零中频接收机部分性能参数的仿真方法
这是一篇由 DeepSeek 撰写的文章,本人仅进行了图片添加和简单修改的工作。这一年来看到了越来越多 AI 撰写的文章,本人决定也凑个热闹,尝试一下使用 AI 来撰写一篇文章。目前看起来 AI 撰写的文章内容还是非常不错的,并且效率极高,非常适合仿真教程这类非电路原理讲解的文章撰写。后续因该会有更多的教程类的文章会使用 AI 进行撰写。

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1 前言

本人在博士前几年进行了一些与接收机相关的工作,并参与了到了一个零中频接收机的设计中去,因此也学到了一些零中频接收机系统的常规的性能指标的仿真方法,同时也找到了一种较为通用的仿真 Testbench 电路结构。通过在 Testbench 中设置一些变量,并在不同性能参数的仿真中对这些设置好的变量的取值进行合理的更改,使用同一个 Testbench 即可用来仿真接收机的绝大部分的性能参数。接下来,本人将使用一些理想 model 和一些常规的电路来搭建起一个简单的 I/Q 解调的零中频接收机,并介绍通用 Testbench 的搭建方式以及部分性能参数的仿真方法。

2 通用的仿真 TB

在进行零中频接收机各项性能参数仿真之前,首先需要建立一个统一、可配置的电路结构与测试平台(Testbench,TB)。本章将分两部分介绍:首先说明示例接收机的电路结构及各模块的作用;然后详细阐述通用 TB 的搭建方法,包括信号源、本振源以及关键仿真变量的设置。

2.1 示例零中频接收机电路结构

为了覆盖零中频接收机典型的信号处理链路,本人搭建了一个基于 I/Q 解调架构的示例电路,其结构如下图所示。整个接收链路包含以下四个核心模块:

  • 低噪声放大器(LNA):LNA 位于接收链路的最前端,主要提供足够的增益并抑制后续模块的噪声贡献,同时自身的噪声系数应尽可能低。在仿真中,可使用一个理想的 Verilog-A 模型或实际工艺模型,重点关注其增益、噪声、线性度及输入匹配特性。
  • 跨导单元(Gm):由于后级的无源混频器通常需要电流信号驱动,因此需要一个跨导单元将 LNA 输出的电压信号转换为电流信号。该模块的跨导值 $ g_m $ 将直接影响混频器的转换增益和线性度。
  • 无源正交下变频器(Passive I/Q Mixer):使用无源开关型混频器(例如由 MOS 开关组成的双平衡混频器)完成射频到基带的频率变换。本振信号(LO)通过正交分相器产生 0° 和 90° 两路信号,分别驱动 I 路和 Q 路混频器。无源混频器具有无直流功耗、闪烁噪声低等优点,但需要在输出端进行电流-电压转换。
  • 跨阻放大器(TIA):频器输出的基带电流信号经 TIA 转换为电压信号,同时提供一定的滤波作用(可通过在反馈电阻两端并联电容实现低通滤波)。TIA 的增益由反馈电阻 $ R_f $ 决定,其带宽和噪声性能直接影响接收机整体性能。

以上四个模块构成了一个完整的零中频接收机模拟前端。在实际仿真中,可以采用理想行为模型或实际晶体管级电路,便于灵活切换到不同性能指标的评估。

零中频接收机结构图

2.2 通用 Testbench 的搭建

为了实现一个适用于多种性能参数仿真的通用 TB,本人将信号源、本振源和关键参数都定义为变量,使测试平台在不修改电路连接的情况下,通过改变变量取值即可完成不同仿真(如增益、噪声系数、IIP2、IIP3 等)。具体搭建方法如下:

2.2.1 射频输入信号源

射频输入信号使用 Cadence AnalogLib 库中的「port」元件。该元件既可以用于瞬态仿真,也可以用于小信号交流分析和周期稳态仿真。在 「port」的 「Basic」属性页中:

