微波電路與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)5課件

實(shí)驗(yàn)5ADS系統(tǒng)級(jí)仿真2012年9月SchoolofElectronicEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaADS系統(tǒng)級(jí)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私馐瞻l(fā)信機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)；掌握利用ADS中行為級(jí)模塊進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真的方法。使用如濾波器、放大器、混頻器等行為級(jí)的功能模塊搭建收發(fā)信機(jī)系統(tǒng)。運(yùn)用S參數(shù)仿真、交流仿真、諧波平衡仿真、瞬態(tài)響應(yīng)仿真等仿真器對(duì)收發(fā)信機(jī)系統(tǒng)的各種性能參數(shù)進(jìn)行模擬檢測(cè)。ADS系統(tǒng)級(jí)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：5.1收發(fā)信機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)5.2外差式接收機(jī)的系統(tǒng)級(jí)仿真典型無(wú)線接收機(jī)框圖（超外差式）接收機(jī)各部分的作用和要求如下：射頻濾波器1（FPFilter1）選擇信號(hào)頻段、限制輸入信號(hào)帶寬、減小互調(diào)失真。抑制雜散信號(hào)，避免雜散響應(yīng)。減少本振泄漏，在頻分系統(tǒng)中作為頻域相關(guān)器。低噪聲放大器（LNA）在不使接收機(jī)線性度惡化的前提下提供一定的增益。抑制后續(xù)電路的噪聲，降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。射頻濾波器2（FPFilter2）抑制由低噪聲放大器放大或產(chǎn)生的鏡頻干擾。進(jìn)一步抑制其他雜散信號(hào)。減少本振泄漏。接收機(jī)各部分的作用和要求如下：混頻器（Mixer）將射頻信號(hào)下變頻為中頻信號(hào)。是接收機(jī)中輸入射頻信號(hào)最強(qiáng)的模塊，其線性度極為重要，同時(shí)要求較低的噪聲系數(shù)。本振濾波器（InjectionFilter）濾除來(lái)自本振的雜散信號(hào)。本振信號(hào)源（LO）為接收機(jī)提供本地振蕩信號(hào)。2.發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)是一個(gè)非常重要的子系統(tǒng)，無(wú)論是語(yǔ)音、圖像，還是數(shù)字信號(hào)，要利用電磁波傳送到遠(yuǎn)端，都必須使用發(fā)射機(jī)產(chǎn)生信號(hào)，然后經(jīng)調(diào)制放大送到天線。

發(fā)射機(jī)一般具有頻率、帶寬、功率、輻射雜散等性能指標(biāo)參數(shù)。

發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)可分為：超外差、零中頻和數(shù)字中頻等。典型無(wú)線發(fā)射機(jī)框圖5.2外差式接收機(jī)的系統(tǒng)級(jí)仿真建立工程建立行為級(jí)模型構(gòu)成的系統(tǒng)系統(tǒng)仿真射頻前端電路參數(shù)設(shè)置微波帶通濾波器切比雪夫帶通濾波器階數(shù)：4中心頻率：2140MHz3dB帶寬：80MHz阻帶帶寬：400MHz帶外衰減：25dB

通帶波紋：0.1dB插入損耗：1dB低噪聲放大器增益：21dB噪聲系數(shù)：2dB

因該放大器處于射頻前端，故需要較低的噪聲系數(shù)。射頻前端電路Filter-Bandpass元件面板System-Amp&Mixer元件面板Sources-FreqDomain元件面板信號(hào)源（交流功率源）端口：1

輸出阻抗：50功率方程：P=polar(dbmtow(RF_pwr),0)變量RF_pwr頻率：變量RF_freqMHz移相器和功分器由于要將接收信號(hào)分為同相和正交兩路，所以本振信號(hào)也要分為兩路，一路直接和接收信號(hào)混頻，一路先經(jīng)移相器移相90°，再進(jìn)入混頻器混頻，所以還要用到移相器和功率分離器，它們都可以從System-Passivepalette中找到的。下變頻部分電路參數(shù)設(shè)置下變頻部分電路元件System-Amp&Mixer元件面板Sources-FreqDomain元件面板System-Passive元件面板中頻部分電路參數(shù)設(shè)置中頻放大器增益：在24~66dB之間可調(diào)，所以也設(shè)為變量G5NF：15dB最后在中頻輸出端加入端口Term2和Term3。

