2.4GHz收發(fā)系統(tǒng)射頻前端的ADS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(dāng)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(jìn)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(xiàn)都對此作了研究，文獻(xiàn)[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(jī)的設(shè)計。文獻(xiàn)[3]介紹了一種低功耗的CMOS集成發(fā)射機(jī)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)只輸入一個信號時會出現(xiàn)增益壓縮，當(dāng)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。混頻器采用的是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(jìn)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(dāng)接收信號由低噪聲放大器傳輸?shù)捷敵龆?，接收端對信噪比的惡化程度。利用公?1)經(jīng)過計算得到系統(tǒng)的噪聲系數(shù)F＝2．582dB，NF＝4．12dB。