软件无线电中的射频电路设计方案

....19/23能力拓展训练任务书学生：王旋专业班级：信息SY0801指导教师：艾青松工作单位：信息工程学院题目:软件无线电中的射频电路设计方案课程设计目的：（1）安排学生进行与专业有关的综合性设计和研究，开展专题调研、探索、研究和设计，培养学生综合应用所学知识分析问题、解决问题的能力；（2）锻炼学生查询文献资料、灵活运用知识、有效开展科学研究的能力；（3）提高学生的综合素质。根据本专业需求和特点，需要在通信专业知识、实验技能和研究能力方面进行综合提高，使学生对专业综合与专业前沿知识有较为全面的了解和掌握，能够运用相关仪器和软件进行实验和模拟分析专业问题。课程设计容和要求软件无线电中的射频电路设计方案初始条件：（1）鉴主15楼“通信实验室一”MBC-5W移动通信实验箱，鉴主13楼THEX-1型现代通信原理与技术实验平台；（2）Matlab，Protel等；（3）理工大学图书馆与图书馆上的“电子资源导航”。时间安排：1布置任务鉴主504教室0．5天2项目设计实践通信实验室一、四4天3答辩指导老师办公室0．5天合计5天指导教师签名：2011年月日系主任（或责任教师）签名：2011年月日目录TOC\o"1-4"\h\z\u摘要IABSTRACT II1软件无线电简介12射频前端收发模块12.1放大器22.2混频器22.2.1增益32.2.2噪声32.2.3线性围32.2.4失真42.2.5阻抗匹配42.3振荡器42.4振荡器的原理52.4.1振荡器的分类52.4.2双端口负阻振荡器的分析52.4.2.1S参数分析法52.4.2.2起振条件52.4.2.3输出功率62.4.3压控振荡器的设计72.4.4振荡电路形式的选择72.4.5电路的结构与分析93压控振荡器电路的仿真分析103.1ADS软件的运用103.1.1ADS简介103.1.2ADS的基本结构103.2压控振荡器性能分析113.2.1振荡性能113.2.2仿真分析124总结175参考文献18摘要软件无线电（softwareradio）在一个开放的公共硬件平台上利用不同可编程的软件方法实现所需要的无线电系统。简称SWR。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电，并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。全部可编程包括可编程射频（RF）波段、信道接入方式和信道调制。射频简称RF射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。有线电视系统就是采用射频传输方式的。关键词：软件无线电，可编程，射频，高频ABSTRACTSoftwareradio(softwareradio)inanopenpublichardwareplatformusingdifferentprogrammablesoftwaremethodtorealizetherequiredradiosystem.ReferredtoastheSWR.Theidealsoftwareradioshouldbeafullsoftwareprogrammableradio,andradioplatformwithmaximumflexibilityforthefeature.Allprogrammingincludesprogrammableradiofrequency(RF)band,channelaccessmodeandchannelmodulation.RFradiofrequencyisreferredtoasRFRFcurrent,itisakindofhighfrequencyelectromagneticwaveofchange.Changesoflessthan1000timespersecondiscalledfrequencyACcurrent,morethan10000knownasthehighfrequencycurrent,andfrequencyissuchahighfrequencycurrent.Acabletelevisionsystemistheuseofradiofrequencytransmissionmode.Keywords:softwareradio,programmable,radiofrequency,highfrequency1软件无线电简介软件无线电是建立在一个通用的硬件平台之上的，这个通用平台具有模块化、开放性、可扩展性等特点。