軟件無(wú)線電中的射頻電路設(shè)計(jì)方案

....19/23能力拓展訓(xùn)練任務(wù)書學(xué)生：王旋專業(yè)班級(jí)：信息SY0801指導(dǎo)教師：艾青松工作單位：信息工程學(xué)院題目:軟件無(wú)線電中的射頻電路設(shè)計(jì)方案課程設(shè)計(jì)目的：（1）安排學(xué)生進(jìn)行與專業(yè)有關(guān)的綜合性設(shè)計(jì)和研究，開展專題調(diào)研、探索、研究和設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力；（2）鍛煉學(xué)生查詢文獻(xiàn)資料、靈活運(yùn)用知識(shí)、有效開展科學(xué)研究的能力；（3）提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。根據(jù)本專業(yè)需求和特點(diǎn)，需要在通信專業(yè)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能和研究能力方面進(jìn)行綜合提高，使學(xué)生對(duì)專業(yè)綜合與專業(yè)前沿知識(shí)有較為全面的了解和掌握，能夠運(yùn)用相關(guān)儀器和軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬分析專業(yè)問題。課程設(shè)計(jì)容和要求軟件無(wú)線電中的射頻電路設(shè)計(jì)方案初始條件：（1）鑒主15樓“通信實(shí)驗(yàn)室一”MBC-5W移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)箱，鑒主13樓THEX-1型現(xiàn)代通信原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；（2）Matlab，Protel等；（3）理工大學(xué)圖書館與圖書館上的“電子資源導(dǎo)航”。時(shí)間安排：1布置任務(wù)鑒主504教室0．5天2項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)踐通信實(shí)驗(yàn)室一、四4天3答辯指導(dǎo)老師辦公室0．5天合計(jì)5天指導(dǎo)教師簽名：2011年月日系主任（或責(zé)任教師）簽名：2011年月日目錄TOC\o"1-4"\h\z\u摘要IABSTRACT II1軟件無(wú)線電簡(jiǎn)介12射頻前端收發(fā)模塊12.1放大器22.2混頻器22.2.1增益32.2.2噪聲32.2.3線性圍32.2.4失真42.2.5阻抗匹配42.3振蕩器42.4振蕩器的原理52.4.1振蕩器的分類52.4.2雙端口負(fù)阻振蕩器的分析52.4.2.1S參數(shù)分析法52.4.2.2起振條件52.4.2.3輸出功率62.4.3壓控振蕩器的設(shè)計(jì)72.4.4振蕩電路形式的選擇72.4.5電路的結(jié)構(gòu)與分析93壓控振蕩器電路的仿真分析103.1ADS軟件的運(yùn)用103.1.1ADS簡(jiǎn)介103.1.2ADS的基本結(jié)構(gòu)103.2壓控振蕩器性能分析113.2.1振蕩性能113.2.2仿真分析124總結(jié)175參考文獻(xiàn)18摘要軟件無(wú)線電（softwareradio）在一個(gè)開放的公共硬件平臺(tái)上利用不同可編程的軟件方法實(shí)現(xiàn)所需要的無(wú)線電系統(tǒng)。簡(jiǎn)稱SWR。理想的軟件無(wú)線電應(yīng)當(dāng)是一種全部可軟件編程的無(wú)線電，并以無(wú)線電平臺(tái)具有最大的靈活性為特征。全部可編程包括可編程射頻（RF）波段、信道接入方式和信道調(diào)制。射頻簡(jiǎn)稱RF射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡(jiǎn)稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。