微波电路与系统仿真实验.ppt
实验5 ADS系统级仿真,高源慈电子科技大学2012年9月,School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,ADS系统级仿真,实验目的：了解收发信机的基础知识；掌握利用ADS中行为级模块进行系统级仿真的方法。使用如滤波器、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。,ADS系统级仿真,实验内容：5.1 收发信机的基础知识5.2 外差式接收机的系统级仿真,5.1 收发信机的基础知识,接收机 接收机将通过信道传播的信号进行接收，提取出有用信号。接收机一般具有接收灵敏度、选择性、交调抑制、噪声系数等性能参数。接收机的实现架构可分为：超外差、零中频和数字中频等。,典型无线接收机框图（超外差式）,接收机各部分的作用和要求如下：,射频滤波器1（FP Filter1）选择信号频段、限制输入信号带宽、减小互调失真。抑制杂散信号，避免杂散响应。减少本振泄漏，在频分系统中作为频域相关器。低噪声放大器（LNA）在不使接收机线性度恶化的前提下提供一定的增益。抑制后续电路的噪声，降低系统的噪声系数。射频滤波器2（FP Filter2）抑制由低噪声放大器放大或产生的镜频干扰。进一步抑制其他杂散信号。减少本振泄漏。,接收机各部分的作用和要求如下：,混频器（Mixer）将射频信号下变频为中频信号。是接收机中输入射频信号最强的模块，其线性度极为重要，同时要求较低的噪声系数。本振滤波器（Injection Filter）滤除来自本振的杂散信号。本振信号源（LO）为接收机提供本地振荡信号。,接收机各部分的作用和要求如下：,中频滤波器（IF Filter）抑制相邻信道的干扰，提供选择性。滤除混频器产生的互调干扰。如果存在第二次变频，需要抑制第二镜频。中频放大器（IF AMP）将信号放大到一定的幅度，供后续电路（如数模转换器或解调器）处理。通常需要较大的增益并实现增益控制。,2.发射机,发射机是一个非常重要的子系统，无论是语音、图像，还是数字信号，要 利用电磁波传送到远端，都必须使用发射机产生信号，然后经调制放大送到天线。发射机一般具有频率、带宽、功率、辐射杂散等性能指标参数。发射机的实现架构可分为：超外差、零中频和数字中频等。,典型无线发射机框图,5.2 外差式接收机的系统级仿真,建立工程 建立行为级模型构成的系统 系统仿真,建立行为级模型构成的系统,建立工程的具体步骤如下：运行ADS，弹出ADS的主窗口。选择【File】【New Project】命令，弹出“New Project”（新建工程）对话框。对话框中的默认工作路径为“C:Usersdefaults”，在路径的末尾输入工程名：rfsystem。在【Project Technology Files】栏中选择“ADS Standard：Length unit-millimeter”，即工程中的默认长度单位为毫米。点击【OK】按钮，完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。,射频前端电路参数设置,微波带通滤波器切比雪夫带通滤波器阶数：4中心频率：2140MHz3dB带宽：80MHz阻带带宽：400MHz带外衰减：25dB 通带波纹：0.1dB插入损耗：1dB,低噪声放大器增益：21dB噪声系数：2dB 因该放大器处于射频前端，故需要较低的噪声系数。,射频前端电路,Filter-Bandpass元件面板,System-Amp&Mixer元件面板,Sources-Freq Domain元件面板,信号源（交流功率源）端口：1 输出阻抗：50功率方程：P=polar(dbmtow(RF_pwr),0)变量RF_pwr频率：变量RF_freq MHz,下变频部分电路参数设置,混频器 选用System-Amps&Mixer palette中的behavioral Mixer，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。边带：LOWER转换增益：10dBNF：13dB,本振 本振在Sources-Freq Domain palette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。,移相器和功分器 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-Passive palette中找到的。,下变频部分电路参数设置,下变频部分电路元件,System-Amp&Mixer元件面板,Sources-Freq Domain元件面板,System-Passive元件面板,中频部分电路参数设置,中频部分分两条支路，每条都由一个信道选择带通滤波器和基带放大器级联而成。信道选择滤波器切比雪夫带通滤波器阶数：5中心频率：318MHz3dB带宽：5MHz阻带带宽：40MHz带外衰减：35dB 通带波纹：0.01dB,中频部分电路参数设置,中频放大器增益：在2466dB之间可调，所以也设为变量G5NF：15 dB最后在中频输出端加入端口Term2和Term3。,中频部分电路,完整接收机电路图,系统仿真,接收机频带选择性仿真接收机信道选择性仿真接收机系统预算增益仿真接收机的下变频分析接收机的相位噪声分析本振输出功率对接收机性能的影响,接收机频带选择性仿真,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_parameter Simulation Controller设置：1GHz3GHz步进：10MHz,接收机频带选择性仿真结果,估算接收机射频前端电路通带中心频率S21的最大值。