中頻部分電路完整接收機(jī)電路圖接收機(jī)頻帶選擇性仿真使用S參數(shù)仿真進(jìn)行接收機(jī)的系統(tǒng)選擇性分析。首先是接收機(jī)的頻帶選擇性分析。S_parameterSimulationController設(shè)置：1GHz~3GHz步進(jìn)：

10MHz接收機(jī)頻帶選擇性仿真結(jié)果估算接收機(jī)射頻前端電路通帶中心頻率S21的最大值。畫出S21的仿真結(jié)果圖形，并用光標(biāo)標(biāo)出通帶中心頻率（2.14GHz）的值。用DeltaMarke標(biāo)出在偏離中心頻率70MHz處S21的值。觀察通帶內(nèi)的波動(dòng)情況，分析通帶內(nèi)的波動(dòng)最大值。信號(hào)源和變量VAR的參數(shù)設(shè)置信號(hào)源（交流功率源）端口：1

輸出阻抗：50功率方程：P=polar(dbmtow(RF_pwr),0)變量RF_pwr頻率：變量RF_freqMHz變量VARRF_freq=2140LO_freq=1822RF_pwr=-108G5=66信號(hào)源和變量VAR的參數(shù)設(shè)置Sources-FreqDomain元件面板S參數(shù)仿真控制器參數(shù)設(shè)置起始頻率：2.1GHz終止頻率：2.18GHz頻率間隔：0.5MHz頻率轉(zhuǎn)換：允許頻率轉(zhuǎn)換的端口：1接收機(jī)信道選擇性仿真電路圖接收機(jī)信道選擇性仿真結(jié)果從下圖中可以看到，中心頻率2.14GHz處的增益為96dB，為系統(tǒng)的最大增益；鄰道抑制達(dá)到了36.9dB；通頻帶寬為4MHz，一般接收的信息都集中在離中心頻率2MHz的范圍內(nèi)，因此不會(huì)導(dǎo)致接收到的信號(hào)產(chǎn)生較大的失真；通帶內(nèi)的波動(dòng)不大于0.1dB。接收機(jī)系統(tǒng)算增益仿真通過(guò)這個(gè)仿真我們將看到系統(tǒng)總增益在系統(tǒng)各個(gè)部分中的分配情況。

預(yù)算增益仿真在諧波平衡分析以及交流分析中都可以進(jìn)行，但如果在交流仿真中進(jìn)行的話，混頻器不能是晶體管級(jí)的。因?yàn)檫@里進(jìn)行的是行為級(jí)仿真，混頻器的非線性特征是已知的，所以此處就用交流分析來(lái)進(jìn)行仿真。接收機(jī)系統(tǒng)算增益仿真在電路圖中加入交流仿真控制器。交流仿真控制器參數(shù)設(shè)置頻率：2.14GHz頻率轉(zhuǎn)換(EnableACfrequencyconversion):允許Yes預(yù)算分析(Performbudgetdimulation)：執(zhí)行YesSimulation-AC元件面板預(yù)算路徑設(shè)定和預(yù)算增益方程建立預(yù)算分析還有兩項(xiàng)很重要的設(shè)置是預(yù)算路徑設(shè)定和建立預(yù)算增益方程。預(yù)算路徑設(shè)定：可以在仿真的下拉菜單中找到。點(diǎn)擊菜單【Simulate】【GenerateBudgetPath…】，彈出如下窗口。預(yù)算路徑設(shè)定和預(yù)算增益方程建立輸入端選擇：Port1輸出端選擇：Term1（因?yàn)镮/Q兩支路的增益分配完全相同，故任意仿真其中的一條即可）