有線電視系統(tǒng)就是采用射頻傳輸方式的。關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線電，可編程，射頻，高頻ABSTRACTSoftwareradio(softwareradio)inanopenpublichardwareplatformusingdifferentprogrammablesoftwaremethodtorealizetherequiredradiosystem.ReferredtoastheSWR.Theidealsoftwareradioshouldbeafullsoftwareprogrammableradio,andradioplatformwithmaximumflexibilityforthefeature.Allprogrammingincludesprogrammableradiofrequency(RF)band,channelaccessmodeandchannelmodulation.RFradiofrequencyisreferredtoasRFRFcurrent,itisakindofhighfrequencyelectromagneticwaveofchange.Changesoflessthan1000timespersecondiscalledfrequencyACcurrent,morethan10000knownasthehighfrequencycurrent,andfrequencyissuchahighfrequencycurrent.Acabletelevisionsystemistheuseofradiofrequencytransmissionmode.Keywords:softwareradio,programmable,radiofrequency,highfrequency1軟件無(wú)線電簡(jiǎn)介軟件無(wú)線電是建立在一個(gè)通用的硬件平臺(tái)之上的，這個(gè)通用平臺(tái)具有模塊化、開放性、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。軟件無(wú)線電的硬件平臺(tái)主要由一下幾個(gè)部分組成：模擬射頻前端、寬帶A/D和D/A、數(shù)字上下變頻器、高速數(shù)字信號(hào)處理等。2射頻前端收發(fā)模塊圖2-1是射頻前端收發(fā)電路。從圖中可以看出一個(gè)典型的射頻電路分為發(fā)射和接收兩個(gè)部分。每個(gè)部分包括以下幾個(gè)模塊：開關(guān)（功率分配器）、低噪聲放大器(LNA)、混頻器(MIXER：降頻器和升頻器)、射頻濾波器和本地振蕩器，功率放大器(PA)、中頻濾波器和中頻放大器。圖2-1射頻發(fā)射與接收電路在發(fā)送信號(hào)時(shí)，從基帶模塊送出的模擬信號(hào)，經(jīng)中頻放大、混頻器中的升頻器、功率放大器(PA)，然后再通過天線發(fā)送出去。通過天線接收進(jìn)來(lái)的射頻信號(hào)經(jīng)濾波和低噪聲放大器(LNA)放大后，與本地振蕩器所產(chǎn)生的本地振蕩信號(hào)經(jīng)混頻器混頻(這里是降頻器)，產(chǎn)生固定的中頻信號(hào)IF，然后，經(jīng)放大后送到基帶部分。典型的射頻收發(fā)設(shè)備除了功耗、速度、成品率等性能要求外，還要面對(duì)噪聲、線性圍、增益等指標(biāo)。分析整個(gè)射頻通信機(jī)，最重要的器件就是放大器，混頻器和振蕩器。下面詳細(xì)分析各射頻電路模塊的性能指標(biāo)。2.1放大器由圖2-1可以看出，射頻通信電路中的放大器包括接收機(jī)的低噪聲小信號(hào)放大器和發(fā)射機(jī)的射頻功率放大器。低噪聲放大器(1ow-noiseamplifier，簡(jiǎn)稱LNA)是射頻接收機(jī)前端的主要部分。它主要有四個(gè)特點(diǎn)：首先，它位于接收機(jī)的最前端，這就要求它的噪聲越小越好。