一種915MHz射頻收發(fā)系統(tǒng)的ADS設(shè)計與仿真

1、引言

近幾年來，無線射頻識別技術(shù)越來越受各國重視。隨著 供應鏈管理、集裝箱、工業(yè)、科研和醫(yī)藥等行業(yè)對3 m以上射頻識別技術(shù)的需求不斷增加，國內(nèi)外已經(jīng)把研究的熱點轉(zhuǎn)向超高頻段和微波頻段。射頻電路的設(shè)計主要圍繞著低成本、低功耗、高集成度、高工作頻率和輕 重量等要求進行。本文對915MHz射頻收發(fā)系統(tǒng)做了進一步的研究。

ADS(Advanced Design System)軟件是Agilent公司開發(fā)的，可以支持從模塊到系統(tǒng)的設(shè)計，能夠完成射頻和微波電路設(shè)計、通信系統(tǒng)設(shè)計、射頻集成電路設(shè)計和數(shù)字信號處理設(shè)計。該軟件還可以完成時域和頻域、數(shù)字和模擬、線性和非線性、電磁和數(shù)字信號處理等多種仿真。本文主要介紹了如何使用ADS設(shè)計收發(fā)系統(tǒng)，并在ADS的模擬和數(shù)字設(shè)計環(huán)境下進行一些仿真。

2、射頻發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

射 頻發(fā)射系統(tǒng)最重要的指標是系統(tǒng)增益。根據(jù)分析選擇，發(fā)射系統(tǒng)的各個模塊分別采用以下器件：Micro Devices公司生產(chǎn)的PLL400-875作為射頻信號的發(fā)生器。該器件的輸出中心頻率為915MHz。射頻濾波器采用4DFA-915E-10，此芯片的中心頻率是915 MHz，通帶帶寬為±13dB，插入損失為2.2dB，波紋系數(shù)為1.0dB，最大波紋比為20?；祛l器采用Mini-circuits公司生產(chǎn)的ADE-12MH。ADE-12MH的本振和射頻信號的輸入頻率范圍是10-1200 MHz，全波段轉(zhuǎn)換損耗6.3dB。功率放大器選用Sirenza公司的SPA-2118，該芯片的功率為1W，工作范圍是810MHz-960MHz。

圖1、用于仿真的發(fā)射系統(tǒng)原理圖

使用ADS軟件創(chuàng)建射頻發(fā)射系統(tǒng)的原理圖，再在原理圖中加入增益仿真控制器，就可以知道增益在系統(tǒng)各個部分的分配情況。用于仿真的發(fā)射系統(tǒng)的原理圖如圖2所示，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2、功率增益預算曲線

由圖2可知，整個發(fā)射系統(tǒng)的增益為35.8 dB，因為輸入的信號為-10 dBm，所以功率放大器輸出的射頻信號大小為25.8 dBm。

3、射頻接收系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

射頻接收系統(tǒng)的設(shè)計與仿真使用行為級功能模塊實現(xiàn)，行為功能模塊包括天線、 帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器、本振信號源、中頻濾波器和中頻放大器等。接收端在設(shè)計中要考慮增益、噪聲系數(shù)、靈敏度等因素，比發(fā)射端的設(shè)計更為復 雜。由于接收端包含很多有源器件，有源器件的非線性對整個接收系統(tǒng)會產(chǎn)生很大的影響，比如當只輸入一個信號時會出現(xiàn)增益壓縮，當輸入兩個以上的信號時會出現(xiàn)互相調(diào)制等。

在本設(shè)計中，經(jīng)過分析，混頻器采用ADE-12MH。低噪聲放大器采用兩片AD8325分別對I,Q兩路混頻濾波后的信號進 行放大，AD8325S通過編程控制放大器的數(shù)字接口，可以使增益0.75dB逐級變化，最后可以達到59.45dB。為了保證功放芯片能盡量將能集中在我們所需的頻率上，在功放之前加入一個射頻帶通濾波器，這樣頻率較高和較低的噪聲信號可以得以濾除，使得輸入功放 的信號比較純凈。射頻濾波器采用4DFA-915E-10。在此設(shè)計中，還用到了Minicireuits公司的功率分配器SCN-27和90度移相功分 器QCN-27。使用ADS對接收系統(tǒng)進行建模，如圖3所示。

