射频接收系统的设计与仿真

塔里木大学信息工程学院课程设计第1页共19页目录1前言...........................................................22工程概况.......................................................23正文...........................................................23.1零中频接收系统结构性能和特点...............................33.2基于ADS2009对零中频接收系统设计与仿真.....................33.3超外差接收系统结构性能和特点..............................123.4基于ADS2009对超外差接收系统设计与仿真....................134有关说明......................................................165心得体会......................................................186致谢..........................................................187参考文献......................................................19塔里木大学信息工程学院课程设计第2页共19页前言射频是一种频谱介于75kHz-3000GHz之间的电波，当频谱范围介于20Hz-20kHz之间时，这种低频信号难以直接用天线发射，而是要利用无线电技术先经过转换，调制达到一定的高频范围，才可以借助无线电电波传播。射频技术实质是一种借助电磁波来传播信号的无线电技术。无线电技术应用最早从18世纪下半段开始，随着应用领域的扩大，世界已经对频谱进行了多次分段波传播。当前，被广泛采用的频谱分段方式是由电气和电子工程师学会所规定的。随着科学技术的不断发展，射频所含频率也不断提高。到目前为止，经过两个多世纪的发展，射频技术也已经在众多领域的到应用。特别是高频电路的应用。其中在通信领域，射频识别是进步最快的重要方面。工程概况近年来随着无线通信技术的飞速发展，无线通信系统产品越来越普及，成为当今人类信息社会发展的重要组成部分。射频接收机位于无线通信系统的最前端，其结构和性能直接影响着整个通信系统。优化设计结构和选择合适的制造工艺，以提高系统的性能价格比，是射频工程师追求的方向。由于零中频接收机具有体积小、成本低和易于单片集成的特点，已成为射频接收机中极具竞争力的一种结构，在无线通信领域中受到广泛的关注。本文在介绍超外差结构和零中频结构性能和特点的基础上，对超外差结构和零中频结构进行设计与仿真。正文下面设计一个接收机系统，使用行为级的功能模块实现收信机的系统级仿真。塔里木大学信息工程学院课程设计第3页共19页3.1零中频接收系统结构性能和特点3.1.1零中频接收系统结构性能通过上面的介绍可知零中频接收机的本振与接收信号的载波频率相同，因此它的结构如图3.1图3-1（零中频接收机结构框图）3.1.2零中频接收系统特点零中频(ZeroIF)或直接变换(Direct-Conversion)接收机具有体积小、成本低和易于单片集成的特点，正成为射频接收机中极具竞争力的一种结构。由于零中频接收机不需要片外高Q值带通滤波器，可以实现单片集成，而受到广泛的重视。其结构较超外差接收机简单许多。接收到的射频信号经滤波器和低噪声放大器放大后，与互为正交的两路本振信号混频，分别产生同相和正交两路基带信号。由于本振信号频率与射频信号频率相同，因此混频后直接产生基带信号，而信道选择和增益调整在基带上进行，由芯片上的低通滤波器和可变增益放大器完成。零中频接收机最吸引人之处在于下变频过程中不需经过中频，且镜像频率即是射频信号本身，不存在镜像频率干扰，原超外差结构中的镜像抑制滤波器及中频滤波器均可省略。这样一方面取消了外部元件，有利于系统的单片集成，降低成本。另一方面系统所需的电路模块及外部节点数减少，降低了接收机所需的功耗并减少射频信号受外部干扰的机会。设计一个零3.2基于ADS2009对零中频接收系统设计与仿真3.2.1搭建射频前端电路与接收机频带选择性仿真塔里木大学信息工程学院课程设计第4页共19页图3-2（频带选择性仿真电路）1.21.41.61.82.02.22.42.62.81.03.0-100-80-60-40-200-12020freq,GHzdB(S(2,1))Readoutm1Readoutm2m1freq=dB(S(2,1))=20.000Max2.140GHzm2indDelta=depDelta=-25.583DeltaModeON-7.000E7图3-3（射频器前端带宽仿真曲线）塔里木大学信息工程学院课程设计第5页共19页m1freq=dB(S(2,1))=19.9152.170GHzm2indDelta=depDelta=0.012DeltaModeON-6.000E72.052.102.152.202.252.002.30-200-4020freq,GHzdB(S(2,1))Readoutm1Readoutm2m1freq=dB(S(2,1))=19.9152.170GHzm2indDelta=depDelta=0.012DeltaModeON-6.000E7图3-4（修改坐标后的仿真曲线）M2表示接收机射频前端的接收带宽为6MHz，与WCDMA系统对移动终端下行链路的要求是吻合的，而且通带内的波动不超过0。125dB。