為了抑制后面各級(jí)噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，還要求有一定的增益，但為了不使后面的混頻器過載，產(chǎn)生非線性失真，它的增益又不宜過大。其次，它所接收的信號(hào)是很微弱的，所以低噪聲放大器必定是一個(gè)小信號(hào)線性放大器，而且由于受傳輸路徑的影響，信號(hào)的強(qiáng)弱又是變化的，在接收信號(hào)的同時(shí)又可能伴隨許多強(qiáng)干擾信號(hào)混入，因此要求放大器有足夠大的線性圍，而且增益最好是可調(diào)節(jié)的。第三，低噪聲放大器一般通過傳輸線直接和天線或天線濾波器相連，放大器的輸入端必須和它們很好的匹配，以達(dá)到功率最大傳輸或最小的噪聲系數(shù)，并能保證濾波器的性能。第四，應(yīng)具有一定的選頻功能，抑制帶外和鏡象頻率干擾，因此它一般是頻帶放大器。2.2混頻器混頻器是通信機(jī)的重要組成部件。在發(fā)射機(jī)中一般用上混頻，它將已調(diào)制的中頻信號(hào)搬移到射頻段。接收機(jī)一般為下混頻，它將接收到的射頻信號(hào)搬移到中頻上。接收機(jī)的混頻器位于LNA之后，將LNA輸出的射頻信號(hào)通過與本振信號(hào)相乘變換為中頻信號(hào)。混頻器的主要性能指標(biāo)如表2-1表2-1混頻器主要性能指標(biāo)舉例增益10dBNF12dBIIP3+5dBm輸入阻抗50Ω口間隔離10~20dB下面分別說明各參數(shù)的意義：2.2.1增益混頻器的增益為頻率變換增益，定義為輸出中頻信號(hào)的大小與輸入射頻信號(hào)大小之比。電壓增益Av和功率增益Gp分別定義為（1）（2）混頻器可以分為有源混頻器和無(wú)源混頻器兩種，它們的區(qū)別就在于是否有功率增益，無(wú)源混頻器的增益小于1，稱為混頻損耗。無(wú)源混頻器常用二極管和工作在可變電阻區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成。有源混頻器的增益大于l，它由場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型晶體管構(gòu)成。無(wú)源混頻器的線性圍大，速度快，而有源混頻器由于增益大于1，因此，可以降低混頻以后各級(jí)噪聲對(duì)接收機(jī)總噪聲的影響。2.2.2噪聲混頻器緊跟LNA后面，屬于接收機(jī)的前端電路，它的噪聲性能對(duì)接收機(jī)的影響很大。混頻器對(duì)射頻而言是線性網(wǎng)絡(luò)，可以按線性網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算它的噪聲系數(shù)，只不過將計(jì)算公式中的增益改為混頻器的頻率變換增益。對(duì)于零中頻方案的接收機(jī)，由于射頻頻率和本振頻率相等，若射頻為已調(diào)信號(hào)，它的頻譜位于載頻兩邊，則經(jīng)過混頻后，它僅將信號(hào)頻帶的噪聲搬到了零中頻的頻帶(因?yàn)榇藭r(shí)無(wú)鏡頻)。很明顯，此時(shí)如果假設(shè)混頻器是無(wú)噪的，則經(jīng)過混頻后輸出輸入的信噪比沒有變化。對(duì)于這種信號(hào)頻譜位于本振兩側(cè)的情況，測(cè)得混頻器的噪聲系數(shù)稱為混頻器的雙邊噪聲系數(shù)(DSB)。在測(cè)量時(shí)如果儀器輸出的噪聲系數(shù)是雙邊的，只要加上3dB就是單邊噪聲系數(shù)。2.2.3線性圍混頻器對(duì)輸入RF小信號(hào)而言是線性網(wǎng)絡(luò)，其輸出中頻信號(hào)與輸入射頻信號(hào)的幅度成正比。但是當(dāng)輸入信號(hào)幅度逐漸增大時(shí)，與線性放大器一樣，也存在著非線性失真問題。與放大器一樣，也可以用下列質(zhì)量指標(biāo)衡量它的線性性能。1dB壓降點(diǎn)三階互調(diào)節(jié)點(diǎn)線性動(dòng)態(tài)圍2.2.4失真混頻功能是靠器件的非線性完成兩信號(hào)的相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于器件非線性特性的高次方項(xiàng)，使本振與輸入信號(hào)除產(chǎn)生有用中頻分量外還會(huì)產(chǎn)生很多組合頻率，當(dāng)某些組合頻率落到中頻帶寬，就形成了對(duì)有用中頻信號(hào)的干擾。