析儀的研制的基礎(chǔ)。

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)計軟件[2]。本文主要使用ADS軟件對射頻信號分析儀接收前端進行建模仿真，測量并仿真了接收系統(tǒng)的增益、噪聲系數(shù)、靈敏度、動態(tài)范圍等參數(shù)。

2 射頻接收前端整體設(shè)計與仿真

2.1 射頻接收前端結(jié)構(gòu)的選擇

射頻接收前端是接收機的重要組成部分，也是接收機中最復(fù)雜的部分之一。射頻接收前端的用途就是把期望信號從干擾和噪聲中分離出來，從而進行進一步的處理。射頻接收前端的結(jié)構(gòu)直接決定了接收機的性能和用途[3]。常用的接收前端主要的拓撲結(jié)構(gòu)有零中頻結(jié)構(gòu)、低中頻結(jié)構(gòu)和超外差結(jié)構(gòu)三種[4]。零中頻結(jié)構(gòu)消除了鏡像信號干擾問題，但其直流失調(diào)問題使其不能用于復(fù)雜的通信系統(tǒng)；低中頻結(jié)構(gòu)對寄生的直流偏差和本振泄漏不敏感，但該體系結(jié)構(gòu)的一個缺點是它的鏡像干擾抑制功能有限，另外還需要有良好相位噪聲的可變高頻本振，這也為合成器的設(shè)計增加了難度；超外差式結(jié)構(gòu)由A rm strong于1917年提出，是應(yīng)用最廣泛的一種拓撲結(jié)構(gòu)[5]，超外差式結(jié)構(gòu)的主要問題是鏡像信號的抑制和相鄰信道的干擾，通過采用多級超外差式結(jié)構(gòu)和外接的高Q值與大階數(shù)濾波器可以很好地解決以上問題[6]。

由于超外差式結(jié)構(gòu)通過適當(dāng)?shù)剡x擇中頻和濾波器可以獲得精確的選擇性和靈敏度，所以它是最穩(wěn)定、可靠的接收前端結(jié)構(gòu)[7]。綜合考慮了接收前端零中頻結(jié)構(gòu)、低中頻結(jié)構(gòu)和超外差結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，決定采用多次變頻的超外差結(jié)構(gòu)。

2.2 設(shè)計方案與主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

射頻接收前端主要包括五大模塊：濾波器、混頻器、低噪聲放大器（LNA）、自動增益控制（AGC）和本地振蕩器。本設(shè)計采用超外差二次變頻接收結(jié)構(gòu)，首先將接收到的射頻（RF）信號下變頻到410.7MHz的高頻信號，然后將高頻信號下變頻到10.7 MHz的中頻信號，抑制干擾并實現(xiàn)大動態(tài)范圍的自動增益控制（AGC），經(jīng)處理后送至后續(xù)模塊處理。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示。

射頻接收前端電路對整個接收的性能至關(guān)重要，考慮系統(tǒng)所要達到的性能，提出射頻接收前端的主要技術(shù)指標(biāo)如下所示。

（1）頻率接收范圍：860～960MHz；

（2）靈敏度：≥-90 dBm；

（3）噪聲系數(shù)：NF≤10 dB；

（4）動態(tài)范圍（DR）：90 dB；

（5）中頻輸出功率：0 dBm；

（6）中頻輸出頻率：10.7MHz。

2.3 系統(tǒng)的設(shè)計與鏈路預(yù)算仿真

根據(jù)設(shè)計方案框圖，利用ADS軟件搭建出的系統(tǒng)仿真圖如圖2所示。

射頻輸入860～960MHz的信號，通過中心頻率為輸入信號頻率的帶通濾波器后經(jīng)放大器放大，送到混頻器與第一本振混頻，得到410.7 MHz的高頻信號，經(jīng)濾波放大及自動增益控制后進行第二次混頻，經(jīng)AGC2調(diào)節(jié)處理后輸出10.7MHz的0 dBm中頻信號。

使用ADS中的預(yù)算仿真BUDGET對系統(tǒng)鏈路進行預(yù)算仿真，將混頻器用2端原件代替，如圖3所示。

對輸入射頻信號的功率進行掃描，隨著輸入信號的增大，可以很直觀地看到AGC電路增益的變化。限于篇幅，這里只給出960MHz信號時掃描系統(tǒng)的最大、最小輸入功率即－90 dBm和0 dBm的仿真結(jié)果，如表1所示。

從表1的仿真結(jié)果可以看出整個接收端的增益是隨著接收信號的輸入功率變化的，最后經(jīng)接收端AGC放大處理后，輸出的中頻信號功率非常接近設(shè)計指標(biāo)0 dBm。

圖1 射頻接收前端系統(tǒng)設(shè)計方案

圖2 接收前端系統(tǒng)仿真圖

圖3 接收前端系統(tǒng)鏈路預(yù)算圖

表1 接收前端系統(tǒng)預(yù)算仿真結(jié)果

3 系統(tǒng)指標(biāo)計算與仿真

3.1 增益

接收機所需要的整體增益用分貝值表示時可通過式（1）計算[8]：

其中，Pin和Pout分別是接收機的輸入輸出功率值，單位dBm。從表1給出的仿真結(jié)果中，可以看出接收系統(tǒng)各個模塊的增益值，圖4、5給出了當(dāng)射頻取860 MHz時，對輸入功率-90～0 dBm掃描，得到的輸出功率和增益。

圖4 接收前端輸出功率

圖5 接收前端增益仿真結(jié)果

從圖4可以看出，系統(tǒng)輸出中頻信號的功率在－0.3～0.2 dBm之內(nèi)有小幅度的波動，非常接近0 dBm的設(shè)計指標(biāo)。

3.2 噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)[9]（NF）是定量描述一個器件或系統(tǒng)所產(chǎn)生噪聲程度的指數(shù)。系統(tǒng)的噪聲系數(shù)受許多因素影響，如電路損耗、偏壓、放大倍數(shù)等。二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值：

