В этом примере создается радиочастотный приемник для приложения, подобного ZigBee ®, с использованием методологии «сверху вниз». Он проверяет BER конструкции без обесценения, а затем анализирует производительность BER после добавления моделей обесценения. В примере используется RF Budget Analyzer Приложение для ранжирования элементов, способствующих бюджету шума и нелинейности.
Проектные спецификации:
Скорость передачи данных = 250 кбит/с
Модуляция OQPSK с формированием полусинусных импульсов, как указано в IEEE ® 802.15.4 для физического уровня ZigBee
Расширяемый спектр прямой последовательности со скоростью следования чипов = 2 Мс/с
Спецификация чувствительности = -100 дБм
Спецификация частоты битовых ошибок (BER) = 1e-4
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с мощностью насыщения 10 бит и 0 дБм
Для создания полностью стандартных форм сигнала ZigBee можно использовать библиотеку Communications Toolbox Library для надстройки протокола ZigBee.
В этом примере приведены следующие шаги.
Разработка модели передатчика основной полосы частот для генерации сигнала
Определение спецификации SNR для достижения 1e-4 BER на основе идеализированной модели основной полосы частот канального уровня
Получение спецификаций РЧ-подсистемы из эквивалентно-полосовой модели РЧ-приемника и АЦП
Получение спецификаций прямого преобразования из модели огибающей схемы РЧ-приемника
Моделирование с использованием нескольких несущих, включая помехи, и получение спецификаций алгоритма компенсации смещения постоянного тока
Для оценки эффективности конструкции РЧ-приемника необходимо и достаточно использовать сигнал, спектрально представляющий форму сигнала 802.15.4.
Модель передатчика основной полосы частот создает и иллюстрирует спектрально репрезентативную форму сигнала ZigBee в спектральной области и области созвездия. Эта модель и все последующие модели используют обратные вызовы для создания переменных рабочей области MATLAB, которые параметризуют системы.
Чтобы сконструировать приемник, сначала определите SNR, необходимое для достижения заданного BER менее 1e-4. рассчитывается в моделируемой полосе пропускания 4 МГц. Запустите модель канального уровня для моделирования обработки приемника, необходимой для достижения целевого BER.
Вычисление BER точно требует выравнивания сигналов передачи и приема. Моделирование должно компенсировать задержку принимаемого сигнала, состоящую из двух выборок, по сравнению с передаваемым сигналом. Кроме того, для обеспечения корректного преобразования элементарных посылок в символ в бит моделирование должно выровнять элементарные посылки по границам кадра на входе в блок элементарных посылок в символ на границе кадра. Учет задержки сигнала приема и выравнивания границы кадра требует добавления блока задержки, установленного на 32-2 = 30 задержка на ветви приемника, перед восстановлением принятых символов.
Модель достигает 1e-4 BER при SNR -2,7 дБ, что можно проверить, собрав 100 битовых ошибок.
В модели канального уровня блок AWGN учитывает общий бюджет SNR канала и приемника RF.
В этом разделе используются традиционные эвристические деривации для определения высокоуровневых спецификаций РЧ приемника и АЦП.
B = 4 МГц = полоса пропускания моделирования = частота выборки моделирования
kT = 174 дБм/Гц = мощность пола от теплового шума
Чувствительность = -100 дБм = чувствительность приемника
SNR = -2,7 дБ
Мощность шума при моделировании полосы пропускания = Pn = чувствительность-SNR = -100 дБм - (-2,7 дБ) = -97,3 дБм
Моделируя идеализированную модель основной полосы частот РЧ-приемника, проверьте предварительные характеристики РЧ-приемника (NF = 10,7 дБ и коэффициент усиления приемника = 53,4 дБ). Это можно сделать, собрав 100 ошибок.
Анализатор спектра показывает, что принятый спектр с АЦП примерно идентичен по форме спектру предыдущего раздела, без АЦП.
В этом разделе РЧ-приемник и его параметры шума и спецификации бюджета усиления моделируются с использованием четырех дискретных подкомпонентов со следующими характеристиками:
Фильтр SAW: Шум Рисунок = 2,5 дБ, коэффициент усиления = -3 дБ
LNA: Шум Рисунок = 6 дБ, коэффициент усиления = 22 дБ
Пассивный смеситель: Шум Рисунок = 10 дБ, коэффициент усиления = -5 дБ
VGA: Шум Рисунок = 14 дБ, коэффициент усиления = 40 дБ
Производительность фильтра SAW определяется из файла Touchstone, определяющего характеристики S-параметров. Можно проверить коэффициент усиления, визуализируя параметр S21 в плоскости X-Y на рабочей частоте 2,45 ГГц. Можно проверить показатель шума, визуализируя параметр NF в плоскости X-Y на рабочей частоте 2,45 ГГц. Как правило, МШУ с низким уровнем шума и высоким коэффициентом усиления следует за фильтром ПАВ, что значительно уменьшает влияние величины шума компонентов после МШУ. Также задают пассивный смеситель с высокой IP2. Аналогично фильтру SAW, можно проверить коэффициент усиления смесителя, визуализируя параметр S21 в плоскости X-Y в заданном пользователем диапазоне частот [2e9 3e9].