因此混頻器的失真主要表現(xiàn)在組合頻率干擾上，這些失真一般分為以下幾種：干擾哨聲寄生通道干擾互調(diào)失真2.2.5阻抗匹配對(duì)混頻器三個(gè)口的阻抗要求主要有兩點(diǎn)。一是匹配?；祛l器RF與IF口的匹配可以保證與各口相接的濾波器正常工作。LO口的匹配可以有效的向本地振蕩器汲取功率。但對(duì)FET管，由于柵極的輸入阻抗很高，匹配往往是很難做到的。二是每個(gè)口對(duì)另外兩口的信號(hào)，力求短路。這樣可以減少各口之間的干擾。2.3振蕩器制作振蕩器的有源器件可以用固態(tài)器件和電真空器件。固態(tài)器件與真空器件相比具有體積小，制作方便，耗能小，工作穩(wěn)定與成本低等特點(diǎn)，因此人們廣泛使用固態(tài)源。在使用的固態(tài)器件中，固態(tài)三端器件與固態(tài)二端器件相比具有效率高、噪聲低、頻帶寬與易于集成等優(yōu)勢(shì)。所以固態(tài)振蕩器己逐漸向三端器件發(fā)展。振蕩器的主要技術(shù)指標(biāo)是振蕩器性能質(zhì)量的標(biāo)志，是設(shè)計(jì)研制、質(zhì)檢考核、選擇使用的依據(jù)。振蕩器被稱為各種無(wú)線通信系統(tǒng)的心臟，是雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信和測(cè)試等無(wú)線通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的重要部件。高穩(wěn)定度的微波振蕩源可以提高超外差接收機(jī)的信噪比和靈敏度；對(duì)射頻通信系統(tǒng)而言，則可以提高通信質(zhì)量，充分利用電磁頻譜資源；在儀表測(cè)量中微波振蕩源的好壞直接影響到測(cè)量的精度和穩(wěn)定度。就是因?yàn)橐陨显?，本次?qiáng)化訓(xùn)練設(shè)計(jì)了工作在1.8GHz~2GHz和800MHz~900MHz的壓控振蕩器。下面主要介紹一下振蕩器的原理與設(shè)計(jì)方法。2.4振蕩器的原理振蕩器在現(xiàn)代各種電子系統(tǒng)中，幾乎是必不可少的重要部件。它主要用作各種中小功率調(diào)制載波信號(hào)源、收發(fā)信機(jī)中的本機(jī)振蕩源和激勵(lì)器、以與測(cè)量系統(tǒng)中的基本信號(hào)源。由于它的性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量，因此，設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的振蕩源是電子技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)永恒的課題。2.4.1振蕩器的分類振蕩器分類方法很多，可以分別從工作頻段和帶寬、器件類型、電路結(jié)構(gòu)形式、調(diào)諧方式、穩(wěn)頻方式來(lái)對(duì)其進(jìn)行分類。2.4.2雙端口負(fù)阻振蕩器的分析2.4.2.1S參數(shù)分析法根據(jù)前述容我們知道，無(wú)論是微波雙極晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管，都可以視為一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，在適當(dāng)端接下，均可以構(gòu)成振蕩器。雙端口振蕩器負(fù)阻的形成可以通過器件部基建電容的正反饋，外部電路的正反饋或外電路相結(jié)合的反饋網(wǎng)絡(luò)，但要求反饋的相位和幅度適當(dāng)，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩。因此，從反饋角度考慮，雙端口振蕩器又稱為反饋振蕩器。