В этом примере показано, как построить супергетеродинный приемник и проанализировать бюджет РЧ приемника на коэффициент усиления, показатель шума и IP3 с помощью RF Budget Analyzer app. Приемник является частью системы передатчик-приемник, описанной в документах конференции IEEE, [1] и [2].
Проектировщики РЧ-систем начинают процесс проектирования с бюджетной спецификации, определяющей степень усиления, показатель шума (NF) и нелинейность (IP3), которым должна удовлетворять вся система. Для обеспечения осуществимости архитектуры, смоделированной как простой каскад ВЧ-элементов, конструкторы вычисляют как значения коэффициента усиления, показателя шума, так и значения каскада IP3 (третья точка перехвата).
С помощью приложения RF Budget Analyzer можно:
Построение каскада радиочастотных элементов.
Вычислите выходную мощность на каскад и каскад, коэффициент усиления, показатель шума, SNR и IP3 системы.
Экспорт значений для каждого этапа и каскада в рабочую область MATLAB™.
Экспорт конструкции системы в RF Blockset для моделирования.
Экспортируйте конструкцию системы в средства тестирования измерений RF Blockset как подсистему DUT (тестируемое устройство) и проверьте результаты, полученные с помощью приложения.
Архитектура системы приемника, разработанная с помощью приложения:
Полоса пропускания приемника составляет от 5,825 ГГц до 5,845 ГГц.
Все компоненты супергетеродинного приемника можно построить с помощью командной строки MATLAB и просмотреть анализ с помощью приложения RF Budget Analyzer.
Первыми компонентами в архитектуре системы супергетеродинного приемника являются антенна и TR-переключатель. Заменяем антенный блок эффективной мощностью, достигающей переключателя.
1. Система использует TR-переключатель для переключения между передатчиком и приемником. Коммутатор добавляет потерю 1,3 дБ в систему. Создать TRSwitch с коэффициентом усиления -1,3 дБ и OIP3 37 дБм. Для соответствия результатам бюджета РФ из ссылки [1] предполагается, что показатель шума равен 2,3 дБ.
elements(1) = rfelement('Name','TRSwitch','Gain',-1.3,'NF',2.3,'OIP3',37);
2. Для моделирования радиочастотного полосового фильтра используйте rffilter для проектирования фильтра. Из примера Design IF Butterworth Bandpass Filter было обнаружено, что импеданс нагрузки фильтра равен 132,986 Ом. Но для расчета бюджета каждый этап прекращается на 50 Ом внутри. Поэтому для достижения вносимых потерь 1 дБ входной импеданс Zin следующего элемента, т.е. усилителя, устанавливается равным 132,896 Ом.
Fcenter = 5.8e9; Bwpass = 20e6; Z = 132.986; elements(2) = rffilter('ResponseType','Bandpass', ... 'FilterType','Butterworth','FilterOrder',6, ... 'PassbandAttenuation',10*log10(2), ... 'Implementation','Transfer function', ... 'PassbandFrequency',[Fcenter-Bwpass/2 Fcenter+Bwpass/2],'Zout',50, ... 'Name','RF_Filter');
S-параметры для этого фильтра не идеальны и автоматически вставляют в систему потери приблизительно -1dB.
3. Используйте amplifier объект для моделирования Low Noise Amplifier блок с коэффициентом усиления 15 дБ, цифрой шума 1,5 дБ и OIP3 26 дБм.
elements(3) = amplifier( 'Name','LNA','Gain',15,'NF',1.5,'OIP3',26, ... 'Zin',Z);
4. Модель a Gain блок с коэффициентом усиления 10,5 дБ, цифрой шума 3,5 дБ и OIP3 23 дБм.
elements(4) = amplifier( 'Name','Gain','Gain',10.5,'NF',3.5,'OIP3',23);
5. Приемник преобразует ВЧ частоту с понижением частоты в ПЧ частоту 400 МГц. Используйте modulator создание блока демодулятора с частотой гетеродина 5,4 ГГц, коэффициентом усиления -7 дБ, показателем шума 7 дБ и OIP3 15 дБм.
elements(5) = modulator('Name','Demod','Gain',-7,'NF',7,'OIP3',15, ... 'LO',5.4e9, 'ConverterType','Down');
6. Для моделирования радиочастотного полосового фильтра используйте rffilter для проектирования фильтра.