點(diǎn)擊Generate和Highlight就可設(shè)置好預(yù)算路徑，同時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)生成預(yù)算增益方程。預(yù)算增益路徑在電路圖中高亮顯示。預(yù)算增益方程BudGainComponent設(shè)置在原理圖中加入BudGainComponent，將其設(shè)置為如右圖所示即可。請(qǐng)注意“，”的個(gè)數(shù)。Simulation-AC元件面板預(yù)算增益仿真電路圖預(yù)算增益仿真仿真結(jié)束后，選擇顯示BudgetGain1。Y軸為BudGain1，但圖中并沒(méi)有任何曲線生成。如果在Y軸的BudGain1后鍵入[0]后，增益預(yù)算曲線就出現(xiàn)了，這是因?yàn)轭A(yù)算增益仿真必須明確指定頻率，這里只有唯一的頻率2.14GHz，也就是頻率數(shù)組中的第1個(gè)，故[0]是必須的。預(yù)算增益仿真結(jié)果預(yù)算增益仿真結(jié)果修改變量VAR控件中的變量值：G5=24，RF_pwr=-32，再次仿真，并與前次仿真比較，圖片見(jiàn)下頁(yè)。我們將兩次仿真的結(jié)果在一個(gè)圖中表示出來(lái)，可以清楚地看到接收機(jī)在VGA增益最大和最小的情況下整機(jī)增益的分配情況。兩次預(yù)算增益仿真結(jié)果比較兩次預(yù)算增益仿真結(jié)果比較接收機(jī)的下變頻分析通過(guò)這次仿真，我們將看到接收機(jī)是如何將射頻信號(hào)的頻譜搬移到零頻的，也就是接收機(jī)的頻域響應(yīng)特性。這里使用的是諧波平衡仿真（HarmonicBalanceSimulation，HBSimulation）。

接收機(jī)輸入端的交流功率信號(hào)源：

頻率：2140MHz，電平：-108dBm（為與后噪聲分析中的下變頻比較，該處也采用-108dBm的電平）本地振蕩器也改用交流功率信號(hào)源。

頻率：1822MHz，電平：-20dBm。中頻放大器增益：G5：66dB輸入、輸出端編輯

通過(guò)菜單【Insert】【W(wǎng)ire/PinLabel…】設(shè)置輸入、輸出端，分別命名為Vin、Vout_i和Vout_q。下變頻仿真元件參數(shù)設(shè)置HBcontroller參數(shù)設(shè)定在電路圖中插入HBcontroller，并進(jìn)行頻率設(shè)定。注意HB仿真中為了能夠正確進(jìn)行非線性分析，HBcontroller中的頻率變量必須和原理圖中的信號(hào)源頻率相一致，如果有多個(gè)頻率需要設(shè)定，F(xiàn)req[1]必須是輸出功率電平最高的信號(hào)源。所以這里必須是本振頻率，Order指的是諧波個(gè)數(shù)。HBcontroller的參數(shù)設(shè)定如下頁(yè)所示。Simulation-HB元件面板接收機(jī)下變頻仿真電路圖接收機(jī)的下變頻功率譜仿真結(jié)果從仿真結(jié)果中可以看到接收機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的下變頻作用。射頻輸入信號(hào)的頻譜從2.14GHz的載頻被搬移到了318MHz的中頻。

接收機(jī)的相位噪聲分析這一部分將在本振中設(shè)定一組相位噪聲，然后用諧波平衡分析的方法進(jìn)行仿真，在輸出端觀察相位噪聲的情況，另外也會(huì)順便給出外差式接收機(jī)的頻譜特性。

為進(jìn)行相位噪聲仿真需要專門的本振源，在Source-FreqDomain元件面板中找到帶有相位噪聲的本振源OSCwPhNoise，需要設(shè)定的參數(shù)包括本振頻率、輸出功率、輸出阻抗和相位噪聲分布，其中最后一項(xiàng)用列表形式給出。