換句話說，無(wú)論用正反饋概念或負(fù)阻概念分析微波晶體管振蕩器，其本質(zhì)都是一樣的，只是負(fù)阻分析方法更漸變而已。2.4.2.2起振條件一個(gè)雙端口負(fù)阻振蕩器示于圖2-2。它包含晶體三極管、諧振網(wǎng)絡(luò)和輸出網(wǎng)絡(luò)。晶體三極管的散射矩陣[S]用S11、S12、S21、S22表示。設(shè)兩個(gè)端口上連接的傳輸線特性阻抗都為Z0,線長(zhǎng)都為零。圖2-2雙端口振蕩器原理圖設(shè)輸入阻抗為Zin=Rin+jXin，輸入端反射系數(shù)為Γin，向諧振網(wǎng)絡(luò)看進(jìn)去的阻抗為Zg=Rin+jXin,相應(yīng)的反射系數(shù)為Γg。在圖2-2中同時(shí)示出了晶體管的輸出阻抗Zout、輸出端反射系數(shù)Γout、負(fù)載阻抗ZL與負(fù)載反射系數(shù)ΓL。設(shè)雙端口網(wǎng)絡(luò)的入射波為a1、a2，反射波為b1、b2。雙口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)定義為b1=S11a1+S12ab2=S21a1+S22a式中D=S11S22-S12S21。因?yàn)檩斎攵丝诮又C振回路，輸出端口接匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載，都是無(wú)源器件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，故|Γg|和|ΓL|都小于1，這意味著|S11|>1,|S22顯然欲產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)小于1。如果不滿足這個(gè)條件，就應(yīng)該改變公共端，或加大正反饋，使達(dá)到k<1。這相當(dāng)于單口負(fù)阻振蕩器的起振條件。而式（3）或（4）表示振蕩器的幅相平衡和穩(wěn)定條件。2.4.2.3輸出功率Pucel等指出FET放大器的功率飽和特性可以用式（5）估算。(5)其中，G0是小信號(hào)增益，Psat是放大器的輸出飽和功率。放大器在每個(gè)輸入電平下調(diào)諧到最大有效增益GME。Kotzebue定義最大有效增益是兩端口附加增益最大的功率增益。即：用S參數(shù)的形式，表示為其中K是穩(wěn)定系數(shù)。輸入端和輸出端的反射系數(shù)分別為：此時(shí)，輸出功率近似為從這里，可以得出振蕩器最大輸出功率因此，最大有效增益GME為2.4.3壓控振蕩器的設(shè)計(jì)壓控振蕩器（VCO）是電壓——頻率轉(zhuǎn)換器，其瞬時(shí)頻率ω(t)受到環(huán)路濾波器輸出誤差電壓Ud(t)的控制，ω(t)=ω0+KvUd(t)。其中Kv是VCO的壓控靈敏度，它表示單位控制電壓可使VCO角頻率變化的大小。VCO是數(shù)字鎖相環(huán)路中的核心部分，鎖相振蕩源的輸出功率直接來(lái)自VCO，VCO的調(diào)頻噪聲會(huì)直接反映到振蕩器的輸出中。而輸出信號(hào)的調(diào)頻噪聲（相位噪聲）與輸出長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度一并構(gòu)成了鎖相頻率合成器非常關(guān)鍵的兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。從相位的觀點(diǎn)看壓控振蕩器在鎖相環(huán)路中起了積分器的作用。因此，從理論和實(shí)踐上設(shè)計(jì)好壓控振蕩器是十分重要的。2.4.4振蕩電路形式的選擇一定組態(tài)下的微波晶體管可視為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，在適當(dāng)設(shè)計(jì)條件下均可構(gòu)成振蕩器。按照振蕩器的機(jī)理分類，可分為反饋型振蕩器和負(fù)阻型振蕩器。前者利用正反饋把輸出信號(hào)的一部分以適當(dāng)?shù)南辔缓头确答佒凛斎攵耍匝a(bǔ)充振蕩中損失的能量。