Fcenter = 400e6; Bwpass = 5e6; elements(6) = rffilter('ResponseType','Bandpass', ... 'FilterType','Butterworth','FilterOrder',4, ... 'PassbandAttenuation',10*log10(2), ... 'Implementation','Transfer function', ... 'PassbandFrequency',[Fcenter-Bwpass/2 Fcenter+Bwpass/2],'Zout',50, ... 'Name','IF_Filter');
S-параметры для этого фильтра не идеальны и автоматически вставляют в систему потери приблизительно -1dB.
7. Моделирование IF Amplifier блок с коэффициентом усиления 40 дБ и цифрой шума 2,5 дБ.
elements(7) = amplifier( 'Name','IFAmp','Gain',40,'NF',2.5,'Zin',Z);
8. Как видно из ссылок, приемник использует блок АРУ (автоматического управления усилением), где усиление изменяется в зависимости от имеющегося уровня входной мощности. При входной мощности -80 дБ коэффициент усиления АРУ не превышает 17,5 дБ. Используйте блок усилителя для моделирования АРУ. Моделирование AGC блок с коэффициентом усиления 17,5 дБ, показателем шума 4,3 дБ и OIP3 36 дБм.
elements(8) = amplifier('Name','AGC','Gain',17.5,'NF',4.3,'OIP3',36);
9. Вычислите бюджет супергетеродинного приемника, используя следующее: System Parameters5,8 ГГц для Input frequency, -80 дБ для Available input powerи 20 МГц для Signal bandwidth. Замените антенный элемент на эффективный Available input power который, по оценкам, -66 дБ достигает TRswitch
superhet = rfbudget( 'Elements',elements,'InputFrequency',5.8e9, ... 'AvailableInputPower',-66,'SignalBandwidth',20e6)
superhet =
rfbudget with properties:
Elements: [1x8 rf.internal.rfbudget.Element]
InputFrequency: 5.8 GHz
AvailableInputPower: -66 dBm
SignalBandwidth: 20 MHz
Solver: Friis
AutoUpdate: true
Analysis Results
OutputFrequency: (GHz) [ 5.8 5.8 5.8 5.8 0.4 0.4 0.4 0.4]
OutputPower: (dBm) [-67.3 -67.3 -53.3 -42.8 -49.8 -49.8 -10.8 6.7]
TransducerGain: (dB) [ -1.3 -1.3 12.7 23.2 16.2 16.2 55.2 72.7]
NF: (dB) [ 2.3 2.3 3.531 3.657 3.693 3.693 3.728 3.728]
IIP2: (dBm) []
OIP2: (dBm) []
IIP3: (dBm) [ 38.3 38.3 13.29 -0.3904 -3.824 -3.824 -3.824 -36.7]
OIP3: (dBm) [ 37 37 25.99 22.81 12.38 12.38 51.38 36]
SNR: (dB) [32.66 32.66 31.43 31.31 31.27 31.27 31.24 31.24]
Просмотрите анализ в приложении RF Budget Analyser.
show(superhet);
10. Приложение отображает каскадные значения, такие как выходная частота приемника, выходная мощность, коэффициент усиления, показатель шума, OIP3 и SNR (отношение сигнал/шум).
11. Приложение RF Budget Analyzer сохраняет модель в формате MAT-файла.
1. Постройте график усиления каскадного преобразователя приемника с помощью функции, rfplot
rfplot(superhet,'GainT')
view(90,0)
2. Постройте график каскадного шума приемника.
rfplot(superhet,'NF')
view(90,0)
Вы также можете использовать Plot на кнопке RFBudgetAnalyzer приложение для построения графика различных выходных значений.
1. Можно также экспортировать модель в формат сценария MATLAB с помощью кнопки «Экспорт» или:
h = exportScript(superhet);
Сценарий автоматически открывается в окне редактора MATLAB.
h.closeNoPrompt
1. Кнопка «Экспорт» используется для экспорта получателя в RF Blockset или:
exportRFBlockset (суперхет)
2. Запустите модель RF Blockset для вычисления выходной мощности (дБм) и коэффициента усиления преобразователя (дБ) приемника. Обратите внимание, что результаты соответствуют значениям Pout (dBm) и GainT (dB) приемника, полученным с помощью приложения RF Budget Analyzer.
3. Посмотрите под маской блока демодулятора. Этот блок состоит из идеального фильтра и фильтра выбора канала и гетеродина (гетеродина) для преобразования частоты вверх или вниз.
