Этот пример проектирует RF-приемник для приложения, подобного ZigBee ®, используя методологию «сверху вниз». Он проверяет BER проекта без обесценения, затем анализирует эффективность BER после сложения моделей обесценения. В примере используется RF Budget Analyzer Приложение для ранжирования элементов, вносящих вклад в бюджет шума и нелинейности.
Проектные спецификации:
Скорость передачи данных = 250 кбит/с
Модуляция OQPSK с формированием импульса половинного синуса, как указано в IEEE ® 802.15.4 для физического слоя ZigBee
Прямая последовательность расширения спектра со скоростью чипа = 2 Mchips/s
Спецификация чувствительности = -100 дБм
Спецификация скорости битовой ошибки (BER) = 1e-4
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с 10 битами и мощностью насыщения 0 дБм
Чтобы создать полностью совместимые со стандартом формы волны ZigBee, можно использовать библиотеку Communications Toolbox для дополнения к протоколу ZigBee.
В этом примере приведены следующие шаги:
Разработайте модель передатчика основной полосы для генерации сигналов
Определите спецификацию ОСШ, чтобы получить BER 1e-4 из идеализированной модели полосы частот канального уровня
Вывод спецификаций подсистемы RF из эквивалентно-основной полосы модели RF приемника и АЦП
Выведите спецификации прямого преобразования из модели огибающей схемы RF приемника
Выполните симуляцию с несколькими несущими, включая сигналы помех, и выведите спецификации алгоритма компенсации смещения постоянного тока
Для оценки эффективности RF приемника проекта необходимо и достаточно использовать сигнал, спектрально представляющий форму волны 802.15.4.
Модель передатчика основной полосы частот создает и иллюстрирует спектрально репрезентативную форму волны ZigBee в спектральной и созвездной областях. Эта модель и все последующие модели используют коллбэки, чтобы создать переменные рабочего пространства MATLAB, которые параметризируют системы.
Чтобы спроектировать приемник, сначала определите ОСШ, необходимый для достижения заданного BER менее 1e-4. вычисляется в симуляцию полосе 4 МГц. Запустите модель уровня канала связи, чтобы симулировать обработку приемника, необходимую для достижения целевого BER.
Вычисление BER точно требует выравнивания сигналов передачи и приема. Симуляция должна компенсировать задержку в двух отсчетах принимаемого сигнала по сравнению с переданным сигналом. Кроме того, чтобы гарантировать правильное отображение чипа в символ в бит, симуляция должна выровнять чипы с контурами кадра на входе в блок Chips в символ на контуре системы координат. Учет задержки сигнала приема и системы координат контура выравнивания требует сложения блока Delay, установленного на задержку 32-2 = 30 в ветви приемника, перед восстановлением принятых символов.
Модель достигает BER 1e-4 в ОСШ -2,7 дБ, который можно проверить, собрав 100 битовых ошибок.
В модели канального уровня блок AWGN учитывает общий бюджет ОСШ канала и приемника RF.
Этот раздел использует традиционные эвристические производные, чтобы определить высокоуровневые спецификации приемника RF и АЦП.
B = 4 МГц = ширина полосы симуляции = частота дискретизации симуляции
kT = 174 дБм/Гц = тепловой шум степени
Чувствительность = -100 дБм = чувствительность приемника
ОСШ = -2,7 дБ
Шумовая степень в симуляционной полосе = Pn = чувствительность-ОСШ = -100 дБм - (-2,7 дБ) = -97,3 дБм
Симулируя идеализированную модель полосы частот Приемник, проверьте предварительные спецификации RF receiver (NF = 10,7 дБ и усиление приемника = 53,4 дБ). Это можно сделать, собрав 100 ошибок.
Спектральный анализатор показывает, что принятый спектр с АЦП примерно идентичен по форме спектру предыдущего раздела без АЦП.
В этом разделе приемника RF и его спецификации рисунка шума и усиления бюджета моделируются с помощью четырех дискретных подкомпонентов с этими характеристиками:
Фильтр SAW: фигура шума = 2,5 дБ, коэффициент усиления = -3 дБ
ЛНА: шум Фигуры = 6 дБ, усиление = 22 дБ
Пассивный смеситель: шум Фигуры = 10 дБ, усиление = -5 дБ
VGA: шум Фигуры = 14 дБ, усиление = 40 дБ
Эффективность фильтра SAW определяется из файла Touchstone, который задает характеристики S-параметров. Можно проверить коэффициент усиления, визуализируя параметр S21 в плоскости X-Y на рабочей частоте 2,45 ГГц. Можно проверить шумовой рисунок, визуализировав параметр NF в плоскости X-Y на рабочей частоте 2,45 ГГц. Обычно LNA с низким уровнем шума и высоким усилением следует за фильтром SAW, который значительно уменьшает влияние шумового рисунка компонентов после LNA. Кроме того, пассивный смеситель задан с высокой IP2. Подобно фильтру SAW, можно проверить коэффициент усиления миксера, визуализируя параметр S21 в плоскости X-Y в пользовательской частотной области значений [2e9 3e9].
