ADSimRF:射頻電平規(guī)劃簡(jiǎn)易便捷

每個(gè)無線信號(hào)鏈設(shè)計(jì)都從信號(hào)鏈選擇開始。一旦系統(tǒng)工程師決定了信號(hào)鏈架構(gòu)（例如超外差式、零中頻、中頻采樣等），接著就必須選擇器件。在分立式器件中，必須選擇具有類似規(guī)格的器件，這點(diǎn)非常重要。

選擇器件時(shí)，不能簡(jiǎn)單地挑選具有一定最低性能水平的器件。

器件噪聲和失真對(duì)整個(gè)信號(hào)鏈的影響與其在信號(hào)鏈中的增益和位置密切相關(guān)。例如，第一級(jí)低噪聲放大器的噪聲會(huì)顯著影響整體噪聲系數(shù)，中頻放大器的噪聲則影響較小。

為了理解各個(gè)器件對(duì)整體性能的貢獻(xiàn)如何，系統(tǒng)工程師采用圖1所示的4個(gè)經(jīng)典等式，此處代表3級(jí)信號(hào)鏈。

圖1:3級(jí)無線信號(hào)鏈的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)、IP3、增益和P1dB等式

增益計(jì)算非常簡(jiǎn)單，在線性域中將各個(gè)增益相乘即可，在對(duì)數(shù)域中則將dB增益相加即可。不過，在線性域中計(jì)算復(fù)合三階交調(diào)截點(diǎn)(IP3)、1 dB壓縮點(diǎn)(P1dB)和噪聲系數(shù)時(shí)必須將P1dB和IP3從dBm轉(zhuǎn)換成W并將噪聲系數(shù)轉(zhuǎn)換成噪聲因數(shù)（噪聲系數(shù) = 10log(噪聲因數(shù))）。

傳統(tǒng)上，系統(tǒng)工程師采用自己制作的電子表格或RF仿真工具來執(zhí)行這些計(jì)算。上述等式的一個(gè)明顯局限在于，這些等式均假設(shè)信號(hào)鏈完全匹配且器件之間不存在阻抗不連續(xù)。在實(shí)際系統(tǒng)中，級(jí)間阻抗不匹配并不鮮見，在某些情況下還有意造成級(jí)間不匹配。

圖2所示為RF信號(hào)鏈計(jì)算工具ADIsimRF的屏幕截圖，該工具可以從ADI公司免費(fèi)獲得。該工具的核心實(shí)現(xiàn)了圖1所示的增益、噪聲系數(shù)、IP3和P1dB，以及功耗的級(jí)聯(lián)等式。級(jí)數(shù)最多可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展到15級(jí)。信號(hào)鏈中的任何一點(diǎn)都可以插入附加級(jí)，可以刪除或臨時(shí)禁用各級(jí)。

圖2:利用ADIsimRF對(duì)零中頻分立式發(fā)射機(jī)進(jìn)行電平規(guī)劃

ADIsimRF包含ADI公司分立式RF器件的嵌入數(shù)據(jù)庫。利用圖2所示的下拉菜單可以輕松訪問該數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中還包含巴倫和SAW濾波器等無源器件的模型。器件數(shù)據(jù)（IP3、P1dB、增益和噪聲系數(shù)）以各種頻率增量存儲(chǔ)在該數(shù)據(jù)庫中。選擇特定頻率時(shí)，該計(jì)算工具會(huì)使用該數(shù)據(jù)庫中最接近的頻率數(shù)據(jù)點(diǎn)?？梢栽谠撚?jì)算工具的前面板上覆寫來自內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，也可以創(chuàng)建和保存自定義器件。

對(duì)50 Ω、2端口簡(jiǎn)單器件之外的器件執(zhí)行電平規(guī)劃可能頗具挑戰(zhàn)性。例如，IQ調(diào)制器具有三個(gè)輸入端：I、Q和LO。這就引出了一個(gè)問題，那就是如何定義其增益。此外，I和Q輸入端通常具有高輸入電阻，這也就意味著具有非常高的功率增益。

IQ調(diào)制器通常由一個(gè)雙通道DAC和兩者之間的一個(gè)奈奎斯特濾波器來驅(qū)動(dòng)。該濾波器通過兩個(gè)并聯(lián)電阻端接在I和Q輸入端。這些電阻的阻值通常介于100 Ω和1000 Ω之間，電阻的大小可用來調(diào)高或調(diào)低DAC電壓。為了得出IQ調(diào)制器的有效功率增益，ADIsimRF將這些電阻視作IQ調(diào)制器的一部分。因此，IQ調(diào)制器增益在ADIsimRF中定義為傳遞至各并聯(lián)電阻的功率與RF輸出功率之差。對(duì)于一些IQ調(diào)制器，ADIsimRF數(shù)據(jù)庫中提供了具有不同輸入電阻的多種模型。當(dāng)輸出電阻為50 Ω且輸入端接電阻介于100 Ω至1000 Ω范圍內(nèi)時(shí)，IQ調(diào)制器的功率增益和電壓增益會(huì)有所不同。