  • Source type 选为 sine(正弦波)。
  • 需要添加两个正弦源,以模拟双音信号或进行非线性失真仿真。通过设置 Frequency 1Frequency 2 为变量 frf1frf2,即可在后续仿真中独立控制两个输入信号的频率。
  • Amplitude (dBm) 参数:为了统一控制输入功率,将两个单音信号的功率均设为变量 prf(对数功率值,单位 dBm)。
  • AC MagnitudePAC Magnitude 均设置为 1。这是因为在进行小信号 AC 分析或周期性 AC(PAC)分析时,希望传递函数直接表达为输出与 1 单位输入之比。后续计算增益或转换因子时,再根据实际输入功率对结果进行换算。
提示:PAC Magnitude 用于周期稳态分析中的小信号仿真,与 AC Magnitude 类似,但需要与周期稳态仿真(PSS、PAC)配合使用。将其设为 1 可以简化后续仿真的后处理。

2.2.2 本振信号源

本振信号同样使用「port」或「vsource」元件,频率设为变量 flo。对于无源正交混频器,通常需要两路正交的 LO 信号。可以通过以下任一方式产生:

  • 使用一个频率为 flo 的差分正弦波源,再经过一个理想正交分相器(例如 Verilog-A 模型)或者实际的多相位时钟产生电路产生 I/Q 两路方波或正弦波 LO 信号。
  • 直接使用四个「vsource」分别提供 0°、90°、180°、270° 的相位,频率均为 flo,驱动双平衡混频器的开关对。

为了简化仿真,本教程采用理想方波 LO(因为无源混频器对 LO 波形边沿陡峭度敏感,方波通常可提供更高的转换增益)。在仿真变量设置中,除了频率 flo,还可定义 LO 的幅度(例如 vlo_amp)和占空比(一般取 25% 或 50%)。

2.2.3 其他设置与变量汇总

在 ADE(Analog Design Environment)中,将上述变量预先定义在 Variables 列表中:

变量名含义典型值示例
frf1射频第一音频率2.401 GHz
frf2射频第二音频率2.402 GHz
prf每个单音的输入功率-50 dBm
flo本振频率2.4 GHz

最终搭建完成的 TB 如下图 所示。在进行不同仿真项目时,只需修改这些变量的取值即可。通过这样一个统一的 TB 结构,不仅减少了重复搭建电路的时间,还能避免因 Testbench 差异导致的测量误差。后续各章节的性能参数仿真方法,都将基于本章所搭建的电路与 TB 展开。

零中频接收机通用 TB 搭建方式

3 接收机各参数仿真方法

基于第 2 章搭建的通用 Testbench,本章将详细介绍几种零中频接收机关键性能指标的仿真方法。这些指标包括转换增益、噪声系数、线性度(三阶交调点 IIP3)、二阶交调点(IIP2)、输入匹配(S11)、镜像抑制比(IRR)以及抗 Blocker 干扰性能。针对不同的参数,我们将采用不同的 HB(谐波平衡)仿真组合,如 HB + HBAC、HB + HBNOISE、多音 HB 以及 HB + HBSP。同时,会给出每种仿真中变量 frf1frf2 以及 flo 的具体设置方法。

3.1 转换增益仿真

(1) 介绍

转换增益(Conversion Gain)定义为接收机下变频后输出频率处的输出电压幅度与输入射频电压幅度之比(通常用 dB 表示)。对于零中频接收机,输出频率为基带(接近 DC),输入频率为射频。实际仿真中,我们通常测量输入端某一射频频率 $ f_{RF} $ 到输出端基带频率 $ f_{BB} (= f_{RF} – f_{LO}) $ 的电压增益。

(2) 仿真方法

推荐使用 HB + HBAC 仿真(也可用 PSS + PAC)。HB 仿真用于建立接收机在本振信号作用下的周期稳态工作点,HBAC 则在该稳态基础上进行小信号交流传输分析。