软件无线电的硬件平台主要由一下几个部分组成：模拟射频前端、宽带A/D和D/A、数字上下变频器、高速数字信号处理等。2射频前端收发模块图2-1是射频前端收发电路。从图中可以看出一个典型的射频电路分为发射和接收两个部分。每个部分包括以下几个模块：开关（功率分配器）、低噪声放大器(LNA)、混频器(MIXER：降频器和升频器)、射频滤波器和本地振荡器，功率放大器(PA)、中频滤波器和中频放大器。图2-1射频发射与接收电路在发送信号时，从基带模块送出的模拟信号，经中频放大、混频器中的升频器、功率放大器(PA)，然后再通过天线发送出去。通过天线接收进来的射频信号经滤波和低噪声放大器(LNA)放大后，与本地振荡器所产生的本地振荡信号经混频器混频(这里是降频器)，产生固定的中频信号IF，然后，经放大后送到基带部分。典型的射频收发设备除了功耗、速度、成品率等性能要求外，还要面对噪声、线性围、增益等指标。分析整个射频通信机，最重要的器件就是放大器，混频器和振荡器。下面详细分析各射频电路模块的性能指标。2.1放大器由图2-1可以看出，射频通信电路中的放大器包括接收机的低噪声小信号放大器和发射机的射频功率放大器。低噪声放大器(1ow-noiseamplifier，简称LNA)是射频接收机前端的主要部分。它主要有四个特点：首先，它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。其次，它所接收的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必定是一个小信号线性放大器，而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接收信号的同时又可能伴随许多强干扰信号混入，因此要求放大器有足够大的线性围，而且增益最好是可调节的。第三，低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或天线滤波器相连，放大器的输入端必须和它们很好的匹配，以达到功率最大传输或最小的噪声系数，并能保证滤波器的性能。第四，应具有一定的选频功能，抑制带外和镜象频率干扰，因此它一般是频带放大器。2.2混频器混频器是通信机的重要组成部件。在发射机中一般用上混频，它将已调制的中频信号搬移到射频段。接收机一般为下混频，它将接收到的射频信号搬移到中频上。接收机的混频器位于LNA之后，将LNA输出的射频信号通过与本振信号相乘变换为中频信号。混频器的主要性能指标如表2-1表2-1混频器主要性能指标举例增益10dBNF12dBIIP3+5dBm输入阻抗50Ω口间隔离10~20dB下面分别说明各参数的意义：2.2.1增益混频器的增益为频率变换增益，定义为输出中频信号的大小与输入射频信号大小之比。电压增益Av和功率增益Gp分别定义为（1）（2）混频器可以分为有源混频器和无源混频器两种，它们的区别就在于是否有功率增益，无源混频器的增益小于1，称为混频损耗。无源混频器常用二极管和工作在可变电阻区的场效应管构成。有源混频器的增益大于l，它由场效应管和双极型晶体管构成。无源混频器的线性围大，速度快，而有源混频器由于增益大于1，因此，可以降低混频以后各级噪声对接收机总噪声的影响。2.2.2噪声混频器紧跟LNA后面，属于接收机的前端电路，它的噪声性能对接收机的影响很大。混频器对射频而言是线性网络，可以按线性网络的计算公式来计算它的噪声系数，只不过将计算公式中的增益改为混频器的频率变换增益。对于零中频方案的接收机，由于射频频率和本振频率相等，若射频为已调信号，它的频谱位于载频两边，则经过混频后，它仅将信号频带的噪声搬到了零中频的频带(因为此时无镜频)。很明显，此时如果假设混频器是无噪的，则经过混频后输出输入的信噪比没有变化。对于这种信号频谱位于本振两侧的情况，测得混频器的噪声系数称为混频器的双边噪声系数(DSB)。在测量时如果仪器输出的噪声系数是双边的，只要加上3dB就是单边噪声系数。2.2.3线性围混频器对输入RF小信号而言是线性网络，其输出中频信号与输入射频信号的幅度成正比。但是当输入信号幅度逐渐增大时，与线性放大器一样，也存在着非线性失真问题。与放大器一样，也可以用下列质量指标衡量它的线性性能。1dB压降点三阶互调节点线性动态围2.2.4失真混频功能是靠器件的非线性完成两信号的相乘来实现的。