基于ADS对OFDM射频前端的仿真及分析

摘要：OFDM技术在射频系统方面存在一定的技术难点。该文简要运用了agilent公司的ads仿真软件，并对已设计的OFDM射频系统为例，对其系统发射，接收进行分析和优化设计该电路的过程，并最终获得得精确仿真效果。

关键词：射频；仿真；优化设计

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)29-0464-02

The Simulation and Analysis of the OFDM Radio Frequency System Based on ADS

WANG Wen-bin

(School of Electronic,Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China)

Abstract: There're some difficulties in application of OFDM to the radio frequency system. The paper mainly presents a simulation , design and optimization of radio frequency system, which is based on the agilent ads,and it'll get a exact a conclusion of the simulation.

Key words: radio frequency;simulation; optimization

1 引言

OFDM是一种特殊的多载波调制技术，用户的信息首先要经过串行到并行的转换，转变成多个低速率的数据码流，通过编码之后，调制为射频信号，传统的调制技术在同一个时刻只能用一种频率进行数据的传送，而OFDM则可以在正交的频率上同时发送多路信号，可以说是并行的传送多路信号，这样OFDM能够充分地利用信道的带宽。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换（FFT）来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。

OFDM系统的子载波可以自适应地根据信道的情况选择调制方式，并且能够实现在各种调制方式之间的切换。选择和切换的原则是频谱利用率和误码率之间的平衡选择。在通常的通信系统中，为了保持一定的可靠性，选择通过采用功率控制和自适应调制协调工作的技术。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式（如64 QAM），或者在低调制（如QPSK）时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡，也就是说对于一个远端发射台，它有良好的信道，若发送功率保持不变，可使用较高的调制方案如64 QAM；若功率可以减小，调制方案也相应降低，可使用QPSK。

2 OFDM技术难点

1) 对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。

2) 功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低。与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的功率峰值与均值比，简称峰均值比。对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。当然这是一种非常极端的情况，通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。

3 采用ADS对射频系统进行仿真

OFDM的调制方式给射频模块的线性度提出了较高的要求。OFDM调制将单一信号载波调制成数千个小的子载波发射出去，而在接收端再将这些子载波接收处理还原成原始信号，使以往被当成干扰信号的反射波、折射波、多径效应变成了有用信号，大大提高了接收信噪比，从而使以往技术不能达到的在严重遮挡条件下传输宽带图象数据的要求得以实现。多载波同时发射，如果信道线性度不高，产生交调和互调，会直接破坏OFDM调制性能，影响图像传输效果。因此如何保证系统的高线性度成为了设计中一项关键。射频模块的TDD工作模式要求射频信道能进行快速的收发切换，其收发切换时间应保持在50us以内。

射频模块由接收单元、发射单元、频率合成单元、外置20W功放等四部分组成，采用差分IQ信号调制、解调，双向传输。接收单元对接收信号进行滤波、低噪声放大后送至IQ解调芯片解调出差分IQ信号，并进行RSSI检测和AGC控制；发射单元将IQ差分输入经调制芯片调制成射频信号，经功率控制、功放送往环形器、天线；通过收发电平控制进行发送和接收的切换；采用半双工模式的工作模式。

为满足基带模块提出的滤波器相对群时延抖动小于10ns的技术条件，在接收单元采用声表滤波器，在发射单元采用低通滤波器，基本满足基带模块设计要求，但由于声表滤波器插损较大，灵敏度将相应下降。

根据上述设计指标，采用ADS软件对射频模块总体方案进行系统仿真，以验证其是否满足系统总体要求。仿真中采用同样为OFDM调制方式的DVB―T信号作为参考基带信号源。

信号占用带宽8MHz，采用QPSK调制方式。其射频频谱如下：

可以看到DVB―T信号的峰均比（PAR）约为10.7dB，与本系统采用的OFDM信号峰均比大致相当，很适合用来评估射频模块的性能。

4 信道传播特性的影响

电波在不同的信道环境下传输时会产生各种效应，如多径、衰落等，这些都会影响对接收机接收性能。 我们采用NADC TDMA传播信道模型仿真信道传播特性，通过仿真不同情况下接收机接收信号强度评估信道传播损耗。以下为几种典型情况下接收机接收信号强度仿真结果：

表1：发射机发射功率为20W（43dBm），发射天线高度为3米，移动速度为0，接收天线高度为20米，收发天线总增益设置为15dB，天线距离见表1。

表2：发射机发射功率为20W（43dBm），发射天线高度为3米，移动速度为0，接收天线高度为40米，收发天线增益均设置为7.5dB，天线距离设置为5km。接收信号强度单位为dBm。

表3：发射机发射功率为20W（43dBm），发射天线高度为3米，移动速度设为0，接收天线高度为20米，收发天线增益均设置为7.5dB，天线距离设置为1km。接收信号强度单位为dBm。

表4：发射机发射功率为20W（43dBm），发射天线高度为3米，移动速度设为0，接收天线高度为40米，收发天线增益均设置为7.5dB，天线距离设置为1km。接收信号强度单位为dBm。

仿真结果与链路计算的结果基本吻合。从表中可以看出，在典型城市环境下收发天线相距5km，发射机发射功率为20W时，经电波传播损耗射频模块能接收到的信号功率大于接收机灵敏度，表明此时有效传输距离可大于5km，但收、发双方天线必须架设一定高度（最好大于20米），如果环境恶劣，接收距离可能进一步下降。

5 重点射频器件对系统性能的影响

1) 功放

OFDM调制方式对功放线性度要求很高。功放线性度很差时，多载波系统会产生严重的交调失真。仿真结果表明，当功放IMD3抑制

2) 频率源

由于采用DVB―T信号在8MHz带宽内存在1705个正交子载波，如果频率源的频率准确度不佳或者稳定度较差，都会破坏载波的正交性，导致接收机性能下降。

仿真结果表明，接收LO输出频率为

频率源的相位噪声反映了频率源的短期稳定度特性。仿真结果表明，接收LO相位噪声＞－70dBc@1kHz/Hz时，接收机性能严重下降。

6 结束语

根据对系统仿真结果的分析可以证明，本射频模块方案设计接收机灵敏度达到-86dBm，在典型城市环境下有效传输距离能够达到5km，主要射频器件性能均能满足系统性能要求。

参考文献

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