  • HB 设置  
    • 只有单音本振(频率为 flo),因此 HB 的 Number of tones 设为 1。  
    •  将 frf1frf2 均设为 0。因为这里不需要射频输入作为 HB 的大信号,射频输入的小信号由 HBAC 扫描给出。  
    • 本振频率 flo 按实际目标设置(例如 2.4 GHz)。  
    • 需要设置合理的 Number of Harmonics,一般建议取 5~15(若本振为理想方波,则需更高阶次以包含足够的谐波)。
    • 需要设置合理的 Oversample Factor,对于正弦波本振可设置为 1,本振越接近理想方波,需要设置的越高。一般方波本振可以设置为 5。
  • HBAC 设置  
    •  输入源正是第 2 章中设置的 port 元件,其 PAC Magnitude = 1,因此 HBAC 会扫描用户定义的频率范围。  
    • 扫描频率范围通常设为 flo - BWflo + BW,其中 BW 为感兴趣的基带带宽(例如 10 MHz)。这样可以得到不同射频频率偏置下的基带响应。  
    • 输出端选择差分电压(例如 I 路 TIA 输出的正负两端,或 I/Q 两路的同相输出)。

下图展示了仿真转换增益时的仿真器设置方法。

换增益仿真设置方法

(3) 仿真结果处理

HBAC 仿真得到的基带输出电压(V)就是转换增益的线性值(因为输入 PAC 幅度为 1)。转换为 dB 时:

$$ \text{Conversion Gain (dB)} = 20\log_{10}(V_{out}) $$

若需要参考具体输入功率,可按实际输入电压幅度进行换算。该值可以直接在 Results -> Direct Plot -> Main Form 中得到,Plot 时需要注意选择输出 tone 为 -1,形式应为 20log,如下图所示。

转换增益输出设置

3.2 噪声系数仿真

(1) 介绍

噪声系数(Noise Figure, NF)反映了接收机对信噪比的恶化程度,定义为输入信噪比与输出信噪比的比值(通常用 dB 表示)。对于零中频接收机,需要关注基带输出端的单边带噪声系数(SSB NF),因为下变频过程中正负频率的噪声都会折叠到基带。

(2) 仿真方法

使用 HB + HBNOISE 仿真(也可用 PSS + PNOISE)。HB 建立本振驱动的稳态,HBNOISE 计算输出端的总噪声并自动得出噪声系数。

  • HB 设置  
    • 同转换增益仿真:单音本振,frf1 = frf2 = 0。  
    •  频率 flo 设为所需本振频率。  
    • Number of Harmonics 以及 Oversample Factor 的设置参考转换增益仿真。
  • HBNOISE 设置  
    • Output 选择输出差分电压节点(例如 I 路 TIA 的输出正负端)。若是 I/Q 两路单独分析,可先分别仿真再合并。  
    • Sweep 类型选为频率扫描,范围从 1 kHz 到基带带宽(如 10 MHz)。  
    • Input Port Source 选择射频输入 port 元件。  
    • 关键:勾选 Noise Figure。此时 HBNOISE 会直接计算出单边带噪声系数(假设输入源阻抗匹配到系统参考阻抗,通常为 50 Ω)。  
    • Reference Sideband 设置为 1 或者 -1,分别对应本振上下边带。
    • Maximum sideband 设置要足够大(如 5~7),以保证折叠噪声的贡献被充分包含。

下图展示了仿真噪声系数时的仿真器设置方法。

噪声系数仿真设置方法

(3) 仿真结果处理

仿真结束后,在 Results -> Direct Plot -> Main Form 窗口中直接绘制 NFdsb 曲线,单位为 dB。通常关心带内平均噪声系数或某一频率点的 NF 值,如下图所示。

噪声系数输出设置

3.3 线性度(IIP3)仿真

(1) 介绍

输入三阶交调截点(IIP3)是衡量接收机线性度的重要指标。当两个频率相近的射频信号($f_{RF1}$ 和 $f_{RF2}$)同时输入时,三阶非线性会在基带产生 $f_{BB} = |f_{RF1} – f_{RF2}|$ 的交调分量。IIP3 定义为基波输出延长线与三阶交调分量延长线的交点所对应的输入功率(通常用 dBm 表示)。