IQ調(diào)制器的噪聲系數(shù)定義也并不肯定。如果我們按照上文所述定義IQ調(diào)制器的功率增益，那么噪聲系數(shù)可以定義為IQ調(diào)制器的熱噪聲(-173.8 dBm/Hz)與調(diào)制器輸出噪聲減去功率增益后所得的值之差。因此，如果IQ調(diào)制器的本底噪聲為-158 dBm/Hz，功率增益為3 dB，那么其噪聲系數(shù)等于13 dB（即-158.2 dBm/Hz = -173.8 + 3 + 13）。

對(duì)典型RF信號(hào)鏈中模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)等混合信號(hào)器件進(jìn)行建模則更具挑戰(zhàn)性。這是因?yàn)镈AC并不具有明顯的“增益”并且DAC的噪聲與失真會(huì)隨采樣速率、數(shù)據(jù)插值速率和dBFS驅(qū)動(dòng)電平而變化。

在ADIsimRF工具中，對(duì)于0 dBFS驅(qū)動(dòng)電平，當(dāng)輸出位于基帶（也即以0 Hz為中心）時(shí)，DAC的“增益”定義為0 dB。選擇更低的dBFS電平（例如-6 dBFS）時(shí)，增益將減少該數(shù)量。此外，隨著DAC的輸出頻率增加，增益會(huì)減少，因?yàn)镈AC輸出遵循其Sin(x)/x函數(shù)。

為了適應(yīng)不同的DAC配置，ADIsimRF數(shù)據(jù)庫包含每個(gè)DAC的數(shù)種“版本”（例如AD9122V1、AD9122V2等）。每種版本對(duì)應(yīng)于不同的工作配置，這類配置包含不同的dBFS驅(qū)動(dòng)電平、采樣速率和插值速率。

用于驅(qū)動(dòng)IQ調(diào)制器的雙通道、差分、高速DAC一般通過4個(gè)50 Ω電阻端接至地。該DAC的輸出電流會(huì)流經(jīng)這些電阻以及IQ調(diào)制器輸入端的輸入并聯(lián)電阻。在ADIsimRF中，該DAC的輸出功率水平為傳遞至IQ調(diào)制器上并聯(lián)電阻的功率。

圖3所示為2.5 GHz中頻采樣接收機(jī)的電平規(guī)劃屏幕截圖。在該接收機(jī)中，輸入信號(hào)先經(jīng)過放大并向下混頻至140 MHz，然后由ADC進(jìn)行欠采樣。IF級(jí)包含AD8375 ADC驅(qū)動(dòng)器，其增益可按1 dB增量在-4 dB至+20 dB范圍內(nèi)設(shè)置?？梢允褂孟吕藛蝸磉x擇25個(gè)可用增益之一，如圖3所示。

與DAC相似，為RF信號(hào)鏈選擇ADC也并非易事。一個(gè)常見問題在于，ADC的輸入阻抗與驅(qū)動(dòng)這類器件的放大器并不一定匹配。對(duì)于AD9430 ADC，其3 kΩ的內(nèi)部輸入阻抗已通過與連接到差分輸入端的外部電阻并聯(lián)而減少至200 Ω（ADIsimRF數(shù)據(jù)庫中針對(duì)該ADC的存儲(chǔ)模型采用200 Ω的輸入阻抗）。然而，這種情況下，ADC輸入阻抗和ADC驅(qū)動(dòng)器及抗混疊濾波器的輸出電阻之間仍舊存在不匹配。ADIsimRF考慮到了這種不匹配情況并相應(yīng)地調(diào)整了級(jí)聯(lián)結(jié)果。

結(jié)論

ADSimRF是一種易于使用的電平規(guī)劃工具，可取代自己制作的電子表格。除能夠計(jì)算增益、P3、P1dB和噪聲系數(shù)之外，它還可以計(jì)算功耗以及rms電壓和峰峰值輸出電壓等許多電壓域規(guī)格。該工具中包含DAC和ADC的RF模型數(shù)據(jù)并支持級(jí)間阻抗不匹配損耗，因此使得計(jì)算時(shí)能夠更加輕松地考慮這類器件的影響。