3.2.2完整接收机电路的搭建及接收机信道选择性仿真塔里木大学信息工程学院课程设计第6页共19页图3-5（完整接收机原理图）2.112.122.132.142.152.162.172.102.18-40-20020406080-60100freq,GHzdB(S(2,1))Readoutm3Readoutm1m3indDelta=depDelta=invalidDeltaModeONinvalidm1freq=dB(S(2,1))=95.9842.139GHz图3-6（信道选择性仿真曲线）2.1362.1372.1382.1392.1402.1412.1422.1432.1352.14495.2595.5095.7596.0096.2596.5096.7595.0097.00freq,GHzdB(S(2,1))2141500000.00095.983m3Readoutm1m3indDelta=depDelta=invalidDeltaModeONinvalidm1freq=dB(S(2,1))=95.9842.138GHz图3-7（调整坐标后的仿真曲线）塔里木大学信息工程学院课程设计第7页共19页由图3-6可知，中心频率2.14GHz处的增益为95.99db，为系统的最大增益，领道抑制达到了32.76db，优于设计目标。由图3-7可知，频带带宽为3MHz，一般接收的信息都集中在离中心频率2MHz的范围内，因此不会导致受到的信号产生比较大的失真，通带内的波动不大于0.15dB。3.2.3接收机系统预算增益仿真通过该仿真可以看到系统总增益在系统各个部分中的分配情况。预算增益仿真真的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，混频器的非线性性特征是已知的，所以用交流来分析。图3-8（预算路径设置）塔里木大学信息工程学院课程设计第8页共19页图3-9（高亮显示的预算增益路径）塔里木大学信息工程学院课程设计第9页共19页图3-10（修改Y轴表达式）BPF2.t2AMP1.t2PWR1.t2MIX1.t2LPF1.t2AMP4.t2PORT1.t1Term5.t1020406080-20100ComponentBudGain1[0]图3-11（增益预算仿真曲线）塔里木大学信息工程学院课程设计第10页共19页3.2.4接收机下变频分析通过该仿真可以得到接收机的频域响应特性，并清楚地看到接收机是如何将射频信号的频谱搬移到零频的。这里使用谐波平衡仿真。图3-12（下变频仿真电路）塔里木大学信息工程学院课程设计第11页共19页1234567809-500-400-300-200-100-6000freq,GHzdB(Vin)Readoutm1m1freq=dB(Vin)=-50.0022.140GHz图3-13（Vin参数仿真曲线）1234567809-350-300-250-200-150-100-50-4000freq,GHzdB(Vout_i)Readoutm2m2freq=dB(Vout_i)=-26.9490.0000Hz图3-13（Vin-i参数仿真曲线）塔里木大学信息工程学院课程设计第12页共19页从仿真结果图可以看到接收机将射频输入信号的频谱从2.14GHz的载频搬移到零中频。3.3超外差接收系统结构性能和特点3.3.1超外差接收系统结构性能外差式接收机结构与零中频接收机基本相同，区别在于输出信号不再是零频率的基带信号，而是中频信号，这里选择中频为318MHz，相应的本振频率改为1822MHz。仍通过下变频部分将信号分为I/Q两路，混频器后面不再是基带处理而是中频处理，采用切比雪夫滤波器进行信道选择。为简单起见，中频放大设置和零中频方案保持一致。图3-14（超外差接收机结构框图）3.1.2超外差接收系统特点超外差(SuperHeterodyne)体系结构自1917年由Armstrong发明以来，已被广泛采用。图1为超外差接收机结构框图。在此结构中，由天线接收的射频信号先经过射频带通滤波器(RFBPF)、低噪声放大器(LNA)和镜像干扰抑制滤波器(IRFilter)后，进行第一次下变频，产生固定频率的中频(IF)信号。然后，中频信号经过中频带通滤波器(IFBPF)将邻近的频道信号去除，再进行第二次下变频得到所需的基带信号。低噪声放大器(LNA)前的射频带通滤波器衰减了带外信号和镜像干扰。第一次下变频之前的镜像干扰抑制滤波器用来抑制镜像干扰，将其衰减到可接受的水平。使用可调的本地振荡器(LO1)，全部频谱被下变频到一个固定的中频。下变频后的中频带通滤波器用来选择信道，称为信道选择滤波器。此滤波器在确定接收机的选择性和灵敏度方面起着非常重要的作用。第二下变频是正交的，以产生同相(I)和正交(Q)两路基带信号。塔里木大学信息工程学院课程设计第13页共19页超外差体系结构被认为是最可靠的接收机拓扑结构，因为通过适当地选择中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度。由于有多个变频级，直流偏差和本振泄漏问题不会影响接收机的性能。但镜像干扰抑制滤波器和信道选择滤波器均为高Q值带通滤波器，它们只能在片外实现，从而增大了接收机的成本和尺寸。目前，要利用集成电路制造工艺将这两个滤波器与其它射频电路一起集成在一块芯片上存在很大的困难。因此，超外差接收机的单片集成因受到工艺技术方面的限制而难以实现。3.4基于ADS2009对超外差接收系统设计与仿真3.2.1搭建射频前端电路与接收机频带选择性仿真图3-14（外差式接收机电路）塔里木大学信息工程学院课程设计第14页共19页1234567809-300-200-100-4000freq,GHzdBm(Vout_i)Readoutm1m1freq=dBm(Vout_i)=-12.000318.0MHz123456789010-45-40-35-30-25-20-50-15noisefreq,KHzVout_i.pnmx,dBc图3-15（中频I通道仿真曲线）下面分析本振输出功率对接收机的影响，其电路原理图与零差式接收机结构基本相同。图3-16（本振输出功率影响电路图）塔里木大学信息工程学院课程