(2) 仿真方法

直接使用 HB 多音分析(不须另加 HBAC)。HB 可以同时处理本振大信号和两个射频输入小信号。

  • HB 设置  
    • Number of tones = 3(本振、RF1、RF2)。  
    • 第 1 个 tone:频率 flo,大信号类型选择“Large”(默认)。  
    • 第 2 个 tone:频率 frf1,小信号。  
    •  第 3 个 tone:频率 frf2,小信号。  
    • 设置每个 tone 的阶数(Order)。通常 Order[1] 对应本振,取 5~9;Order[2]Order[3] 可设为 3(因为需要看输入的三阶交调信息)。更保险的做法是统一设置一个高阶数(例如 order=7),或使用“Auto”模式。  
    • 变量设置:frf1frf2 分别设为两个间隔很小的频率,例如 2.401 GHz 和 2.402 GHz(间隔 1 MHz)。flo 设为 2.4 GHz。  
    • 输入功率扫描:在 ADE 中设置变量 prf(单位 dBm)为扫描变量,扫描范围例如 -60 dBm 到 -20 dBm,步长 2 dB 或 5 dB(如果仿真较慢也可以设置为 10 dB)。

下图展示了仿真 IIP3 时的仿真器设置方法。

IIP3 仿真设置方法

(3) 仿真结果处理

仿真结束后,分别查看基波分量(频率为 $f_{RF1} – f_{LO}$ 和 $f_{RF2} – f_{LO}$)的输出功率(dBm),同时查看三阶交调分量(频率为 $2f_{RF1} – f_{RF2} – f_{LO}$ 或 $2f_{RF2} – f_{RF1} – f_{LO}$)的输出功率。 在双对数坐标下绘制基波输出功率随输入功率的变化曲线(斜率为 1 的直线),以及交调输出功率随输入功率的变化曲线(斜率为 3 的直线),延长两线的交点即可读出 IIP3。  

多数计算工具可通过公式直接计算:  

$$IIP3 = P_{in} + \frac{P_{out,1st} – P_{out,3rd}}{2}$$

其中 $P_{in}$ 为某个输入功率点(需在线性区内)。

此外,candence virtuoso 中也提供了直接一键绘制曲线并计算三阶交调点的功能,只需要在 Results -> Direct Plot -> Main Form 窗口中选择 IPN Curvers,如下图。需要注意的是,三阶项要选谐波 (-1 2 -1) 或者 (-1 -1 2),一阶项要选谐波 (-1 1 0) 或者 (-1 0 1)

IIP3 仿真输出设置
注意:若仿真收敛困难,可尝试将本振设置为理想方波(高谐波含量),此时需要增加 HB 的阶数,或者改用瞬态仿真 + 傅里叶分析(但效率较低)

3.4 输入匹配(S11)仿真

(1) 介绍

输入匹配(S11)表示接收机输入端的反射系数,通常要求 S11 < -10 dB(即回波损耗大于 10 dB)以匹配天线或前级滤波器。由于混频器工作状态随本振频率变化,零中频接收机的输入阻抗可能与本振频率相关,因此 S11 的仿真必须在本振驱动下进行。

(2) 仿真方法

采用 HB + HBSP 仿真(Harmonic Balance + Small-Signal S-parameter)。HB 建立本振驱动的周期稳态,HBSP 在稳态工作点上计算小信号 S 参数。

  • HB 设置  
    • 单音本振:频率 flofrf1 = frf2 = 0。  
    •  设置方法与 3.1 节中的 HB 相同。
  • HBSP 设置  
    • Sweep 类型为频率扫描,范围设为 flo - BWflo + BW,其中 BW 为接收机工作带宽(例如 100 MHz 或更宽)。  
    • Port 设置:射频输入端(即 port 元件)作为 Port 1 即可,同时 Sideband 选择 0。

下图展示了仿真输入匹配时的仿真器设置方法。

输入匹配仿真设置方法

(3) 仿真结果处理

仿真结束后直接绘制 S11 的 dB 幅度曲线:  

$$ S_{11} \text{ (dB)} = 20\log_{10}|S_{11}| $$

常要求在工作频段内 S11 < -10 dB。同时可以观察 Smith 圆图上的阻抗轨迹,便于匹配网络设计。输出同样可以在 Results -> Direct Plot -> Main Form 窗口中得到,如下图。

输入匹配仿真输出设置

3.5 输入二阶交调截点(IIP2)仿真

(1) 介绍

输入二阶交调截点(IIP2)是衡量接收机二阶非线性的重要指标。当两个频率分别为 $f_{RF1}$ 和 $f_{RF2}$ 的带外干扰信号同时输入时,二阶非线性会产生频率为 $f_{RF1} \pm f_{RF2}$ 的交调分量。对于零中频接收机,若两个干扰信号的频率之差恰好等于基带信号频率(即 $f_{RF1} – f_{RF2} = f_{BB}$),则该二阶交调分量会直接落入带内,造成解调性能恶化。IIP2 定义为基波输出延长线与二阶交调分量延长线的交点所对应的输入功率(单位 dBm)。

