实验五收发信机系统仿真

实验五：ADS系统级仿真本实验将介绍如何使用行为级的功能模块实现收发信机的系统级仿真。实验目的使用诸如滤波器、放大器、混频器等行为级的功能模块搭建收发信机系统。运用S参数仿真、交流仿真、谐波平衡仿真、瞬态响应仿真等仿真器对收发信机系统的各种性能参数进行模拟检测。进行仿真的收发信机方案零中频接收机方案外差式接收机方案外差式发射机方案一、零中频接收机仿真1.仿真原理图2.射频前端参数设置最前端的微波带通滤波器采用4阶切比雪夫通带滤波器，中心频率为2140MHz，3dB带宽为80MHz，阻带带宽为400MHz，期望能够得到-25dB的带外衰减。另外，通带波纹为0.1dB，插入损耗为-1dB。LNA的增益为21dB，噪声系数为2dB,故我们将所选的Amplifier设置为S21=dbpolar(21,180)，NF=2dB。射频前端仿真模块图3.混频部分参数设置下变频部分的混频器选用System-Amps&Mixerpalette中的behavioralMixer，注意不要错选成Mixer2，它是用来进行非线性分析的，而Mixer才是用来进行频率转换的。将混频器的边带设为LOWER，增益为10dB，NF为13dB。本振在Sources-FreqDomainpalette选一电压源，由于接收机中频为0，故本振频率应和输入信号频率一致，这里设为变量LO_freq，可以用VAR很方便的进行赋值，输出电压设为1V。由于要将接收信号分为同相和正交两路，所以本振信号也要分为两路，一路直接和接收信号混频，一路先经移相器移相90°，再进入混频器混频，所以还要用到移相器和功率分离器，它们都可以从System-Passivepalette中找到的。混频部分各仿真模块图4.模拟基带部分参数设置接下来的模拟基带部分分两条支路，每条都由一个信道选择低通滤波器和基带放大器级联而成。信道选择滤波器采用5阶切比雪夫低通滤波器，通带波纹为0.01dB，-3dB频率转折点为1.92MHz，止带截点频率为5MHz，期望得到36dB的邻道衰减。基带放大器的增益在0~66dB之间可调，所以也设为变量G5，NF为15dB。最后在基带输出端加入端口Term2和Term3。模拟基带部分仿真模块图5.接收机频带选择性仿真我们使用S参数仿真进行接收机的系统选择性分析。首先是接收机的频带选择性分析，S_parameterSimulationController设置为从1GHz到3GHz以10MHz为步进进行仿真。接收机的频带选择性仿真结果（1）接收机在频带选择滤波器的中心频率拥有20dB的最大增益，也就是LNA的增益减去微波带通滤波器的插入损耗。在偏离中心频率70MHz处可得到25dB左右的衰减。接收机的频带选择性仿真结果（2）接收机射频前端的接收带宽为6MHz，和WCDMA系统对移动终端下行链路的要求是相吻合的，而且通带内的波动不超过0.125dB。6.接收机信道选择性仿真信道选择功能主要由中频滤波器完成，对于这里的直接下变频方案就要靠基带低通滤波器来实现，我们接下来进行信道选择性的仿真。仿真的电路图就是整个系统的原理图。信道选择性仿真中的S_parameterSimulationController设置需要注意的是要对S_parameterSimulationController的Parameters栏进行设置，启动ACfrequencyconversion，并将S-parameterfreq.conv.port设为1端口。信号源和VAR设置我们以一个交流功率源模拟从射频输入端的天线双工器输出的接收信号，输入功率和信号频率在VAR中赋值，这里用的是接收机所能接收的最低信号电平-108dBm，因此将基带VGA定为最大增益66dB。