基于ADS的2.4GHz收发系统射频前端设计

0引言

　　近年来，随着无线通信业务的迅速发展，通信频段已经越来越拥挤。1985年美国联邦通信委员会（FCC）授权普通用户可以使用 902MHz，2．4GHz和5．8GHz三个“工业、科技、医学”（ISM）频段。ISM频段为无线通信设备提供了无需申请在低发射功率下就能直接使用的产品频段，极大地推动了无线通信产业的发展。虽然目前无线数字通信技术已经相当成熟，但射频设计仍然是移动通信设计的瓶颈。射频电路的设计主要围绕着低成本、低功耗、高集成度、高工作频率和轻重量等要求而进行。ISM频段的射频电路的研究对未来无线通信的发展具有重大的意义。国内外许多文献都对此作了研究，文献［2］中介绍了在无线高速数据通信环境下，2．4GHz发射机的设计。文献［3］介绍了一种低功耗的CMOS集成发射机的设计。

　　ADS（AdvancedDesignSystem）软件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA软件基础上发展完善的大型综合设计软件。它功能强大能够提供各种射频微波电路的仿真和优化设计广泛应用于通信航天等领域。本文主要介绍了如何使用ADS设计收发系统的射频前端，并在ADS的模拟和数字设计环境下进行一些仿真。

　　l发射端的建模与仿真

　　由于设计是建立在实验室中已有的中频调制和解调的硬件基础上的，因此发射端和接收端不考虑信号的调制和解调过程。实验室中的中频调制模块可以输出大概8～10dBm的40MHz已调中频信号，经过分析选择，该发射端的各个模块均参考MAXlM公司的集成模块的参数而设计。本地振荡器采用的是 MAX2700。MAX2700是压控振荡器，通过设计合适的外围电路可以使它输出2．4GHz的信号。混频器采用的是MAX2660，MAX2660是有源混频器，可以提供一定的增益。功率放大器采用的是MAX2240，MAX2240的最大输出功率是15．3dBm。发射端所用到的滤波器可以使用 ADS软件中的滤波器设计工具进行设计。由于实际的滤波器的插入损耗大概为1～2dB，该设计中取滤波器的插入损耗均为1dB。通过在ADS软件中的模拟电路设计环境进行建模。

　　在该发射端模型中，中频信号为40MHz，-10dBm大小的信号。在ADS的模拟设计环境下，对该发射端进行设计并作预算仿真，该仿真主要是为了测量各个模块的增益、噪声系数、三阶互调截点等。该仿真过程如图1所示。

　　从表1仿真结果中可以看出，整个发射端的总增益为17．783dB。输入的中频信号为-10dBm，所以功率放大器输出的射频信号大小为7．783dBm。

　　2接收端的建模与仿真

　　接收端在设计中要考虑增益、噪声系数、灵敏度等因素，比发射端的设计更为复杂。由于接收端包含很多有源器件，有源器件的非线性对整个接收系统会产生很大的影响，比如当只输入一个信号时会出现增益压缩，当输入两个以上的信号时会出现互相调制等。在本设计中，中频解调模块大概也需要8～10dBm的信号大小，经过分析，低噪声放大器采用的是MAX2641，MAX2641的增益为13．5dB，噪声系数为1．5dB。混频器采用的是 MAX2682，MAX2682的增益为7．9dB，噪声系数为13．4dB，本地振荡器与发送端的相同。使用ADS对接收端进行建模，如图2所示。

　　由于各个模块的参数均为已知，通过计算可以得出系统总的噪声系数，三阶互调截点等。

　　噪声系数定义为系统输入信噪功率比（SNR）i=Pi／N，与输出信噪功率比（SNR）o=Po／No的比值，常用F表示。噪声系数表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。噪声系数常用NF（单位为dB）表示。根据噪声系数的级联式：

　　可以计算出系统总的噪声系数，系统总的噪声系数就是从图3中的低噪声放大器向输出端方向看过去，所表现出的噪声系数，也可以理解为当接收信号由低噪声放大器传输到输出端，接收端对信噪比的恶化程度。利用公式（1）经过计算得到系统的噪声系数F＝2．582dB，NF＝4．12dB。

　　三阶截点IP3定义为三阶互调功率达到和基波功率相等的点，此点所对应的输入功率表示为IIP3，此点所对应的输出功率表示为OIP3。根据三阶互调截点的级联式：

　　可得，系统总的IIP3＝－9．75dBm。同样在模拟设计环境下，对接收端进行预算仿真，仿真结果如表2所示。

　　从表2的仿真结果可以看出整个接收端的增益为17．205dB，假设接收天线接收到的信号为－30dBm，则接收到的中频信号大小为－12．795dBm。中频信号的仿真值略低于中频接收端所需要的信号大小，这可以用驱动放大器来增加信号的大小。另外由仿真结果可以看出接收端总的噪声系数为4．151dB，而计算出的结果为4．12dB。仿真的接收端的三阶输入截点为－10．124dBm，而计算出的为－9．75dBm。以上结果有一定的差异，该差异是由增益压缩等因素所引起的。接收机的一个很重要指标是灵敏度，它定义为：在给定的信噪比的条件下，接收机所能检测的最低输入信号电平。灵敏度与所要求的输出信号质量即输出信噪比有关，还与接收机本身的噪声大小有关。接收机的灵敏度可由下式计算得出：

　　假设接收机输入端满足共轭匹配，由源内阻Rs产生的噪声输送给接收机的噪声功率为其额定输出，即：

　　额定输出

　　假设Ta=290K，则NRS=-174dBm／Hz。所以灵敏度可表示为：