由于器件非线性特性的高次方项，使本振与输入信号除产生有用中频分量外还会产生很多组合频率，当某些组合频率落到中频带宽，就形成了对有用中频信号的干扰。因此混频器的失真主要表现在组合频率干扰上，这些失真一般分为以下几种：干扰哨声寄生通道干扰互调失真2.2.5阻抗匹配对混频器三个口的阻抗要求主要有两点。一是匹配。混频器RF与IF口的匹配可以保证与各口相接的滤波器正常工作。LO口的匹配可以有效的向本地振荡器汲取功率。但对FET管，由于栅极的输入阻抗很高，匹配往往是很难做到的。二是每个口对另外两口的信号，力求短路。这样可以减少各口之间的干扰。2.3振荡器制作振荡器的有源器件可以用固态器件和电真空器件。固态器件与真空器件相比具有体积小，制作方便，耗能小，工作稳定与成本低等特点，因此人们广泛使用固态源。在使用的固态器件中，固态三端器件与固态二端器件相比具有效率高、噪声低、频带宽与易于集成等优势。所以固态振荡器己逐渐向三端器件发展。振荡器的主要技术指标是振荡器性能质量的标志，是设计研制、质检考核、选择使用的依据。振荡器被称为各种无线通信系统的心脏，是雷达、电子对抗、通信和测试等无线通信系统广泛应用的重要部件。高稳定度的微波振荡源可以提高超外差接收机的信噪比和灵敏度；对射频通信系统而言，则可以提高通信质量，充分利用电磁频谱资源；在仪表测量中微波振荡源的好坏直接影响到测量的精度和稳定度。就是因为以上原因，本次强化训练设计了工作在1.8GHz~2GHz和800MHz~900MHz的压控振荡器。下面主要介绍一下振荡器的原理与设计方法。2.4振荡器的原理振荡器在现代各种电子系统中，几乎是必不可少的重要部件。它主要用作各种中小功率调制载波信号源、收发信机中的本机振荡源和激励器、以与测量系统中的基本信号源。由于它的性能直接影响到整个系统的质量，因此，设计优质的振荡源是电子技术领域中的一个永恒的课题。2.4.1振荡器的分类振荡器分类方法很多，可以分别从工作频段和带宽、器件类型、电路结构形式、调谐方式、稳频方式来对其进行分类。2.4.2双端口负阻振荡器的分析2.4.2.1S参数分析法根据前述容我们知道，无论是微波双极晶体管或场效应晶体管，都可以视为一个两端口网络，在适当端接下，均可以构成振荡器。双端口振荡器负阻的形成可以通过器件部基建电容的正反馈，外部电路的正反馈或外电路相结合的反馈网络，但要求反馈的相位和幅度适当，才能产生稳定的振荡。因此，从反馈角度考虑，双端口振荡器又称为反馈振荡器。换句话说，无论用正反馈概念或负阻概念分析微波晶体管振荡器，其本质都是一样的，只是负阻分析方法更渐变而已。2.4.2.2起振条件一个双端口负阻振荡器示于图2-2。它包含晶体三极管、谐振网络和输出网络。晶体三极管的散射矩阵[S]用S11、S12、S21、S22表示。设两个端口上连接的传输线特性阻抗都为Z0,线长都为零。图2-2双端口振荡器原理图设输入阻抗为Zin=Rin+jXin，输入端反射系数为Γin，向谐振网络看进去的阻抗为Zg=Rin+jXin,相应的反射系数为Γg。在图2-2中同时示出了晶体管的输出阻抗Zout、输出端反射系数Γout、负载阻抗ZL与负载反射系数ΓL。设双端口网络的入射波为a1、a2，反射波为b1、b2。双口网络的散射参数定义为b1=S11a1+S12ab2=S21a1+S22a式中D=S11S22-S12S21。因为输入端口接谐振回路，输出端口接匹配网络和负载，都是无源器件构成的网络，故|Γg|和|ΓL|都小于1，这意味着|S11|>1,|S22显然欲产生振荡，稳定系数应小于1。如果不满足这个条件，就应该改变公共端，或加大正反馈，使达到k<1。这相当于单口负阻振荡器的起振条件。而式（3）或（4）表示振荡器的幅相平衡和稳定条件。2.4.2.3输出功率Pucel等指出FET放大器的功率饱和特性可以用式（5）估算。(5)其中，G0是小信号增益，Psat是放大器的输出饱和功率。放大器在每个输入电平下调谐到最大有效增益GME。Kotzebue定义最大有效增益是两端口附加增益最大的功率增益。即：用S参数的形式，表示为其中K是稳定系数。输入端和输出端的反射系数分别为：此时，输出功率近似为从这里，可以得出振荡器最大输出功率因此，最大有效增益GME为2.4.3压控振荡器的设计压控振荡器（VCO）是电压——频率转换器，其瞬时频率ω(t)受到环路滤波器输出误差电压Ud(t)的控制，ω(t)=ω0+KvUd(t)。其中Kv是VCO的压控灵敏度，它表示单位控制电压可使VCO角频率变化的大小。