(2) 仿真方法

IIP2 的仿真方法与 IIP3 类似,使用 HB 多音分析,同时包含本振和两个射频输入信号。

  • HB 设置
    • Number of tones = 3(本振、RF1、RF2)。
    • 第 1 个 tone:频率 flo,大信号。
    • 第 2 个 tone:频率 frf1,小信号。
    •  第 3 个 tone:频率 frf2,小信号。
    • 阶数设置:本振阶数取 5~9,射频信号阶数取 2~3。
    • 变量设置frf1frf2 应设为两个带外干扰频率,且它们的差值需落在接收机的基带带宽内(例如 frf1 = 2.41 GHzfrf2 = 2.409 GHz,差值 1 MHz 为带内频率)。flo 仍设为目标本振频率(如 2.4 GHz)。
    • 输入功率扫描:在 ADE 中将 prf(单位 dBm)设为扫描变量,范围例如 -60 dBm 到 -20 dBm,步长 2~5 dB。

由于仿真设置方法与前面 IIP3 仿真完全相同,这里不再添加图片展示。

(3) 仿真结果处理

仿真结束后,提取基波分量(频率为 frf1 - flofrf2 - flo,这些分量通常位于带外)的输出功率(dBm),同时提取二阶交调分量(频率为 |frf1 - frf2|,该分量位于基带)的输出功率(dBm)。在双对数坐标中绘制基波输出功率随输入功率的变化曲线(斜率为 1)以及二阶交调输出功率随输入功率的变化曲线(斜率为 2)。延长两线的交点,对应输入功率即为 IIP2。也可通过公式计算(在输入功率 $P_{in}$ 处于线性区时):

$$ IIP2 = P_{in} + \left(P_{out,1st} – P_{out,2nd}\right) $$

其中 $P_{out,1st}$ 和 $P_{out,2nd}$ 分别为该输入功率下基波和二阶交调的输出功率(单位 dBm)。

此外,candence virtuoso 中也提供了直接一键绘制曲线并计算二阶交调点的功能,只需要在 Results -> Direct Plot -> Main Form 窗口中选择 IPN Curvers,并将阶数设置为 2nd,如下图。需要注意的是,二阶项要选谐波 (0 1 -1) 或者 (0 -1 1) 中在带内的那一个,一阶项要选谐波 (-1 1 0) 或者 (-1 0 1)

注意:对于差分对称电路,理想情况下二阶非线性会被抑制,IIP2 较高;实际电路中由于失配,IIP2 会下降。仿真时可通过在电路中引入微小失配(如 Gm 单元或混频器开关的尺寸偏差)或使用蒙特卡洛仿真来评估真实 IIP2。

3.6 镜像抑制比(IRR)仿真

(1) 介绍

镜像抑制比(Image Rejection Ratio, IRR)是衡量 I/Q 接收机对镜像频率抑制能力的指标。在零中频接收机中,镜像频率即为其自身的信号频率(因为正负频率在 DC 处重叠),但由于 I/Q 两路的增益和相位不平衡,会导致信号本身的镜像泄漏,恶化信噪比。IRR 定义为期望信号分量与镜像信号分量的功率之比,通常用 dB 表示。

(2) 仿真方法

IRR 的仿真与 转换增益仿真(3.1 节) 完全一致,即采用 HB + HBAC 或者 PSS + PAC。不同之处在于需要同时处理 I 路和 Q 路的输出结果,并计算增益误差和相位误差。

  • HB 设置:同 3.1 节,单音本振,frf1 = frf2 = 0flo 为目标频率。
  • HBAC 设置:同 3.1 节,扫描频率范围 flo ± BW,PAC Magnitude = 1。
  • 输出提取:分别保存 I 路 TIA 的差分输出电压(例如 VI_PVI_N)以及 Q 路 TIA 的差分输出电压(VQ_PVQ_N)。在结果处理中,计算单端输出 $V_I = V_{I,P} – V_{I,N}$,$V_Q = V_{Q,P} – V_{Q,N}$。