画出S21的仿真结果图形，并用光标标出通带中心频率（2.14 GHz）的值。用Delta Marke标出在偏离中心频率70MHz处S21的值。观察通带内的波动情况，分析通带内的波动最大值。,接收机频带选择性仿真结果,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。,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，接下来进行信道选择性的仿真。仿真的电路图就是完整的接收机原理图。此处利用一个交流功率源来模拟通过天线进入接收机的射频信号。输入功率和信号频率在变量VAR中赋值，这里用的是接收机所能接收的最低信号电平-108dBm，因此将基带信号放大器的增益定为增益66dB。,信号源和变量VAR的参数设置,信号源（交流功率源）端口：1 输出阻抗：50功率方程：P=polar(dbmtow(RF_pwr),0)变量RF_pwr频率：变量RF_freq MHz变量VARRF_freq=2140 LO_freq=1822RF_pwr=-108 G5=66,信号源和变量VAR的参数设置,Sources-Freq Domain元件面板,S参数仿真控制器参数设置,起始频率：2.1GHz终止频率：2.18GHz频率间隔：0.5MHz频率转换：允许频率转换的端口：1,接收机信道选择性仿真电路图,接收机信道选择性仿真结果,从下图中可以看到，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36.9dB；通频带宽为4MHz，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0.1dB。,接收机系统算增益仿真,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，混频器的非线性特征是已知的，所以此处就用交流分析来进行仿真。,接收机系统算增益仿真,在电路图中加入交流仿真控制器。交流仿真控制器参数设置频率：2.14GHz频率转换(Enable AC frequency conversion):允许 Yes预算分析(Perform budget dimulation)：执行 Yes,Simulation-AC元件面板,预算路径设定和预算增益方程建立,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。预算路径设定：可以在仿真的下拉菜单中找到。点击菜单【Simulate】【Generate Budget Path】，弹出如下窗口。,预算路径设定和预算增益方程建立,输入端选择：Port1输出端选择：Term1（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。预算增益路径在电路图中高亮显示。,预算增益方程,BudGain Component 设置,在原理图中加入BudGain Component，将其设置为如右图所示即可。请注意“，”的个数。,Simulation-AC元件面板,预算增益仿真电路图,预算增益仿真,仿真结束后，选择显示BudgetGain1。Y轴为BudGain1，但图中并没有任何曲线生成。如果在Y轴的BudGain1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。,预算增益仿真结果,预算增益仿真结果,修改变量VAR控件中的变量值：G5=24，RF_pwr=-32，再次仿真，并与前次仿真比较，图片见下页。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。,两次预算增益仿真结果比较,两次预算增益仿真结果比较,接收机的下变频分析,通过这次仿真，我们将看到接收机是如何将射频信号的频谱搬移到零频的，也就是接收机的频域响应特性。这里使用的是谐波平衡仿真（Harmonic Balance Simulation，HB Simulation）。,接收机输入端的交流功率信号源：频率：2140MHz，电平：-108dBm（为与后噪声分析中的下变频比较，该处也采用-108dBm的电平）本地振荡器也改用交流功率信号源。频率：1822MHz，电平：-20dBm。中频放大器增益：G5：66dB输入、输出端编辑 通过菜单【Insert】【Wire/Pin Label】设置输入、输出端，分别命名为Vin、Vout_i和Vout_q。,下变频仿真元件参数设置,HB controller 参数设定,在电路图中插入HB controller，并进行频率设定。注意HB仿真中为了能够正确进行非 线性分析，HB controller中的频率变量必须和原理图中的信号源频率相一致，如果有多个频率需要设定，Freq1必须是输出功率电平最高的信号源。所以这里必须是本振频率，Order指的是谐波个数。HB controller的参数设定如下页所示。,Simulation-HB元件面板,接收机下变频仿真电路图,接收机的下变频功率谱仿真结果,从仿真结果中可以看到接收机对输入信号的下变频作用。射频输入信号的频谱从2.14GHz的载频被搬移到了318MHz的中频。