后者是利用負(fù)阻器件在一定條件下對(duì)負(fù)載呈現(xiàn)負(fù)阻，即等效為一個(gè)源來(lái)補(bǔ)充能量。本質(zhì)上，正反饋必定在電路中引入負(fù)阻。因此，反饋型振蕩器本質(zhì)上也是一種負(fù)阻振蕩。雙口振蕩器負(fù)阻的形成可借助于器件部極間電容的正反饋，外部電路的正反饋或部電路相結(jié)合的反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。晶體管本身是三端口期間，但在平時(shí)使用時(shí)，往往使其一個(gè)端口接地而成為二端口網(wǎng)絡(luò)。其小信號(hào)S參數(shù)可表示為：（6）根據(jù)微波晶體管的S參數(shù)的穩(wěn)定條件判斷依據(jù)|S11|<1,|S22|<1,我們可以很清楚的看出3種組態(tài)的穩(wěn)定性。但是作為振蕩器，正是需要利用晶體管的不穩(wěn)定性，才能很好的振蕩。所以我們選擇這兩個(gè)參數(shù)都大于1的結(jié)構(gòu)。從以上的三個(gè)組態(tài)的S參數(shù)圖中，可以明顯看出，共基組態(tài)的S(1,1),S(2,2)都大于1，也就是說不滿足三級(jí)管穩(wěn)定條件，而共射組態(tài)的S(1,1),S(2,2)均小于1三級(jí)管穩(wěn)定，不能振蕩；共集組態(tài)的S(1,1)在某個(gè)頻率圍大于1，但S(2,2)小于1，也不適合做振蕩電路。鑒于此，本設(shè)計(jì)選用共基電路，這樣可以在不降低諧振回路的有載Q值的情況下，保證VCO有一定的調(diào)諧寬度。對(duì)共基、共集、共射三種組態(tài)振蕩電路的研究實(shí)踐表明：共集電路盡管易于起振，但不夠穩(wěn)定，容易產(chǎn)生跳?，F(xiàn)象。相比之下共發(fā)射極電路比較難于起振，共基電極電路不僅易于起振，且頻率穩(wěn)定性好，相位噪聲性能優(yōu)越。論文中采用共基組態(tài)電路。對(duì)于變?nèi)荻O管調(diào)諧的VCO，確保其頻率—電壓特性的線性是非常重要的。而變?nèi)荻O管在低頻端調(diào)諧靈敏度Kv較大，而在高頻端Kv較小。因此頻率—電壓特性曲線線性不好是變?nèi)荻O管VCO的一個(gè)缺點(diǎn)。為了改進(jìn)這一缺陷，我在電路中采用了一電容與變?nèi)荻O管串聯(lián)的優(yōu)化方法。變?nèi)荻O管的特性曲線如圖2-3所示。圖2-3變?nèi)荻O管特性曲線從圖中可看出頻率低端的調(diào)諧線性較差。如果取一適當(dāng)數(shù)值的電容Cg與變?nèi)莨艽?lián)，則總電容Cj表示為：(7)式（7）可改寫成：Cj′=Cg/(1+Cg/Cj)只要選取合適的Cg值，則該電容的串入對(duì)V中左邊的曲線（AB段），特別是對(duì)Vmin附近Cj的影響比V中右邊曲線（AC段）大得多。圖中虛線部分即表示串入電容Cg修正后的特性曲線。這一措施使低頻端的調(diào)諧線性得到了很大的改善。該Cg值的大小可借助于計(jì)算機(jī)分析粗值，在實(shí)際應(yīng)用中，采用可變電容，通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整達(dá)到最佳值。2.4.5電路的結(jié)構(gòu)與分析依照上述設(shè)計(jì)思想，在ADS軟件中首先設(shè)計(jì)出如圖2-4所示的1.8GHz到2Ghz壓控振蕩器電路圖。其中：AT—41411晶體管;MV1404為變?nèi)荻O管;Vtune為控制電壓。微波晶體管偏置電路的設(shè)計(jì)如同振蕩器射頻電路設(shè)計(jì)一樣重要。因?yàn)樗P(guān)系到微波振蕩器的穩(wěn)定性、相位噪聲、功率與效率的高低，所以必須認(rèn)真慎重地設(shè)計(jì)偏置電路，并選擇最佳直流工作點(diǎn)，以達(dá)到較好的射頻性能。圖2-41.8GHz到2Ghz壓控振蕩器電路圖本振蕩器通過改變Vtune的值來(lái)控制變?nèi)荻?jí)管mv1404的電容值，以達(dá)到該VCO在1.8GHz到2Ghz振蕩的目的。