相位噪聲本振源設(shè)置在Simulation-HBPalette中選擇HBnoisecontroller插入電路圖，對(duì)HBnoisecontroller進(jìn)行設(shè)定，在Freqtab中設(shè)定噪聲分析的范圍和步進(jìn)，和OSCwPhNoise的參數(shù)設(shè)置相一致，從10Hz到10kHz，用log形式，每個(gè)數(shù)量級(jí)仿真5個(gè)點(diǎn)。在Nodestab選擇Vout_i和Vout_q為噪聲測(cè)量管腳。在PhaseNoisetab中設(shè)定相位噪聲的形式，為PhaseNoisespectrum，將噪聲的載頻定為318MHz，和輸出中頻一致。最終的設(shè)置結(jié)果見(jiàn)圖。HB噪聲仿真器參數(shù)設(shè)置HB噪聲仿真器必須和HBsimulationcontroller搭配使用，它可獨(dú)立于simulationcontroller很方便的進(jìn)行所有噪聲的測(cè)量，而且可以使用多個(gè)HBnoisecontroller同時(shí)進(jìn)行不同噪聲的測(cè)量，而且在這種情況下只需一個(gè)simulationcontroller即可。

HB噪聲仿真器說(shuō)明在電路圖加入HBcontroller，將頻率參數(shù)設(shè)置為射頻輸入頻率和本振頻率，這里注意不需要設(shè)置中頻頻率，默認(rèn)的諧波階數(shù)和混頻最大階數(shù)將自動(dòng)計(jì)算電路中的所有頻率，當(dāng)然也包括中頻。然后在NoiseConstab中選擇剛才已設(shè)定好的噪聲仿真器NC1。設(shè)置好的HBcontroller如圖所示。

HBcontroller參數(shù)設(shè)置VAR參數(shù)設(shè)置相位噪聲仿真電路圖全部設(shè)置完成后即可進(jìn)行仿真，在數(shù)據(jù)顯示窗口中把Vout_ipnmx、Vout_qpnmx、Vout_i和Vout_q分別表示出來(lái)，我們可以看到相位噪聲在接收機(jī)輸出端的分布情況和中頻輸出信號(hào)的頻譜特性。仿真結(jié)果相位噪聲仿真結(jié)果輸出頻譜仿真結(jié)果本振輸出功率對(duì)接收機(jī)性能的影響本節(jié)主要討論如何通過(guò)對(duì)本振輸出功率的調(diào)整來(lái)修改接收機(jī)的性能。首先要列出接收機(jī)的中頻輸出功率的測(cè)量方程，因?yàn)檩敵龅男盘?hào)是靠混頻生成的，因此需要用函數(shù)mix來(lái)定義方程，如下所示，式中的{}中的-1表示本振，1表示射頻輸入，結(jié)果即是中頻輸出。因?yàn)镮/Q兩條支路性能基本一致，因此我們只仿真其中的I支路。另外我們把混頻器的PminLO設(shè)為-5，這樣將使混頻器二極管的響應(yīng)顯得更加真實(shí)。變量設(shè)置和測(cè)量方程如圖所示。中頻輸出方程和變量設(shè)置Simulation-HB元件面板首先將混頻所需考慮的最大諧波階數(shù)Order設(shè)為8，本振的諧波階數(shù)設(shè)定為5，射頻信號(hào)仍為3，因?yàn)樗墓β时缺菊褫敵鲆偷枚唷Ｔ赟weep屬性頁(yè)中將本振功率定為變量，并將掃描范圍設(shè)定為-30~10，步進(jìn)為1。HBsimulationcontroller的設(shè)置在Freq屬性頁(yè)中，將LevelStatus設(shè)定為4級(jí)，這意味著仿真將得到更多的結(jié)果，包括噪聲系數(shù)和增益，其它的參數(shù)像FFT中的Oversample和Convergence設(shè)置只有對(duì)大型電路進(jìn)行仿真時(shí)才需要增加，這里使用默認(rèn)值足夠了。在Noise屬性頁(yè)中，首先擊活Nonlinearnoise（在1欄的底部），接著將噪聲頻率設(shè)置為中頻318MHz，將輸入頻率設(shè)置為變量RF_freq，并把輸入輸出管腳分別設(shè)置為1和2，注意這要和電路圖中輸入和輸出端的標(biāo)號(hào)保持一致。在2欄中，將theNodefornoiseparameter設(shè)置為Vout并將Includeportnoiseinnodenoisevoltages選項(xiàng)勾掉，因?yàn)榛祛l器的噪聲系數(shù)不需要用到端口噪聲。另外在solver欄中選定UseKrylovsolver就完成了全部參數(shù)的設(shè)定，其