欢迎来到MathWorks研讨会在射频收发器和天线一体化设计。我的名字叫Giorgia祖凯利。我是MathWorks射频技术营销经理和混合信号产品领域。如果你有任何问题关于这个演讲或相关话题,请随时直接与我联系通过电子邮件。
在接下来的半个小时,使用示例代码和可执行的模型,我们将介绍如何设计射频收发器,从高层开始规范。我们将逐步精心设计考虑到噪声的影响,非线性,阻抗不匹配,干扰信号,还包括天线的集成。
了解这些影响的同时影响是具有挑战性的预测和理解。阐述射频系统设计时,我们将看到如何准确的射频收发器可以帮助评估模型实现权衡和确定最佳架构实现。例如,我们会看到,实际上,如何确定诸如所需数量的上转换和下转换阶段,或者选择一个特定的数字信号处理算法需要减轻损伤。
和网络研讨会也将帮助你回答更多的问题,你可能会和你的一些设计中获得的见解。
我们开始本课程介绍射频系统设计。我们将使用两个简单的例子。第一个例子是一个单站雷达脉冲。第二个例子是Zigbee无线通信系统。我们将演示方法设计RF收发器,实现一个特定的规范,例如,一个最大比特误码率或某些概率的检测。和更复杂的射频系统,例如,对于5 g的应用程序,可以被设计后完全相同的方法。
我们将开始与射频预算分析。然后我们将精心设计包括非线性效应。同时,我们将包括干扰信号。最后,我们将整合电磁仿真结果和一个完整的天线收发器元素。
第一个例子是一个非常简单的雷达系统。它由发射机、接收机,一个通道,和目标模型,我们可以指定位置和速度。让我们打开模型。
这个雷达是一种单稳态脉冲雷达。它在10 ghz的信号带宽大约30 MHz。模型包括脉冲生成,目标反射,信号采集、数字信号处理算法。使用雷达波形参数已经确定方程。在这个模型中脚本,你看到不同参数设置来实现最大范围的5公里,50米的分辨率。
当我们运行模拟时,我们发现我们有一个目标,这大约2公里远离雷达。和目标检测。让我们看看会发生什么,如果我们移动目标远离雷达。例如,让我们把它的极限附近雷达探测距离为4.9公里。目标仍然可以发现,尽管峰值噪声地板上方。
如果我们减少射频接收机增益,即使只是几分贝,目标是不再检测和信号电平低于噪声地板上。另外,如果我们增加接收机的噪声图,我们也看到,反映出目标信号低于噪声地板上。
我们可以得出结论,以满足目标范围检测需求,射频接收机的性能预算是30 dB的增益和10 dB噪声图。在这一点上,我们可以开始评估实现权衡和回答问题,如我们如何分区的增益和噪声预算整个射频接收机的不同组件?其他的影响效果,如相位噪声、非线性行为,或集成天线吗?
让我们看看另一个例子,一个无线通信系统。在这个例子中,有一个基带发射机基带接收机,可以用来计算比特误码率和芯片错误率。比特误码率计算,你需要模拟很长比特序列,为了达到统计上显著的结果。
在本例中,我们想要达到一个比特误码率小于1的军医。计算等效芯片错误率需要短数据序列,如错误的相对数量较高,考虑到许多比特映射到一个芯片。
对于这个场景,大约7%的芯片错误率要求1的军医的比特误码率。我们将使用芯片错误率比特误码率作为代理,这样我们可以更短的模拟运行。
我们可以推出接收器的规格根据所需的芯片错误率。例如,实现芯片错误率7%功率灵敏度水平-100 dBm,接收机的信噪比必须至少0.3 dB。显然,高信噪比将使我们能够实现一个更好的芯片错误率。
基于信噪比,我们可以推导出射频接收机预算使用启发式和众所周知的链路预算分析技术。在这种情况下,-100年电力敏感性dBm和10位ADC 0 dBm饱和功率射频接收机的规范是51 dB的增益,和11分贝的噪音。
现在让我们打开模型和验证射频接收器链满足预算规范。
