基于ADS的2.4GHz收發(fā)系統(tǒng)射頻前端設(shè)計

0引言

　　近年來，隨著無線通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，通信頻段已經(jīng)越來越擁擠。1985年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）授權(quán)普通用戶可以使用 902MHz，2．4GHz和5．8GHz三個“工業(yè)、科技、醫(yī)學(xué)”（ISM）頻段。ISM頻段為無線通信設(shè)備提供了無需申請在低發(fā)射功率下就能直接使用的產(chǎn)品頻段，極大地推動了無線通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。雖然目前無線數(shù)字通信技術(shù)已經(jīng)相當成熟，但射頻設(shè)計仍然是移動通信設(shè)計的瓶頸。射頻電路的設(shè)計主要圍繞著低成本、低功耗、高集成度、高工作頻率和輕重量等要求而進行。ISM頻段的射頻電路的研究對未來無線通信的發(fā)展具有重大的意義。國內(nèi)外許多文獻都對此作了研究，文獻［2］中介紹了在無線高速數(shù)據(jù)通信環(huán)境下，2．4GHz發(fā)射機的設(shè)計。文獻［3］介紹了一種低功耗的CMOS集成發(fā)射機的設(shè)計。

　　ADS（AdvancedDesignSystem）軟件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善的大型綜合設(shè)計軟件。它功能強大能夠提供各種射頻微波電路的仿真和優(yōu)化設(shè)計廣泛應(yīng)用于通信航天等領(lǐng)域。本文主要介紹了如何使用ADS設(shè)計收發(fā)系統(tǒng)的射頻前端，并在ADS的模擬和數(shù)字設(shè)計環(huán)境下進行一些仿真。

　　l發(fā)射端的建模與仿真

　　由于設(shè)計是建立在實驗室中已有的中頻調(diào)制和解調(diào)的硬件基礎(chǔ)上的，因此發(fā)射端和接收端不考慮信號的調(diào)制和解調(diào)過程。實驗室中的中頻調(diào)制模塊可以輸出大概8～10dBm的40MHz已調(diào)中頻信號，經(jīng)過分析選擇，該發(fā)射端的各個模塊均參考MAXlM公司的集成模塊的參數(shù)而設(shè)計。本地振蕩器采用的是 MAX2700。MAX2700是壓控振蕩器，通過設(shè)計合適的外圍電路可以使它輸出2．4GHz的信號。混頻器采用的是MAX2660，MAX2660是有源混頻器，可以提供一定的增益。功率放大器采用的是MAX2240，MAX2240的最大輸出功率是15．3dBm。發(fā)射端所用到的濾波器可以使用 ADS軟件中的濾波器設(shè)計工具進行設(shè)計。由于實際的濾波器的插入損耗大概為1～2dB，該設(shè)計中取濾波器的插入損耗均為1dB。通過在ADS軟件中的模擬電路設(shè)計環(huán)境進行建模。

　　在該發(fā)射端模型中，中頻信號為40MHz，-10dBm大小的信號。在ADS的模擬設(shè)計環(huán)境下，對該發(fā)射端進行設(shè)計并作預(yù)算仿真，該仿真主要是為了測量各個模塊的增益、噪聲系數(shù)、三階互調(diào)截點等。該仿真過程如圖1所示。

　　從表1仿真結(jié)果中可以看出，整個發(fā)射端的總增益為17．783dB。輸入的中頻信號為-10dBm，所以功率放大器輸出的射頻信號大小為7．783dBm。

　　2接收端的建模與仿真

　　接收端在設(shè)計中要考慮增益、噪聲系數(shù)、靈敏度等因素，比發(fā)射端的設(shè)計更為復(fù)雜。由于接收端包含很多有源器件，有源器件的非線性對整個接收系統(tǒng)會產(chǎn)生很大的影響，比如當只輸入一個信號時會出現(xiàn)增益壓縮，當輸入兩個以上的信號時會出現(xiàn)互相調(diào)制等。在本設(shè)計中，中頻解調(diào)模塊大概也需要8～10dBm的信號大小，經(jīng)過分析，低噪聲放大器采用的是MAX2641，MAX2641的增益為13．5dB，噪聲系數(shù)為1．5dB?；祛l器采用的是 MAX2682，MAX2682的增益為7．9dB，噪聲系數(shù)為13．4dB，本地振蕩器與發(fā)送端的相同。使用ADS對接收端進行建模，如圖2所示。

　　由于各個模塊的參數(shù)均為已知，通過計算可以得出系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)，三階互調(diào)截點等。

　　噪聲系數(shù)定義為系統(tǒng)輸入信噪功率比（SNR）i=Pi／N，與輸出信噪功率比（SNR）o=Po／No的比值，常用F表示。噪聲系數(shù)表征了信號通過系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲造成信噪比惡化的程度。噪聲系數(shù)常用NF（單位為dB）表示。根據(jù)噪聲系數(shù)的級聯(lián)式：

　　可以計算出系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)，系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)就是從圖3中的低噪聲放大器向輸出端方向看過去，所表現(xiàn)出的噪聲系數(shù)，也可以理解為當接收信號由低噪聲放大器傳輸?shù)捷敵龆耍邮斩藢π旁氡鹊膼夯潭?。利用公式?）經(jīng)過計算得到系統(tǒng)的噪聲系數(shù)F＝2．582dB，NF＝4．12dB。

　　三階截點IP3定義為三階互調(diào)功率達到和基波功率相等的點，此點所對應(yīng)的輸入功率表示為IIP3，此點所對應(yīng)的輸出功率表示為OIP3。根據(jù)三階互調(diào)截點的級聯(lián)式：

　　可得，系統(tǒng)總的IIP3＝－9．75dBm。同樣在模擬設(shè)計環(huán)境下，對接收端進行預(yù)算仿真，仿真結(jié)果如表2所示。

　　從表2的仿真結(jié)果可以看出整個接收端的增益為17．205dB，假設(shè)接收天線接收到的信號為－30dBm，則接收到的中頻信號大小為－12．795dBm。中頻信號的仿真值略低于中頻接收端所需要的信號大小，這可以用驅(qū)動放大器來增加信號的大小。另外由仿真結(jié)果可以看出接收端總的噪聲系數(shù)為4．151dB，而計算出的結(jié)果為4．12dB。仿真的接收端的三階輸入截點為－10．124dBm，而計算出的為－9．75dBm。以上結(jié)果有一定的差異，該差異是由增益壓縮等因素所引起的。接收機的一個很重要指標是靈敏度，它定義為：在給定的信噪比的條件下，接收機所能檢測的最低輸入信號電平。靈敏度與所要求的輸出信號質(zhì)量即輸出信噪比有關(guān)，還與接收機本身的噪聲大小有關(guān)。接收機的靈敏度可由下式計算得出：

　　假設(shè)接收機輸入端滿足共軛匹配，由源內(nèi)阻Rs產(chǎn)生的噪聲輸送給接收機的噪聲功率為其額定輸出，即：

　　額定輸出

　　假設(shè)Ta=290K，則NRS=-174dBm／Hz。所以靈敏度可表示為：