下面利用ADS軟件對(duì)本振蕩器進(jìn)行性能分析。3壓控振蕩器電路的仿真分析3.1ADS軟件的運(yùn)用3.1.1ADS簡(jiǎn)介ADS(AdvancedDesignSystem)軟件即高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件是惠普公司提供的從電路、電磁仿真到數(shù)字信號(hào)處理分析以與物理設(shè)計(jì)等全方位的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的EDA軟件包。它包括：通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件可以進(jìn)行射頻系統(tǒng)仿真，信號(hào)處理仿真，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并包含信號(hào)處理矩陣模型，射頻系統(tǒng)模型，天線與傳輸系統(tǒng)模型和數(shù)字I/P集成組件。DSP軟件：包括適應(yīng)波形比較器，VHDL或Verilog模型編碼發(fā)生器。VHDL或Verilog仿真器和DSP綜合器。設(shè)計(jì)環(huán)境和數(shù)據(jù)可在DSP設(shè)計(jì)軟件包中顯示。RFIC設(shè)計(jì)軟件：可以對(duì)電路在時(shí)域、頻域與時(shí)域混合域進(jìn)行諧波平衡、電路包絡(luò)、高頻SPICE、線性和卷積等五種仿真。微波電路設(shè)計(jì)軟件：可以進(jìn)行線性仿真，諧波平衡仿真，統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)和電路版圖設(shè)計(jì)。軟件還帶有射頻系統(tǒng)模型，模擬模型，開發(fā)組件，微波晶體管以與二極管庫(kù)。射頻印刷板設(shè)計(jì)軟件：可以進(jìn)行線性諧波平衡和電路包絡(luò)仿真，統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)。同時(shí)也包含有源電路模型庫(kù)，多層交叉模型，系統(tǒng)模型庫(kù)，射頻晶體管庫(kù)和有源表面封裝（SMT）庫(kù)。本課題壓控振蕩器的設(shè)計(jì)主要用到微波電路設(shè)計(jì)軟件。3.1.2ADS的基本結(jié)構(gòu)ADS的基本文件結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。networkProjectsynthesisverificationmomdsndata圖3-1ADS文件結(jié)構(gòu)DRCdataDSPsynthesisdesignschematiclayoutmomentumdatasimulationdatanetworkProjectsynthesisverificationmomdsndata圖3-1ADS文件結(jié)構(gòu)DRCdataDSPsynthesisdesignschematiclayoutmomentumdatasimulationdataProject:ADS為每個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)都定義為一個(gè)工程。Mom_dsn:電路進(jìn)行分析后，所得到的結(jié)果保存在這一子目錄下。Networks:所有的電路原理圖和版圖都保存在這一子目錄下。Synthesis:DSP合成。Verfication:對(duì)版圖進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查后的結(jié)果都保存在這一子目錄下。3.2壓控振蕩器性能分析考慮到現(xiàn)在射頻電路的發(fā)展趨勢(shì)以與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件條件，本強(qiáng)化訓(xùn)練設(shè)計(jì)了振蕩頻率在1.8GHz~2Ghz，并且對(duì)每一個(gè)振蕩器進(jìn)行性能分析時(shí)分兩步進(jìn)行。