接收机信道选择性仿真结果（1）接收机信道选择性仿真结果（2）从图中可以看到，中心频率2.14GHz处的增益为96dB，为系统的最大增益；邻道抑制达到了49.4dB，优于设计目标；通频带宽为3MHz，一般接收的信息都集中在离中心频率2MHz的范围内，因此不会导致接收到的信号产生较大的失真；通带内的波动不大于0.15dB。7.接收机系统预算增益仿真通过这个仿真我们将看到系统总增益在系统各个部分中的分配情况。预算增益仿真在谐波平衡分析以及交流分析中都可以进行，但如果在交流仿真中进行的话，混频器不能是晶体管级的。因为这里进行的是行为级仿真，混频器的非先性特征是已知的，所以我们就用交流分析来进行仿真。接收机系统预算增益仿真参数设置频率栏设为Singlepoint，频率为2.14GHz，Parameters栏中的EnableACfrequencyconversion和Performbudgetdimulation都要激活。(1)ACSimulationController两次仿真的VAR设置仿真会在接收机总增益最大和最小两种情况下进行以得到较为全面的分析结果。当VGA增益为最大值66dB时，信号源的功率电平为接收机的灵敏度-108dBm（已考虑了天线双工器的损耗），反之，当VGA的增益最小时，信号源应输入接收机所能接收的最大功率。这些参数的变化都要在VAR中反映出来。预算增益方程预算分析还有两项很重要的设置是预算路径设定和建立预算增益方程。这项内容可以在仿真的下拉菜单中找到，选择好输入端RF_source和输出端Term2（因为I/Q两支路的增益分配完全相同，故任意仿真其中的一条即可），点击Generate和Highlight就可设置好预算路径，同时系统将自动生成预算增益方程BudGaincomponent设置最后我们从Simulation-ACpalette中选出BudGaincomponent，将其设置为如图即可。请注意“，”的个数。进行预算增益仿真进行仿真后我们将Y轴设为BudGain，但图中并没有任何曲线生成，而如果在Y轴的BudGain后键入[0]后，增益预算曲线就出现了，这是因为预算增益仿真必须明确指定频率，这里只有唯一的频率2.14GHz，也就是频率数组中的第1个，故[0]是必须的。我们将两次仿真的结果在一个图中表示出来，可以清楚地看到接收机在VGA增益最大和最小的情况下整机增益的分配情况。预算增益仿真结果（1）预算增益仿真结果（2）我们也可以把结果用表格的形式表示出来。小结正如开头所提到的，这里的仿真没有用到很具体的电路元件，而是使用一个个的行为级功能模块，直接按设计要求对其参数进行设定，然后对整机方案的各种特性进行仿真。对系统级设计而言，这确实是一种十分简捷易行的做法，它直接用行为级和功能级的角度去研究分析系统性能，这就相当于只需把已经封装好的模块拿来用，而不必去考虑其内部具体的电路构成是怎样的。尤其在具体方案实现前进行设计的可行性分析这样不必涉及具体电路实现的情况下，就更显其独特的优越性和重要性。而且对于像ADS这样功能足够强大的仿真软件而言，可以对系统的各种特性进行全面的模拟，这确实是系统设计工程师所梦寐以求和不可或缺的。所以这里我尽量做到对系统的不同方面指标、性能进行仿真。小结（续）另一方面，系统级仿真的优点也恰恰是其局限之处，在不考虑系统各个模块内部实现的情况下，如何设置参数才能尽量完整、真实、客观的仿真出所需的结果就成为系统级仿真所面临的一大挑战。毕竟，与真实情况相去甚远的仿真结果是没有什么实际意义的，因此如何全面正确的使用仿真模块所提供的参数，甚至自己设计仿真参数，以及如何构建出一个尽量真实客观的仿真环境就显得尤为重要。作为一位系统设计者，不光要有系统级高屋建瓴的眼光和头脑，还必须拥有深厚的电路设计功底，要对各个电路模块的结构性能有足够深入的了解，才可能真正准确地把握系统的特征，进行正确有效的设计和仿真。