噪聲系數(shù)是一個功率比值，通常用分貝值來表示，即對式（2）取對數(shù)：

輸入噪聲Ni為特定信號帶寬內(nèi)的溫度噪聲功率，在室溫下的Ni（單位dBm）由下式給出；

式中B為接收機的帶寬，單位為Hz。

對于由多個二端口網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)而成的接收機系統(tǒng)，系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)計算公式如下[10]：

從式（5）可以看出，系統(tǒng)第一級的增益和噪聲系數(shù)對系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)影響至關(guān)重要。因此，本設(shè)計將低噪聲放大器放在接收系統(tǒng)的前端，以降低系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)。圖6給出了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果。

圖6 系統(tǒng)的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果

3.3 靈敏度

接收機的靈敏度定義為：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。靈敏度是衡量接收機接收和檢測微弱信號能力的指標(biāo)[11]，與所要求的輸出信號質(zhì)量有關(guān)，還與接收機本身的噪聲大小有關(guān)。接收機的靈敏度可由式（6）計算得出[12]：

其中，B為接收機的帶寬（取1 MHz），NF噪聲系數(shù)由以上仿真可知。由仿真得到系統(tǒng)的噪聲系數(shù)在6～7 dB之間，這里取NF=7 dB，當(dāng)SNR取10 dB時，可以得到系統(tǒng)的靈敏度為：

由式（7）可以看出，該設(shè)計達到了系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)。

3.4 鏡像抑制

鏡像抑制度定義為在所用信號頻率和鏡像頻率上分別輸入等功率的信號時所產(chǎn)生的中頻信號幅度比，通常用分貝dB表示。仿真時將射頻頻率換成鏡像干擾頻率，接收頻段掃描時的鏡像抑制結(jié)果，如圖7所示。

圖7 鏡像抑制仿真結(jié)果

3.5 增益壓縮和動態(tài)范圍

對于一個單信號而言，當(dāng)它在網(wǎng)絡(luò)中的功率增益從理想狀態(tài)下降1 dB的那個點就是1 dB壓縮點(P1dB)。利用ADS軟件對接收端進行大信號S參數(shù)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P1dB。仿真的結(jié)果如圖8所示。由表1及圖7中可以看出，系統(tǒng)的P1dB約為1.906 dBm。

圖8 大信號S參數(shù)仿真結(jié)果

動態(tài)范圍（DR）是度量無線電系統(tǒng)所適應(yīng)的最高和最低接收信號電平范圍。通信系統(tǒng)的有效性取決于它的動態(tài)范圍，即高性能的工作所能承受的信號變化范圍[13]，可表示為：

根據(jù)式（8）及以上數(shù)值，可以計算出該系統(tǒng)的動態(tài)范圍為：

滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

3.6 互調(diào)失真

衡量接收機射頻前端線性度的指標(biāo)除了P1dB之外，還有一種指標(biāo)即雙音互調(diào)失真-三階截斷點?；フ{(diào)失真是指當(dāng)兩個或多個頻率的輸入信號同時進入接收系統(tǒng)的前端，由于系統(tǒng)的非線性，使得輸出信號除原有頻譜外，還有新的頻率分量。互調(diào)指標(biāo)的高低基本上反映了混頻器的動態(tài)范圍和線性度?；フ{(diào)失真是否出現(xiàn)在通帶內(nèi)取決于帶寬和系統(tǒng)的中心頻率、系統(tǒng)輸入的信號頻率及系統(tǒng)的非線性程度。仿真時輸入兩個不同頻率的射頻信號，分別是900 MHz和902MHz，輸入功率是0 dBm，輸出結(jié)果如圖9所示。

標(biāo)注點m1是10.7 MHz中頻輸出Pout功率是－0.005 dBm；標(biāo)注點m2是三階互調(diào)失真產(chǎn)物8.7MHz，功率PIP3等于－41.790 dBm。輸入三階截斷點IIP3的計算公式如下：

可計算得出輸入三階截斷點IIP3為20.889 dBm。

圖9 雙音信號輸入時的仿真結(jié)果

3.7 群時延

群時延也稱為包絡(luò)時延，定義為相移相對于頻率的變化率，即：

如果在某一個頻率范圍內(nèi)，相位-頻率特性曲線為一直線，在這一頻率范圍內(nèi)的群時延為一常數(shù)，此時，信號的不同頻率成分將有相同的延遲，因而信號經(jīng)過傳輸后不發(fā)生畸變。實際上每一個選頻網(wǎng)絡(luò)都會使通過它的信號產(chǎn)生一些時延，信號頻譜中的不同頻率分量有不同的延遲。對系統(tǒng)接收范圍頻段掃描時的群時延仿真結(jié)果如圖10所示。由圖可見，在系統(tǒng)接收范圍內(nèi)，群時延都在0.3～0.4μs之間。

圖10 接收機的群時延與射頻頻率關(guān)系

4 結(jié)論

研究了射頻接收前端的體系結(jié)構(gòu)，建立了射頻接收前端的ADS仿真模型，并針對860～960 MHz的（UHF）頻段進行了理論仿真。從仿真得到的射頻前端性能指標(biāo)數(shù)據(jù)分析，在整個工作頻段內(nèi)，增益都較為平坦，而且射頻前端的穩(wěn)定性較好，噪聲系數(shù)較低，達到了預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)要求，同時，實現(xiàn)了高靈敏度選擇、自動增益控制功能，充分說明了本文所設(shè)計的方案是可行的。

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