这是一个简单的通信系统的模型。规格是直接取自Zigbee标准。在这个试验台,我们最低功率灵敏度测试接收机,传输信号功率设置为-100 dbM,带宽的2 MHz。基带接收器非常简单,用于恢复OQPSK信号。它使用一个自动增益控制和匹配滤波器。
射频接收机与单个放大器建模,计算增益和噪声的特征图。ADC模型包括性能特征,如动态范围、饱和度和10位量化的影响。我们可以验证链接预算分析准确预测总体系统性能。派生的增益和噪声图,我们确实可以实现芯片大约7%的错误率。
非常重要,我们需要回答的问题也在这种情况下我们如何分区增益和噪声预算在接收者的不同组件吗?和其他影响,如相位噪声、非线性、天线集成。这些都是完全相同的问题,我们之前雷达接收机。
那么我们如何开始使用射频设计?我们如何确定,同时,射频接收机架构和组件参数?一个很好的起点是使用数据预算分析仪应用程序。这个程序,可以计算噪声级联图和功率水平,而占分量非线性和阻抗不匹配。
这不是很容易做,使用电子表格和理想化的公式链接分析。RF预算分析仪应用最近增强,包括谐波平衡。的应用,我们可以生成MATLAB脚本促进设计空间探索和分析过程的自动化。
此外,也从这个应用程序,您可以生成模型包络仿真电路。这允许您直接比较分析结果与Friis方程或谐波平衡或包络仿真电路。我们可以从应用程序启动预算数据分析仪应用将来发布。
首先,我们设置系统参数。在这种情况下,接收机在2.45兆赫的输入功率- 100 dBm和信号带宽的2兆赫。现在,我们开始构建我们的链。我们将从一个简单的架构组成的带通滤波器,一个LNA、解调器、通道过滤器,和一个低频放大阶段。带通滤波器,我们将使用一个过滤带外抑制高。
我们将使用的参数情节导入试金石数据文件描述了过滤器的行为。的参数可能来自测量、EM-simulation或一个组件数据表。我们把这个过滤器的参数的一个扩展带宽。
LNA、你将获得20 dB和图4分贝的噪音。解调器,我们设置12 dB的增益和噪声图13分贝。我们还设置本地振荡器频率为2.45兆赫直接下变频0赫兹。
因为我们选择直接转换结构,将使用智商解调器。我们添加一个三阶巴特沃斯滤波器,40 MHz带宽,选择下转换信号和抑制up-converted。对于低频放大器,我们设置增益等于22 dB和图12分贝的噪音。
我们首先验证名义线性条件下的系统行为。稍后我们将包括组件非线性规范。的整体利益链大约51 dB。它符合规范。
总体噪声图7 dB,远低于预算11分贝。这意味着我们有一个信噪比约为3.8 dB。这是高于0.3 dB的最低要求,这意味着系统将有一个芯片错误率小于7%。
现在让我们添加了射频接收机的试验台和评估结果芯片错误率。我们生成电路包络仿真模型直接从应用程序,这个模型嵌入到我们的试验台,测量芯片错误率。正如你所看到的,所生成的模型包括所有的元素的接收器,包括智商解调器。
试验台,我们现在可以替换占位符的射频接收机模型生成。当我们运行这个模型中,我们预计芯片错误率低于7%。然而,高得多。芯片误码率性能退化是由于引入的相位旋转看见过滤器。
中心频率的相位偏移量约为- 419度,也就是说,等于- 59度。这个相位旋转不补偿的简单的基带接收器,当我们没有实现机制来恢复正确的阶段的星座。我们可以绘制接收到的星座来证明这一点。
一个简单的一阶的解决方案是包括一个固定的相位旋转补偿滤波器。我们将设置相位旋转的识别价值59度。如果我们重新运行仿真,我们得到一个芯片错误率1%左右,正如预期。我们有很大的优势,所以我们可以继续精心设计。
当前的模型并不占任何非线性行为。让我们回到应用程序,看看会发生什么当我们指定第二和三阶非线性行为各自的活性成分。我们增加了输出IP2和输出IP3规范系统中放大器和解调器。