圖3、超外差式接收系統(tǒng)原理圖電路

由于各個模塊的參數(shù)均為已知，通過計算可以得出系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)，三階互調(diào)截等。噪聲系數(shù)定義為系統(tǒng)輸入信噪功率比(SNR)i=Pi/Ni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)表征了信號通過系統(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)的級聯(lián)式(1)可以計算出系統(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去所表現(xiàn)出的噪聲系數(shù)，也可 以理解為當接收信號由低噪聲放大器傳輸?shù)捷敵龆?，接收端對信噪比的惡化程度?/p>

(1)

接收機的一個很重要指標是靈敏度，它定義為：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。靈敏度與所要求的輸出信號質(zhì)量(即輸出信噪比)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下式(2)計算得出：

Pin,min(dBm)=NRS(dBm/Hz)+NF(dB)+(SNR)o,min(dB)+10logB (2)

假設(shè)接收機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的噪聲功率為其額定輸出，即：NRS=4KTaRs/4Rs=KTa。假設(shè)Ta=290 K，則NRS=-174 dBm/Hz。所以靈敏度可表示為：

Pin,min(dBm)=-174dBm/Hz+NF(dB)+(SNR)o,min(dB)+10logB

接收機所接收的信號強弱是變化的，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。動態(tài)范圍的下限是靈敏度，上限由最大可接受的信號失真決定。在本設(shè)計中考慮的是低噪聲放大器的輸入端的動態(tài)范圍。動態(tài)范圍可由下式(3)得到：

(3)

利用ADS軟件對接收端進行S參數(shù)仿真，該仿真可以用于測量各個器件的S參數(shù)等。在本仿真中，可以看成是當900~930MHz，以1MHz為步長的各個頻率分量通過該接收端時，接收端對各個頻率分量的增益或衰減大小的仿真。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 、S參數(shù)仿真結(jié)果

由 仿真結(jié)果可知在中心頻率915MHz處，增益最大，為63.287dB。在標記maker2處，頻率與標記maker1處相差12.21MHz，衰減相差14.698dB，符合技術(shù)指標。在標記maker3處，頻率與標記maker1處相差12.06MHz，衰減相差13.080dB，符合技術(shù)指標。

圖5、接收系統(tǒng)功率增益預算曲線

利用ADS軟件對接收系統(tǒng)進行增益預算仿真，可以知道系統(tǒng)增益在系統(tǒng)各個部分中的分配情況。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6、輸入信號的功率譜

由圖3可以看到在射頻帶通濾波器BPF1處，系統(tǒng)增益為-1dB，這是因為射頻帶通濾波器有1dB的插入衰減。在射頻放大器AMP1處，系統(tǒng)增益為20dB，這是射頻放大器的21 dB增益減去射頻帶通濾波器的1 dB插入衰減，系統(tǒng)前端總共有20dB的增益。根據(jù)標記m7可知，在負載終端2系統(tǒng)增益為63.287dB。

接收機輸出的信號是射頻頻率與本振頻率的差值以及它們的各次諧波和互調(diào)，各次諧波和互調(diào)通過中頻濾波器時已經(jīng)衰減，通過接收機的頻域響應可以查看上述頻率 轉(zhuǎn)換。在ADS軟件中，諧波平衡仿真主要用于頻域分析，采用諧波平衡仿真可以得到接收機的頻域響應。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7、中頻輸出的功率譜

由圖4可以看出，輸入端口在915 MHz時，信號為-39.999dBm，這與輸入端口的的單頻功率源輸入功率一致。由圖5可知，中頻輸出端口在70MHz時，信號為22.501dBm。

4、結(jié)語

通過對實際的集成射頻模塊的選擇，以及利用ADS分別對射頻接收和發(fā)射系統(tǒng)的仿真，可以得到系統(tǒng)的一些重要性能指標。通過對這些性能指標進行分析，可以得出設(shè)計的射頻收發(fā)系統(tǒng)是可行的，可以滿足實際無線通信環(huán)境對射頻系統(tǒng)的要求。