射頻電路仿真之射頻的界麵

 

無(wu)線(xian)發(fa)射(she)器(qi)和(he)接(jie)收(shou)器(qi)在(zai)概(gai)念(nian)上(shang)，可(ke)分(fen)為(wei)基(ji)頻(pin)與(yu)射(she)頻(pin)兩(liang)個(ge)部(bu)份(fen)。基(ji)頻(pin)包(bao)含(han)發(fa)射(she)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)之(zhi)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)
，也(ye)包(bao)含(han)接(jie)收(shou)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)之(zhi)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)。基(ji)頻(pin)的(de)頻(pin)寬(kuan)決(jue)定(ding)了(le)數(shu)據(ju)在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)可(ke)流(liu)動(dong)的(de)基(ji)本(ben)速(su)率(lv)。基(ji)頻(pin)是(shi)用(yong)來(lai)改(gai)善(shan)數(shu)據(ju)流(liu)的(de)可(ke)靠(kao)度(du)，並(bing)在(zai)特(te)定(ding)的(de)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)率(lv)之(zhi)下(xia)
，減(jian)少(shao)發(fa)射(she)器(qi)施(shi)加(jia)在(zai)傳(chuan)輸(shu)媒(mei)介(jie)（transmi ssion medium）的負荷。

 

因此，PCB 設計基頻電路時，需要大量的信號處理工程知識。發射器的射頻電路能將已處理過的基頻信號轉換、升頻至指定的頻道中，並將此信號注入至傳輸媒體中。相反的，接收器的射頻電路能自傳輸媒體中取得信號
，並轉換


、降頻成基頻。

 

發射器有兩個主要的PCB設計目標：

 

它們必須盡可能在消耗最少功率的情況下
，發射特定的功率。

 

它們不能幹擾相鄰頻道內的收發機之正常運作。

 

就接收器而言，有三個主要的PCB設計目標：首先，它們必須準確地還原小信號
；第二
，它們必須能去除期望頻道以外的幹擾信號；最後一點與發射器一樣，它們消耗的功率必須很小。

 

 

射頻電路仿真之大的幹擾信號

 

接收器必須對小的信號很靈敏，即使有大的幹擾信號（阻擋物）存cun在zai時shi。這zhe種zhong情qing況kuang出chu現xian在zai嚐chang試shi接jie收shou一yi個ge微wei弱ruo或huo遠yuan距ju的de發fa射she信xin號hao
，而er其qi附fu近jin有you強qiang大da的de發fa射she器qi在zai相xiang鄰lin頻pin道dao中zhong廣guang播bo。幹gan擾rao信xin號hao可ke能neng比bi期qi待dai信xin號hao大da60~70 dB
，且(qie)可(ke)以(yi)在(zai)接(jie)收(shou)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)階(jie)段(duan)以(yi)大(da)量(liang)覆(fu)蓋(gai)的(de)方(fang)式(shi)，或(huo)使(shi)接(jie)收(shou)器(qi)在(zai)輸(shu)入(ru)階(jie)段(duan)產(chan)生(sheng)過(guo)多(duo)的(de)噪(zao)聲(sheng)量(liang)
，來(lai)阻(zu)斷(duan)正(zheng)常(chang)信(xin)號(hao)的(de)接(jie)收(shou)。如(ru)果(guo)接(jie)收(shou)器(qi)在(zai)輸(shu)入(ru)階(jie)段(duan)，被(bei)幹(gan)擾(rao)源(yuan)驅(qu)使(shi)進(jin)入(ru)非(fei)線(xian)性(xing)的(de)區(qu)域(yu)，上(shang)述(shu)的(de)那(na)兩(liang)個(ge)問(wen)題(ti)就(jiu)會(hui)發(fa)生(sheng)。為(wei)避(bi)免(mian)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)，接(jie)收(shou)器(qi)的(de)前(qian)端(duan)必(bi)須(xu)是(shi)非(fei)常(chang)線(xian)性(xing)的(de)。

 