第一步，對(duì)壓控振蕩器是否能夠振蕩進(jìn)行仿真檢驗(yàn)。第二步，對(duì)壓控振蕩器的具體性能參數(shù)進(jìn)行仿真分析。3.2.1振蕩性能在檢驗(yàn)振蕩器是否振蕩的環(huán)節(jié)，我們必須引入“OscTest”元件，該元件的主要功能之一就是測(cè)試設(shè)計(jì)的壓控振蕩器是否能夠振蕩。這一功能主要是通過它對(duì)振蕩器系統(tǒng)的環(huán)增益與反射系數(shù)S(1,1)相位的測(cè)量來(lái)得到的。下圖是“OscTest”(GroundedOscillatorTest)元件，在ADS庫(kù)中的模型。該元件是一個(gè)S參數(shù)仿真控制器，由于它是用諧振腔連續(xù)插入設(shè)計(jì)成的，所以在進(jìn)行仿真時(shí)無(wú)需其它任何控制器或端口器件。其具體參數(shù)設(shè)置如圖3-2中所示，即Port_Number（端口數(shù)）=1，Z（元件電阻）=1.1Ohm,Start（開始頻率）=0.5GHz,圖3-2“OscTest”元件模型Stop（終止頻率）=4GHz,Points(頻率點(diǎn)的數(shù)目)=200。其中，端口數(shù)、元件電阻與頻率點(diǎn)的數(shù)目都是根據(jù)需要取默認(rèn)值。根據(jù)晶體管特性，我們把頻率設(shè)定為0.5G~4GHz。在壓控振蕩器的電路圖中加入“OscTest”元件，并為適應(yīng)仿真的需要將電路稍作改進(jìn)，得到如圖3-3所示的仿真電路。圖3-3加入“OscTest”元件的仿真電路3.2.2仿真分析由以上分析，可以證明本振蕩器可以振蕩。接下來(lái)是分析整個(gè)振蕩電路在大信號(hào)領(lǐng)域中的性能參數(shù)。這時(shí)需用得晶體管模型都是大信號(hào)模型：pb_hp_AT41411_19921101。對(duì)壓控振蕩器的性能參數(shù)進(jìn)行仿真分析時(shí)，需從ADS得元件庫(kù)中調(diào)用兩個(gè)重要的仿真元件，即如圖3-4所示的“OscPort”（GroundedOscillatorPort）元件模型與圖3-5“HB”（HarmonicBalance）元件模型，這兩個(gè)元件一般是要匹配使用的。圖3-4“OscPort”元件模型圖3-5“HB”元件模型此次仿真的主要是大信號(hào)穩(wěn)態(tài)時(shí)壓控振蕩器振蕩的情形。圖3-6是第一步仿真后壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻譜。由從圖中譜線的標(biāo)示，可以得到在1.8GHz的目標(biāo)頻率上其輸出振蕩器可以起振且輸出電壓為7.318dBm左右。圖3-6輸出信號(hào)的頻譜圖圖3-7在時(shí)間域輸出電壓的波形圖3-7是電壓輸出波形在時(shí)間域上的變化曲線。以上是對(duì)壓控振蕩器大信號(hào)特性的分析，下面利用HB的掃頻特性，詳細(xì)介紹通過變換加在變?nèi)荻?jí)管上的電壓，來(lái)改變整個(gè)振蕩器振蕩頻率的過程。圖3-8掃頻特性中的HB設(shè)置為了測(cè)試設(shè)計(jì)的壓控振蕩器其頻率與電壓控制的關(guān)系，這里繼續(xù)引入變量Vtune,現(xiàn)在修改大信號(hào)仿真電路圖，將SRC1的電壓設(shè)置為可變電壓，其變量即為Vtune，修改HB參數(shù)如圖3-8。然后利用HB對(duì)Vtune進(jìn)行掃描，來(lái)看調(diào)協(xié)電壓對(duì)輸出頻率得影響。圖3-9是掃頻特性分析時(shí)的仿真電路。圖3-9掃頻特性仿真圖經(jīng)過仿真分析，得到以下調(diào)協(xié)特性曲線3-10：圖3-10調(diào)諧電壓與輸出頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線可以看出該振蕩器在1.8GHz~2GHz這段線性圍非常好