VCO是数字锁相环路中的核心部分，锁相振荡源的输出功率直接来自VCO，VCO的调频噪声会直接反映到振荡器的输出中。而输出信号的调频噪声（相位噪声）与输出长期频率稳定度一并构成了锁相频率合成器非常关键的两个技术指标。从相位的观点看压控振荡器在锁相环路中起了积分器的作用。因此，从理论和实践上设计好压控振荡器是十分重要的。2.4.4振荡电路形式的选择一定组态下的微波晶体管可视为一个二端口网络，在适当设计条件下均可构成振荡器。按照振荡器的机理分类，可分为反馈型振荡器和负阻型振荡器。前者利用正反馈把输出信号的一部分以适当的相位和幅度反馈至输入端，以补充振荡中损失的能量。后者是利用负阻器件在一定条件下对负载呈现负阻，即等效为一个源来补充能量。本质上，正反馈必定在电路中引入负阻。因此，反馈型振荡器本质上也是一种负阻振荡。双口振荡器负阻的形成可借助于器件部极间电容的正反馈，外部电路的正反馈或部电路相结合的反馈网络实现。晶体管本身是三端口期间，但在平时使用时，往往使其一个端口接地而成为二端口网络。其小信号S参数可表示为：（6）根据微波晶体管的S参数的稳定条件判断依据|S11|<1,|S22|<1,我们可以很清楚的看出3种组态的稳定性。但是作为振荡器，正是需要利用晶体管的不稳定性，才能很好的振荡。所以我们选择这两个参数都大于1的结构。从以上的三个组态的S参数图中，可以明显看出，共基组态的S(1,1),S(2,2)都大于1，也就是说不满足三级管稳定条件，而共射组态的S(1,1),S(2,2)均小于1三级管稳定，不能振荡；共集组态的S(1,1)在某个频率围大于1，但S(2,2)小于1，也不适合做振荡电路。鉴于此，本设计选用共基电路，这样可以在不降低谐振回路的有载Q值的情况下，保证VCO有一定的调谐宽度。对共基、共集、共射三种组态振荡电路的研究实践表明：共集电路尽管易于起振，但不够稳定，容易产生跳模现象。相比之下共发射极电路比较难于起振，共基电极电路不仅易于起振，且频率稳定性好，相位噪声性能优越。论文中采用共基组态电路。对于变容二极管调谐的VCO，确保其频率—电压特性的线性是非常重要的。而变容二极管在低频端调谐灵敏度Kv较大，而在高频端Kv较小。因此频率—电压特性曲线线性不好是变容二极管VCO的一个缺点。为了改进这一缺陷，我在电路中采用了一电容与变容二极管串联的优化方法。变容二极管的特性曲线如图2-3所示。图2-3变容二极管特性曲线从图中可看出频率低端的调谐线性较差。如果取一适当数值的电容Cg与变容管串联，则总电容Cj表示为：(7)式（7）可改写成：Cj′=Cg/(1+Cg/Cj)只要选取合适的Cg值，则该电容的串入对V中左边的曲线（AB段），特别是对Vmin附近Cj的影响比V中右边曲线（AC段）大得多。图中虚线部分即表示串入电容Cg修正后的特性曲线。这一措施使低频端的调谐线性得到了很大的改善。该Cg值的大小可借助于计算机分析粗值，在实际应用中，采用可变电容，通过实验调整达到最佳值。2.4.5电路的结构与分析依照上述设计思想，在ADS软件中首先设计出如图2-4所示的1.8GHz到2Ghz压控振荡器电路图。其中：AT—41411晶体管;MV1404为变容二极管;Vtune为控制电压。微波晶体管偏置电路的设计如同振荡器射频电路设计一样重要。因为它关系到微波振荡器的稳定性、相位噪声、功率与效率的高低，所以必须认真慎重地设计偏置电路，并选择最佳直流工作点，以达到较好的射频性能。图2-41.8GHz到2Ghz压控振荡器电路图本振荡器通过改变Vtune的值来控制变容二级管mv1404的电容值，以达到该VCO在1.8GHz到2Ghz振荡的目的。下面利用ADS软件对本振荡器进行性能分析。3压控振荡器电路的仿真分析3.1ADS软件的运用3.1.1ADS简介ADS(AdvancedDesignSystem)软件即高级设计系统软件是惠普公司提供的从电路、电磁仿真到数字信号处理分析以与物理设计等全方位的通信系统设计的EDA软件包。它包括：通信系统设计软件可以进行射频系统仿真，信号处理仿真，系统设计，并包含信号处理矩阵模型，射频系统模型，天线与传输系统模型和数字I/P集成组件。DSP软件：包括适应波形比较器，VHDL或Verilog模型编码发生器。VHDL或Verilog仿真器和DSP综合器。设计环境和数据可在DSP设计软件包中显示。RFIC设计软件：可以对电路在时域、频域与时域混合域进行谐波平衡、电路包络、高频SPICE、线性和卷积等五种仿真。