4. Время остановки моделирования равно нулю. Для моделирования изменяющихся во времени результатов необходимо изменить время остановки.
1. Кнопка Export используется для экспорта приемника в средства тестирования измерений RF Blockset или:
exportTestbench (суперхет);
2. RF Blockset testbench состоит из двух подсистем, RF Measurement Unit и Device Under Test.
3. Device Under Test блок подсистемы содержит супергетеродинный приемник, экспортированный из RF Budget Analyzer app. Дважды щелкните по блоку подсистемы DUT, чтобы заглянуть внутрь.
4. Дважды щелкните по RF Measurement Unit блок подсистемы для просмотра параметров системы. По умолчанию средства тестирования RF Blockset проверяют усиление.
Измерения усиления, шума и IP3 можно проверить с помощью средства тестирования RF Blockset.
1. По умолчанию модель проверяет измерение коэффициента усиления тестируемого устройства. Запустите модель для проверки значения коэффициента усиления. Смоделированное значение коэффициента усиления соответствует значению коэффициента усиления каскадного преобразователя из приложения. Область применения показывает выходную мощность приблизительно 6,7 дБ при частоте 400 МГц, которая соответствует значению выходной мощности в приложении RF Budget Analyzer.
2. Средство тестирования RF Blockset вычисляет показатель точечного шума. Расчет предполагает независимую от частоты систему в пределах заданной полосы пропускания. Чтобы смоделировать независимую от частоты систему и вычислить правильное значение показателя шума, необходимо уменьшить широкую полосу пропускания 20 МГц до узкой полосы пропускания.
3. Во-первых, прекратите все симуляции. Дважды щелкните по RF Measurement Unit Блок. Откроется окно параметров единицы измерения РЧ. В раскрывающемся списке Measured Quantity (Измеренная величина) измените значение параметра на NF (показатель шума). На вкладке «Параметры» измените ширину полосы пропускания основной полосы частот (Гц) на 2000 Гц. Нажмите кнопку «Применить». Чтобы узнать больше о том, как управлять проверкой изображения шума, перейдите на вкладку Инструкции.
4. Запустите модель еще раз, чтобы проверить значение шумового показателя. Значение показателя шума testbench соответствует значению показателя каскадного шума из приложения RF Budget Analyzer.
5. IP3 измерения основаны на создании и измерении интермодуляционных тонов, которые обычно имеют небольшую амплитуду и могут находиться ниже уровня шума DUT. Для точных измерений IP3 снимите флажок Имитировать шум (Simulate noise).
6. Для проверки OIP3 (выходной перехват третьего порядка) остановите все моделирование. Откройте окно RF Measurement Unit диалоговое окно. Снимите флажок Имитировать шум (Simulate noise) (как стимул, так и внутренний DUT). Измените значение параметра Измеренная величина (Measured Quantity) на IP3. Оставьте тип IP в поле Output. Чтобы узнать больше о том, как управлять проверкой OIP3, перейдите на вкладку Инструкции. Нажмите кнопку «Применить».
7. Запустите модель. Значение testbench OIP3 совпадает с каскадным значением OIP3 приложения.
8. Чтобы проверить IIP3 (входной перехват третьего порядка), остановите все моделирования. Открытый RF Measurement Unit диалоговое окно. Снимите флажок Имитировать шум (Simulate noise) (как стимул, так и внутренний DUT). Измените значение параметра «Измеренная величина» в параметрах блока на IP3. Измените тип IP на «Input». Чтобы узнать больше о том, как управлять проверкой IIP3, перейдите на вкладку Инструкции. Нажмите кнопку «Применить».
9. Запустите модель еще раз, чтобы проверить значение IIP3.
[1] Хунбао Чжоу, Бин Ло. «Дизайн и анализ бюджета РЧ приемника 5.8GHz ETC reader» Опубликовано в Communication Technology (ICCT), 2010 12-я Международная конференция IEEE, Нанкин, Китай, ноябрь 2010.
[2] Бин Ло, Пэн Ли. «Бюджетный анализ приемопередатчика РФ, используемого в RFID-считывателе на 5.8 ГГц на основе И-Т.Д.-DSRC национальных технических требований Китая», изданного при радиосвязях, организации сети и мобильных вычислениях, WiCom '09. пятая Международная конференция, Пекин, Китай, сентябрь 2009 года.