(3) 仿真结果处理

在计算器中(或使用 MATLAB)进行如下操作:

首先构造复输出信号:$V_{out,complex} = V_I + j \cdot V_Q$。期望信号分量为 $V_{sig} = V_{out,complex}$,镜像分量为 $V_{img} = V_I – j \cdot V_Q$(镜像位于复共轭位置)。

IRR 的线性值定义为:

$$ IRR_{lin} = \frac{|V_{sig}|^2}{|V_{img}|^2} = \frac{|V_I + jV_Q|^2}{|V_I – jV_Q|^2} $$

以 dB 表示:$IRR = 10\log_{10}(IRR_{lin}) = 20\log_{10}\left(\frac{|V_I + jV_Q|}{|V_I – jV_Q|}\right)$。

此外,IRR 也可以通过增益误差和相位误差近似计算。设 I 路与 Q 路的增益比 $\varepsilon = 20\log_{10}(|V_I|/|V_Q|)$(dB),相位误差 $\Delta\phi = \angle V_I – \angle V_Q$(度),则:

$$ IRR \approx 10\log_{10}\left(\frac{1 + 10^{\varepsilon/10} + 2\cdot 10^{\varepsilon/20}\cos\Delta\phi}{1 + 10^{\varepsilon/10} – 2\cdot 10^{\varepsilon/20}\cos\Delta\phi}\right) $$

通常在仿真中直接使用复数公式计算更为简便。这里直接给出 Cadence Virtuoso 中能够使用的计算公式。幅度误差计算:(db(I) - db((complex(0 1) * Q))),相位误差计算:(phase(I) - phase((complex(0 1) * Q))),IRR 计算:abs(((20 * log10(sqrt((((real(I) + imag(Q)) * (real(I) + imag(Q))) + ((imag(I) - real(Q)) * (imag(I) - real(Q))))))) - 20.9 - ((20 * log10(sqrt((((real(I) - imag(Q)) * (real(I) - imag(Q))) + ((imag(I) + real(Q)) * (imag(I) + real(Q))))))) - 20.9))) 使用方法如下图。

IRR 仿真输出设置
提示:IRR 仿真结果通常与频率相关,建议在基带带宽内绘制 IRR 曲线,观察最差点。

3.7 Blocker 1dB 压缩点仿真

(1) 介绍

Blocker 1dB 压缩点(Blocking 1dB Compression Point)反映接收机在存在带外强干扰信号时,其对带内有用信号的增益下降程度。具体定义为:在指定带外干扰频率和功率下,使得带内有用信号的转换增益相较于无干扰时下降 1 dB 的干扰功率(通常以 dBm 表示)。

(2) 仿真方法

采用 HB + HBAC,但 HB 中需要包含本振和带外干扰两个信号。

  • HB 设置
    • Number of tones = 2(本振和干扰)。
    • 第 1 个 tone:频率 flo,大信号。
    • 第 2 个 tone:频率 frf1(作为带外干扰)。
    • frf2 设为 0(不使用第二射频音)。
    • 阶数设置:本振阶数 5~9,干扰阶数可取 3~5(根据干扰强度及非线性阶数需要)。
    • 变量设置:flo 为目标本振频率;frf1 设置为带外干扰频率(例如 flo + 10 MHzflo + 20 MHz,具体取决于规范要求)。
    •  干扰功率扫描:在 ADE 中将 prf(此时作为干扰功率,单位 dBm)设为扫描变量,范围例如 -50 dBm 到 0 dBm,步长 2~5 dB。
  • HBAC 设置
    • 与转换增益仿真相同,扫描射频频率(由 PAC 源提供)范围 flo ± BW,PAC Magnitude = 1。
    • 输出端选择 I 路或 Q 路差分电压(通常取 I 路作为代表,若 I/Q 对称可只仿一路)。