预算与Friis方程计算的结果是一样的。我们可以另外检查IP3预算分析的结果。我们可以从Friis方程关联结果与获得的结果与谐波平衡引擎。他们是相同的,因为测试接收机的最小功率灵敏度级别,也就是说,在轻度非线性条件。
但当我们增加输入功率RF链吗?现在让我们评估优势情况下,当我们输入功率增加到-10 dBm。如您所见,现在获得51 dB,接收者的活性成分是饱和。还要注意,输出IP2是相当大的。所以你可能会认为这是微不足道的。我们将能够验证这一假设。
最后,我们可以重新生成电路包络模型并使用了射频接收机子系统在我们试验台验证这种新的操作条件下的系统性能。现在让我们检查电路包络模型更密切。如您所见,现在的放大器包括IP2和IP3的有限值。此外,解调器包括二、三阶非线性行为的有限值。
然而,在电路包络模型中,我们还可以包括额外的障碍。例如,我们可以指定智商0.5 dB的增益不匹配。
我们也可以添加本地振荡器泄漏。例如,让我们指定一个LO射频隔离90分贝的价值。直观地说,你可能会认为这将对系统性能几乎没有影响。但我们会清楚地看到相互混合的影响,随着输入功率接近最低功率灵敏度水平。
我们还可以包括相位噪声的影响通过指定组成的频率偏移和相位噪声剖面对应的相位噪声水平。你可以期待解调器实际上是如何建模通过简单地选择编辑系统块对话框按钮,或通过悬停块面具下,右击鼠标并选择选项。
现在如果我们模拟模型,我们看到一个非常高的芯片错误率和直流大飙升,造成有限的隔离本地振荡器,所使用的解调器。这么小的输入信号,结合有限的LO射频隔离了一个意想不到的直流偏置,绝对不是可以忽略不计。
让我们减轻这种缺陷包括数字信号处理算法的直流偏置补偿并重新运行仿真。相比一个完美的线性系统,芯片错误率退化,但仍很好,远低于所需的7%的价值。
有许多不同的仿真技术可用于射频仿真。最常用的一个可能是等效基带,只模拟感兴趣的信号带宽。仿真是快。然而,光谱的影响再生在谐波和高阶互调的产品将被忽略。下载188bet金宝搏
另一个替代方法是模拟在时域和人尽皆知地模拟直流,并选择基于时间步的整数倍数系统载波频率。这导致了高度精确的仿真系统,但换来的是一个模拟非常耗时。
启用快速和准确的射频系统仿真,射频Blockset包括电路包络仿真引擎。你可以看到一个电路包络等效基带的泛化,在那里你可以有效地模拟信号稀疏谱占领,利用多个载波频率。
射频Blockset是一个独特的系统级仿真器,它允许您选择使用哪一个模拟技术,它是在行为层面上,而不是在晶体管级,从而进一步加快模拟。
电路信封不是一项新技术,它通过结合瞬态模拟与谐波平衡分析,相同类型的分析,我们也使用射频预算分析仪应用。输入和输出端口允许您选择信封的中心频率。他们同时仿真软件信号转化为等效为电压和电流。金宝app
通过考虑所有的非线性行为,所产生的谐波和互调产品以及干扰信号,可以实现更准确的模拟,以足够快的速度仍然使用结合数下载188bet金宝搏字信号处理算法。
现在让我们看看电路信封帮助我们在建模直接变频接收机。射频收发器,我们用电路信封模拟基带信号调制到2.45 GHz的载体。我们混合信号与本地振荡器操作在同一频率。我们利用直接下变频的架构。以及由此产生的输出信号集中在0赫兹。
当我们添加的有限振动搅拌机、本地振荡器的一小部分力量泄露到射频路径和混合本身。结果,一个重要介绍了直流偏置,我们减少直流阻断剂。
现在让我们复习不同的用例适合包络仿真电路,在一个干扰信号的影响也包括在系统仿真。
在这个模型中,射频接收机是相同的,我们在前一步发展。我们改变了试验台包括一个球出界线干扰信号。接下来我们的期望信号,我们包括wide-bend干扰信号与5 MHz带宽。信号集中在2.5 GHz,或50 MHz远离我们感兴趣的信号。它有更高的力量,大约-30 dBm。