微波电路设计软件：可以进行线性仿真，谐波平衡仿真，统计设计和电路版图设计。软件还带有射频系统模型，模拟模型，开发组件，微波晶体管以与二极管库。射频印刷板设计软件：可以进行线性谐波平衡和电路包络仿真，统计设计和版图设计。同时也包含有源电路模型库，多层交叉模型，系统模型库，射频晶体管库和有源表面封装（SMT）库。本课题压控振荡器的设计主要用到微波电路设计软件。3.1.2ADS的基本结构ADS的基本文件结构如图3-1所示。networkProjectsynthesisverificationmomdsndata图3-1ADS文件结构DRCdataDSPsynthesisdesignschematiclayoutmomentumdatasimulationdatanetworkProjectsynthesisverificationmomdsndata图3-1ADS文件结构DRCdataDSPsynthesisdesignschematiclayoutmomentumdatasimulationdataProject:ADS为每个设计系统都定义为一个工程。Mom_dsn:电路进行分析后，所得到的结果保存在这一子目录下。Networks:所有的电路原理图和版图都保存在这一子目录下。Synthesis:DSP合成。Verfication:对版图进行设计规则检查后的结果都保存在这一子目录下。3.2压控振荡器性能分析考虑到现在射频电路的发展趋势以与实验室现有硬件条件，本强化训练设计了振荡频率在1.8GHz~2Ghz，并且对每一个振荡器进行性能分析时分两步进行。第一步，对压控振荡器是否能够振荡进行仿真检验。第二步，对压控振荡器的具体性能参数进行仿真分析。3.2.1振荡性能在检验振荡器是否振荡的环节，我们必须引入“OscTest”元件，该元件的主要功能之一就是测试设计的压控振荡器是否能够振荡。这一功能主要是通过它对振荡器系统的环增益与反射系数S(1,1)相位的测量来得到的。下图是“OscTest”(GroundedOscillatorTest)元件，在ADS库中的模型。该元件是一个S参数仿真控制器，由于它是用谐振腔连续插入设计成的，所以在进行仿真时无需其它任何控制器或端口器件。其具体参数设置如图3-2中所示，即Port_Number（端口数）=1，Z（元件电阻）=1.1Ohm,Start（开始频率）=0.5GHz,图3-2“OscTest”元件模型Stop（终止频率）=4GHz,Points(频率点的数目)=200。其中，端口数、元件电阻与频率点的数目都是根据需要取默认值。根据晶体管特性，我们把频率设定为0.5G~4GHz。在压控振荡器的电路图中加入“OscTest”元件，并为适应仿真的需要将电路稍作改进，得到如图3-3所示的仿真电路。图3-3加入“OscTest”元件的仿真电路3.2.2仿真分析由以上分析，可以证明本振荡器可以振荡。接下来是分析整个振荡电路在大信号领域中的性能参数。这时需用得晶体管模型都是大信号模型：pb_hp_AT41411_19921101。对压控振荡器的性能参数进行仿真分析时，需从ADS得元件库中调用两个重要的仿真元件，即如图3-4所示的“OscPort”（GroundedOscillatorPort）元件模型与图3-5“HB”（HarmonicBalance）元件模型，这两个元件一般是要匹配使用的。图3-4“OscPort”元件模型图3-5“HB”元件模型此次仿真的主要是大信号稳态时压控振荡器振荡的情形。图3-6是第一步仿真后压控振荡器输出信号的频谱。由从图中谱线的标示，可以得到在1.8GHz的目标频率上其输出振荡器可以起振且输出电压为7.318dBm左右。图3-6输出信号的频谱图图3-7在时间域输出电压的波形图3-7是电压输出波形在时间域上的变化曲线。以上是对压控振荡器大信号特性的分析，下面利用HB的扫频特性，详细介绍通过变换加在变容二级管上的电压，来改变整个振荡器振荡频率的过程。图3-8扫频特性中的HB设置为了测试设计的压控振荡器其频率与电压控制的关系，这里继续引入变量Vtune,现在修改大信号仿真电路图，将SRC1的电压设置为可变电压，其变量即为Vtune，修改HB参数如图3-8。然后利用HB对Vtune进行扫描，来看调协电压对输出频率得影响。图3-9是扫频特性分析时的仿真电路。图3-9扫频特性仿真图经过仿真分析，得到以下调协特性曲线3-10：图3-10调谐电压与输出频率的对应关系曲线可以看出该振荡器在1.8GHz~2GHz这段线性围非常好