,接收机的相位噪声分析,这一部分将在本振中设定一组相位噪声，然后用谐波平衡分析的方法进行仿真，在输出端观察相位噪声的情况，另外也会顺便给出外差式接收机的频谱特性。,为进行相位噪声仿真需要专门的本振源，在Source-Freq Domain 元件面板中找到带有相位噪声的本振源OSCwPhNoise，需要设定的参数包括本振频率、输出功率、输出阻抗和相位噪声分布，其中最后一项用列表形式给出。,相位噪声本振源设置,在Simulation-HB Palette中选择HB noise controller插入电路图，对HB noise controller进行设定，在Freq tab中设定噪声分析的范围和步进，和OSCwPhNoise的参数设置相一致，从10Hz到10kHz，用log形式，每个数量级仿真5个点。在Nodes tab选择Vout_i和Vout_q为噪声测量管脚。在PhaseNoise tab中设定相位噪声的形式，为Phase Noise spectrum，将噪声的载频定为318MHz，和输出中频一致。最终的设置结果见图。,HB噪声仿真器参数设置,HB噪声仿真器必须和HB simulation controller搭配使用，它可独立于simulation controller很方便的进行所有噪声的测量，而且可以使用多个HB noise controller同时进行不同噪声的测量，而且在这种情况下只需一个simulation controller即可。,HB噪声仿真器说明,在电路图加入HB controller，将频率参数设置为射频输入频率和本振频率，这里注意不需要设置中频频率，默认的谐波阶数和混频最大阶数将自动计算电路中的所有频率，当然也包括中频。然后在NoiseCons tab中选择刚才已设定好的噪声仿真器NC1。设置好的HB controller如图所示。,HB controller参数设置,VAR参数设置,相位噪声仿真电路图,全部设置完成后即可进行仿真，在数据显示窗口中把Vout_ipnmx、Vout_qpnmx、Vout_i和Vout_q分别表示出来，我们可以看到相位噪声在接收机输出端的分布情况和中频输出信号的频谱特性。,仿真结果,相位噪声仿真结果,输出频谱仿真结果,本振输出功率对接收机性能的影响,本节主要讨论如何通过对本振输出功率的调整来修改接收机的性能。首先要列出接收机的中频输出功率的测量方程，因为输出的信号是靠混频生成的，因此需要用函数mix来定义方程，如下所示，式中的中的-1表示本振，1表示射频输入，结果即是中频输出。,因为I/Q两条支路性能基本一致，因此我们只仿真其中的I支路。另外我们把混频器的PminLO设为-5，这样将使混频器二极管的响应显得更加真实。变量设置和测量方程如图所示。,中频输出方程和变量设置,Simulation-HB元件面板,首先将混频所需考虑的最大谐波阶数Order设为8，本振的谐波阶数设定为5，射频信号仍为3，因为它的功率比本振输出要低得多。在Sweep属性页中将本振功率定为变量，并将扫描范围设定为-3010，步进为1。,HB simulation controller的设置,在Freq属性页中，将Level Status设定为4级，这意味着仿真将得到更多的结果，包括噪声系数和增益，其它的参数像FFT中的Oversample和Convergence设置只有对大型电路进行仿真时才需要增加，这里使用默认值足够了。,在Noise属性页中，首先击活Nonlinear noise（在1栏的底部），接着将噪声频率设置为中频318MHz，将输入频率设置为变量RF_freq，并把输入输出管脚分别设置为1和2，注意这要和电路图中输入和输出端的标号保持一致。在2栏中，将the Node for noise parameter设置为Vout并将Include port noise in node noise voltages选项勾掉，因为混频器的噪声系数不需要用到端口噪声。另外在solver栏中选定Use Krylov solver就完成了全部参数的设定，其它参数使用默认即可。,仿真状态窗口中的仿真结果,检查好电路图无误后进行仿真，在仿真状态窗口中，LO输出功率的每一点扫描都会有相应的仿真结果写入窗口之中，我们可以看到每一点的噪声系数和变频增益仿真结果。,中频输出功率随本振输出功率的变化,我们来看一下最终的仿真结果，首先是中频输出随本振功率的变化，如图，输出功率电平开始随本振输出功率的增加逐渐增大，当本振功率大于0dBm之后，输出功率逐渐稳定在22dB左右。,整机增益随本振功率的变化（1）,我们想得到整机增益随本振功率的变化曲线，因为本振增益并非仿真直接可得到的结果，故要建立方程,可以直接运用仿真数据显示窗口中的方程编辑模块完成此项操作，如下所示。,整机增益随本振功率的变化（2）,这里将整机增益分别用表格和图象的形式表示出来。,整机增益随本振功率的变化（3）,结果与输出功率是相一致的，也是必须有足够的本振功率输出才能使增益达到稳定的最大值。,接收机的噪声系数随本振输出功率的变化（1）,由图得，接收机的噪声系数是随本振信号增大递减的，本振输出达到0dBm以上时，它才会逐渐稳定在最小值，使接收机的噪声性能达到最优。,结论,由这次仿真可知，要使系统达到所需的性能指标，足够的本振功率输出是必须的，但收发机的低功耗是其性能中不可忽视的一个重要方面，这也是在系统级设计中需要解决的问题。,Thank you!,注意：请将此次实验报告打印出来（可双面打印），并签字。请在2012年10月31日（下周三）之前提交。谢谢！,