但是影响的干扰信号是一个射频接收机吗?你可能记得,通道选择滤波器的带宽40 MHz。所以我们希望,干扰信号下转换到50 MHz,和完全过滤掉。然而,由此产生的芯片错误率比以前高得多。让我们调查这个问题。
了解芯片的退化错误率,我们使用相同的图形,我们之前使用。我们添加一个球出界线从输出干扰信号,我们删除它,因为这是外面通道选择滤波器的带宽。
所以为什么芯片错误率退化?退化是由于有限IP2解调器。它通过射频系统的后续阶段传播。所需的信号是低功耗,因此它不会引起任何非线性。
然而,大功率的直流干扰信号导致频谱再生,有效地减少所需的信号的信噪比。这是简单,但是一个很好的例子,显示了行为模型可以帮助您理解如何调试和预测行为产生的互调的组合产品和混合器泄漏。下载188bet金宝搏即使实验室测试和完整的电路模拟不允许你来隔离不同的障碍,了解原因,并减轻其影响。
在最后的例子覆盖在这演讲,我要集成天线射频接收机。每个无线系统利用一个天线,但很难在系统仿真包括他们的行为。在这个模型中,我们改变输入端口接收天线。
默认情况下,天线各向同性。然而,我们将各向同性天线替换为一个更现实的微带贴片天线,更好地描述了物理实现接收机。为了达到这个目标,我们利用完整的电磁分析。为了这样做,我们调用直接从天线天线设计师应用块。
我们可以选择任何天线的应用程序目录。在这种情况下,平面微带贴片似乎是适当的。我们设计的天线谐振在2.45 GHz。我们使用矩量法分析天线电磁求解程序。我们计算天线参数,如输入阻抗和相应的一个端口的参数。
我们也使用这个应用程序来计算远场辐射模式。在这种情况下,我们看到10 dBi天线方向性。当我们运行仿真,使用天线阻抗加载看到过滤器。因此,阻抗不匹配在这个模型中捕获。3 d远场辐射模式计算名义载波频率和干扰信号的频率。这让我们占到来的方向。
在本例中,我们指定的方向到达90度的仰角。由于天线增益,可以减少获得的第一个阶段,而信噪比整体性能提高。当我们完成了这最后一个例子,我想很快就总结一下到目前为止我们覆盖和分享一些观测可以使用工作流,我们已经介绍了如何提高射频收发器设计的效率。
你会发现自己花太多时间一遍又一遍地重复同样的任务吗?例如,你发现电子表格分析是不完整的,耗时的发展,和难于理解吗?你发现给定的限制需要不断修改你的计算包括额外的影响吗?
或者也许你会发现自己花上几个小时验证射频识别自适应算法使用射频模型过于简化,例如,确认没有现实的功率放大器的DPD算法模型,或一个没有接收机AGC(自动增益控制)算法模型,或一种自适应波束形成算法,不包括天线阵列的远场行为,或影响耦合。之间缺少集成芯片和算法会导致过多的同时,多个设计迭代。
或者你发现自己花费大量时间调试实验室原型。通常不可能评估完整的系统设计,直到在实验室里测试。建筑相关的测试设置和质量指标是复杂的。和通常的结果是,数据测量分析了晚,它提供了有限的见解。
最后,你发现绝大多数具有挑战性与同事和客户进行沟通以量化方式射频系统是怎样工作的?好吧,如果你认识这些挑战,那么你将受益于我们今天提出的工作流。
我们已经了解了射频预算分析仪可以帮助你分析和理解和描述一个射频收发器。应用程序可以用来构造一个更健壮的射频预算。可以使用谐波平衡分析和非线性行为。
我们也看到电路包络仿真是一个推动者集成射频与数字信号处理算法,比如建模波束形成,功率放大器线性化,自适应匹配网络,或自动增益控制。电路包络的好处是,它提供了一个深入了解的非线性效应的影响,噪音的产生,和信号失真的来源,包括阻抗不匹配。
最后,我们已经跨越了两个系统级建模和电磁领域。我们已经看到如何充分整合一个射频收发天线的全波电磁仿真。
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