因此，“線性”也是PCB設計接收器時的一個重要考慮因素。由於接收器是窄頻電路，所以非線性是以測量“交調失真（inte rmodulati on distorTI on）”來統計的。這牽涉到利用兩個頻率相近，並位於中心頻帶內（in band）的正弦波或餘弦波來驅動輸入信號，然後再測量其交互調變的乘積。大體而言，SPI CE是一種耗時耗成本的仿真軟件，因為它必須執行許多次的循環運算以後
，才能得到所需要的頻率分辨率，以了解失真的情形。

 

射頻電路仿真之小的期望信號

 

接收器必須很靈敏地偵測到小的輸入信號。一般而言，接收器的輸入功率可以小到1 μV。接收器的靈敏度被它的輸入電路所產生的噪聲所限製。因此，噪聲是PCB設計接收器時的一個重要考慮因素。而且
，具備以仿真工具來預測噪聲的能力是不可或缺的。

 

附圖一是一個典型的超外差（superheterodyne）接收器。接收到的信號先經過濾波，再以低噪聲放大器（LNA）將輸入信號放大。然後利用第一個本地振蕩器（LO）與此信號混合，以使此信號轉換成中頻（IF）。

 

前端（front-end）電路的噪聲效能主要取決於LNA、混合器（mixer）和LO。雖然使用傳統的SPICE噪聲分析

，可以尋找到LNA的噪聲，但對於混合器和LO而言，它卻是無用的，因為在這些區塊中的噪聲，會被很大的LO信號嚴重地影響。

 

小的輸入信號要求接收器必須具有極大的放大功能，通常需要120 dB這麼高的增益。在這麼高的增益下，任何自輸出端耦合（couple）回(hui)到(dao)輸(shu)入(ru)端(duan)的(de)信(xin)號(hao)都(dou)可(ke)能(neng)產(chan)生(sheng)問(wen)題(ti)。使(shi)用(yong)超(chao)外(wai)差(cha)接(jie)收(shou)器(qi)架(jia)構(gou)的(de)重(zhong)要(yao)原(yuan)因(yin)是(shi)，它(ta)可(ke)以(yi)將(jiang)增(zeng)益(yi)分(fen)布(bu)在(zai)數(shu)個(ge)頻(pin)率(lv)裏(li)，以(yi)減(jian)少(shao)耦(ou)合(he)的(de)機(ji)率(lv)。這(zhe)也(ye)使(shi)得(de)第(di)一(yi)個(ge)LO的頻率與輸入信號的頻率不同
，可以防止大的幹擾信號“汙染 ”到小的輸入信號。

 

因為不同的理由，在一些無線通訊係統中
，直接轉換（direct convers ion）或內差（homodyne）架構可以取代超外差架構。在此架構中，射頻輸入信號是在單一步驟下直接轉換成基頻，因此
，大部份的增益都在基頻中，而且LO與輸入信號的頻率相同。

 

在這種情況下，必須了解少量耦合的影響力，並且必須建立起“雜散信號路徑（stray signal path）”的詳細模型
，譬如：穿過基板（substrate）的耦合

、封裝腳位與焊線（bondwire）之間的耦合
、和穿過電源線的耦合。

 

射頻電路仿真之相鄰頻道的幹擾

 

失真也在發射器中扮演著重要的角色。發射器在輸出電路所產生的非線性，可能使傳送信號的頻寬散布於相鄰的頻道中。這種現象稱為“頻譜的再成長（spectral regrowth）”。在信號到達發射器的功率放大器（PA）之前，其頻寬被限製著；但在PA內的“交調失真”會導致頻寬再次增加。

 

如果頻寬增加的太多，發射器將無法符合其相鄰頻道的功率要求。當傳送數字調變信號時，實際上，是無法用SPICE來預測頻譜的再成長。因為大約有1000個數字符號（symbol）的傳送作業必須被仿真
，以求得代表性的頻譜，並且還需要結合高頻率的載波
，這些將使SPICE的瞬態分析變得不切實際。