下图展示了仿真 Blocker 1dB 压缩点时的仿真器设置方法。

Blocker 1dB 压缩点仿真设置方法

(3) 仿真结果处理

对于每个干扰功率点,通过 HBAC 得到不同射频频率下的转换增益(dB)。通常关注非常接近中心频率(例如 flo + 100kHz)处的增益值。以干扰功率为横坐标,以该增益值为纵坐标,绘制增益随干扰功率变化的曲线。找到增益相比于无干扰时(prf 很低,如 -60 dBm)下降 1 dB 所对应的干扰功率,该功率即为 Blocker 1dB 压缩点。

Blocker 1dB 压缩点同样可以在 Results -> Direct Plot -> Main Form 窗口中得到,如下图,根据图中的结果即可找到 Blocker 1dB 压缩点。或者使用 value(db((vh('hbac "/VOUTIP" '((-1 0))) - vh('hbac "/VOUTIN" '((-1 0))))) 100000.0) 表达式直接获取 100kHz 频率处的增益值并作图。

Blocker 1dB 压缩点输出设置
注意:由于干扰可能引起电路饱和或偏置点漂移,HB 仿真收敛难度可能增加。可尝试增加 HB 的 tstab 或使用更保守的初始条件。

3.8 Blocker NF 仿真

(1) 介绍

Blocker 噪声系数(Blocker NF)是指在存在带外干扰信号时,接收机对带内有用信号的噪声系数。由于干扰可能导致混频器开关状态的改变或 LNA 增益压缩,噪声系数会恶化。Blocker NF 定义为带外干扰存在下的单边带噪声系数(单位 dB)。

(2) 仿真方法

HB + HBNOISE,HB 中包含本振和带外干扰两个信号。

  • HB 设置
    • Number of tones = 2(本振和干扰)。
    • 第 1 个 tone:频率 flo,大信号。
    • 第 2 个 tone:频率 frf1(带外干扰)。
    •  frf2 = 0
    •  阶数和变量设置同 3.7 节。
    • 干扰功率扫描:同样将 prf 设为扫描变量,范围例如 -50 dBm 到 0 dBm,或针对具体指标选择合适的功率点(如 -25 dBm、-15 dBm 等)。
  • HBNOISE 设置
    • 与 3.2 节相同:输出选择差分电压,频率扫描范围 1 kHz 至基带带宽,输入端口选择射频 port,勾选 Noise Figure
    • Maximum sideband 建议设为 5~7,以包含干扰调制噪声的折叠效应。
    • Reference Sideband 设置为 (1 0) 或者 (-1 0),分别对应本振上下边带。

下图展示了仿真 Blocker NF 时的仿真器设置方法。

Blocker NF 仿真设置方法

(3) 仿真结果处理

对每个干扰功率点,仿真得到 NF 随基带频率的曲线。通常关心带内某频率(如 1 MHz 或 100 kHz)处的 NF 值随干扰功率的变化。可以绘制 NF 与干扰功率的关系曲线,评估接收机在强干扰下的噪声性能恶化程度。

Blocker NF 同样可以在 Results -> Direct Plot -> Main Form 窗口中得到,如下图。或者使用 value(getData("NFdsb" ?result "hbnoise_mt") 100000.0) 表达式直接获取 100kHz 频率处的NF值并作图。

Blocker NF 输出设置

4 总结

本文围绕零中频接收机的性能参数仿真方法,从通用 Testbench 的搭建出发,详细介绍了转换增益、噪声系数、IIP3、输入匹配、IIP2、镜像抑制比、Blocker 1dB 压缩点以及 Blocker 噪声系数共八项关键指标的仿真流程。通过将射频输入源、本振源以及关键参数定义为变量,利用 Cadence 的 HB 系列仿真器(HB、HBAC、HBNOISE、HBSP)即可在同一电路结构下完成上述所有仿真。

需要指出的是,实际工程中可能还会涉及其他参数(如本振泄漏、闪烁噪声、邻道选择性等),但本文所呈现的框架具有很强的扩展性——读者只需在通用 TB 的基础上,调整 HB 的 tone 数量、选择合适的仿真分析类型并正确设定扫描变量,便可应对绝大多数零中频接收机的仿真需求。

希望本教程能为从事射频接收机设计的同行提供一份清晰、可操作的仿真指南。文中如有不妥之处,欢迎指正与交流。

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Source: github.com/k4yt3x/flowerhd
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