Эквивалентная модель основной полосы моделирует уточнённый приемник RF.
Запустите симуляцию и проверьте бюджет приемника ссылки RF с помощью панели визуализации порта выхода. Общий рисунок и усиление на четырех этапах были разделены согласно следующему бюджету:
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 степени (дБ) = [-3, 22, -5, 40] = 54 дБ > 53,4 дБ
Усиление напряжения VG (линейный) = 10 ^ (Степень) = [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)
Рисунок системного шума NFsys (dB) = 10 * log10 (Fsys) = 10,7 dB
С помощью этой модели можно проверить, что BER < 1e-4 соответствует вероятности ошибок чипа (ChER) около 7%. Вычисляя ChER, можно запускать последующие модели меньше времени и все еще собирать точную статистику BER.
Эквивалентная техника моделирования основной полосы частот, используемый в предыдущем разделе, не может смоделировать истинный приемник прямого преобразования. Эта модель использовала миксер с частотой входом 2,45 ГГц и частотой LO 2,4 ГГц, что привело к спектру центральной частоте анализатора 50 МГц. Это ограничение моделирования мотивирует изменение метода огибающей схемы.
Используя подход моделирования огибающей схемы, продолжите уточнение архитектуры приемника RF, добавляя более реалистичные нарушения.
Модель огибающей схемы RF Receiver отличается от эквивалентной модели основной полосы, так как она:
Заменяет эквивалентный смеситель основной полосы частот квадратурным модулятором, состоящим из параметризуемых смесителей I и Q и блока сдвигателя фазы, и LO с нарушениями
Использует широкополосные импедансы (50 Ом), чтобы явно смоделировать передачу степени между блоками
Сравнивая спектры, измерения мощности и ChER с эквивалентной моделью основной полосы частот, нет значительных различий в эффективности. Однако с помощью модели огибающей схемы можно включать даже эффекты нелинейности порядка, разбаланс I/Q и спецификации распределений цветного шума для каждого из компонентов.
Можно вручную создать модель огибающей схемы RF Receiver с помощью блоков из библиотеки Circuit Envelope, или ее можно автоматически сгенерировать с помощью приложения RF Budget Analyzer.
Приложение RF Budget Analyzer
Использует уравнения Фрииса, чтобы определить шум, усиление и нелинейность бюджета RF цепи
Позволяет исследовать приемник проекта пространство и определить, как разбить спецификации на элементы цепи
Помогает вам определить, какой элемент имеет наибольший вклад в бюджет шума и нелинейности
Можно сгенерировать модель приемника RF, с помощью которой можно выполнить симуляцию с несколькими несущими и дополнительно изменить.
Этот раздел изменяет модель огибающей схемы, чтобы создать эту огибающую схемы с моделью помех. Огибающая схемы с интерференционной моделью включает широкополосный интерферирующий сигнал, и эти нарушения:
LO-RF изоляция 90 дБ в квадратурном демодуляторе
OIP2, равная 70 дБм в квадратурном демодуляторе
WCDMA-подобный блокатор -30 дБм на 2500 МГц
Эта симуляция моделирует несоответствующий стандарту интерферирующий сигнал, который имеет степени и спектрального распределения, реалистичные для сигнала WCDMA. Симуляция широкополосного интерферирующего сигнала требует большей полосы 16MHz симуляции. Поэтому сигнал OQPSK 1 МГц переизбирается на 16, и полоса моделирования огибающей схемы также увеличивается до 16 МГц.
Этот проект требует алгоритма компенсации смещения постоянного тока для достижения желаемого ChER из-за смещения постоянного тока, которое является результатом утечки LO и нелинейности в демодуляторе, вызванной высокой выходной степенью интерферирующего сигнала. В этом случае вы включаете очень избирательный фильтр, который вводит большую задержку с соответствующими увеличениями вычислительной задержки в блоке измерения ChER.
Спектр, центрированный на 0 Гц, показывает компенсацию смещения постоянного тока, уменьшающую смещение постоянного тока. Когда вы запускаете модель, обратите внимание, что смещение постоянного тока в конечном счете полностью удаляется.
В соответствии с методологией проекта сверху вниз были получены спецификации компонентов приемника РФ. Модели обесценения, интерферента и подкомпонента RF приемника были итерационно уточнены, чтобы повысить точность и подтверждены на каждом этапе, чтобы подтвердить достижение общих целей по производительности системы.