Эквивалентная модель полосы частот модулирующих сигналов моделирует усовершенствованный РЧ-приемник.
Выполните моделирование и проверьте бюджет канала радиоприемника с помощью панели визуализации порта вывода. Общее значение шума и коэффициент усиления на четырех ступенях были разделены в соответствии со следующим бюджетом:
Компонент NF (дБ) = [2,5, 6, 10, 14]
Коэффициент шума компонента F (линейный) = 10 ^ (NF/10) = [1,78 3,98 10,0 25,1]
Коэффициент усиления мощности (дБ) = [-3, 22, -5, 40] = 54 дБ > 53,4 дБ
Коэффициент усиления напряжения VG (линейный) = 10 ^ (коэффициент усиления мощности/20) = [0,71 12,59 0,56 100,0]
Коэффициент шума системы Fsys (линейный) = ![$$1 + [F(1) - 1] + {{[F(2) - 1]} \over {VG(1)}} + {{[F(3) - 1]} \over {VG(1) \times VG(2)}} + {{[F(4) - 1]} \over {VG(1) \times VG(2) \times VG(3)}} = 11.8$](../../examples/comm_simrf/win64/TopDownRFReceiverDesignExample_eq12418652090045556706.png)
Показатель шума системы NFsys (dB) = 10 * log10 (Fsys) = 10,7 dB
С помощью этой модели можно проверить, что BER < 1e-4 соответствует частоте ошибок чипов (CER) около 7%. Вычисляя CHER, можно запускать последующие модели в течение меньшего времени и по-прежнему собирать точную статистику BER.
Эквивалентный метод моделирования основной полосы частот, использованный в предыдущем разделе, не может моделировать истинный приемник прямого преобразования. Эта модель использовала смеситель с входной частотой 2,45 ГГц и LO частотой 2,4 ГГц, что привело к частоте центра анализатора спектра 50 МГц. Это ограничение моделирования мотивирует изменение метода огибающей схемы.
Используя подход моделирования огибающей цепи, продолжайте совершенствовать архитектуру РЧ-приемника, добавляя более реалистичные нарушения.
Модель огибающей схемы РЧ-приемника отличается от эквивалентной модели основной полосы частот, поскольку она:
Заменяет эквивалентный смеситель основной полосы на квадратурный модулятор, состоящий из параметризуемых I и Q смесителей и блока фазовращателя, и LO с нарушениями
Использует широкополосные импедансы (50 Ом) для явного моделирования передачи мощности между блоками
При сравнении спектров, измерений мощности и CHER с эквивалентной моделью основной полосы частот существенных различий в рабочих характеристиках нет. Однако в модели огибающей цепи можно включить эффекты нелинейности четного порядка, дисбаланс I/Q и спецификации распределения цветных шумов для каждого из компонентов.
Модель огибающей цепи РЧ-приемника можно построить вручную с помощью блоков из библиотеки огибающей цепи или автоматически с помощью приложения RF Budget Analyzer.
Приложение RF Budget Analyzer
Использует уравнения Фрииса для определения шума, усиления и бюджета нелинейности ВЧ-цепи
Позволяет исследовать пространство проектирования приемника и определить, как разбить спецификации по элементам цепочки
Помогает определить, какой элемент имеет наибольший вклад в бюджет шума и нелинейности
Может генерировать модель РЧ-приемника, с помощью которой можно выполнять моделирование с несколькими несущими и дальнейшее изменение.
В этом разделе изменяется модель огибающей цепи для создания этой огибающей цепи с помощью модели помехи. Схема огибающей с интерференционной моделью включает в себя широкополосный интерференционный сигнал и эти нарушения:
Развязка LO-RF 90 дБ в квадратурном демодуляторе
OIP2 70 дБм в квадратурном демодуляторе
WCDMA-подобный блокировщик -30 дБм при 2500 МГц
Это моделирование моделирует нестандартно совместимый мешающий сигнал, который имеет характеристики мощности и спектрального распределения, реалистичные для сигнала WCDMA. Моделирование широкополосного мешающего сигнала требует большей полосы пропускания моделирования 16MHz. Поэтому сигнал OQPSK 1 МГц избыточно дискретизируется на 16, и полоса пропускания моделирования огибающей схемы также увеличивается до 16 МГц.
Конструкция требует алгоритма компенсации смещения постоянного тока для достижения желаемой ChER из-за смещения постоянного тока, которое является результатом утечки LO и нелинейности в демодуляторе, вызванной высокой мощностью интерференционного сигнала вне полосы частот. В этом случае вы включаете очень селективный фильтр, который вводит длинную задержку с соответствующим увеличением задержки вычислений в блоке измерения CHER.
Спектр, центрированный при 0 Гц, показывает компенсацию смещения постоянного тока, уменьшающую смещение постоянного тока. При запуске модели обратите внимание, что смещение DC в конечном итоге полностью удаляется.
В соответствии с методологией проектирования сверху вниз были получены спецификации компонентов РЧ-приемника. Модели обесценения, помех и субкомпонентов РЧ-приемника были итеративно уточнены для повышения точности и проверены на каждом этапе для подтверждения достижения общих целей производительности системы.