实验8：电路包络仿真.doc

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1、132实验八、电路包络仿真概概 述述这节主要讲述了电路包络(Circuit Envelop)仿真的基础。针对输入信号是脉冲 或诸如 GSM、CDMA 调制信号，对输出信号作时域和频域仿真。任任 务务运用一个特性放大器，设置电路包络与仿真 试验仿真参数 测试失真 使用解调元件和方程 仿真具有 GSM 信号的 1900MHz 放大器 作出载波和基带信号数据图形 在频域和时域对数据组进行操作目目 录录1.创建一个 PtRF 源和特性放大器(behavioral Amp) 133 2.设置包络仿真控制器 133 3.仿真并作出时域响应图 134 4.在特性放大器中加入失真 135 5.设置一个解调器和

2、一个 G S M 源137 6.设置带变量的包络仿真 138 7.仿真并对解调结果作图 138 8.用一个滤波器对相位失真进行仿真 139 9.仿真并作出输入和输出调制曲线 140 10. 对具有 GSM 的 amp_1900 源进行仿真 140 11. 作出 GSM 信号数据和频谱 图141 12. 选作信道功率计算 145133步步 骤骤 1创建一个 PtRF 源和特性放大器（behavioral Amp） 。 a在 amp_1900 任务中，新建一原理图并以 ckt_env_basic 命名用下面的 步骤建立一个电路图，如一下图所示。 b从 system-AmpMixers 面板中，调出

3、一个特性放大器（Amplifier） 。如 下图设置 S 参数：S21=l0dB，其相位为 0 度（dB 和相位用逗号分开） 。 S11 和 S22 是-50dB（回波损失或失配衰减）和 0 度相位。最后，S12 也 被设置为 0，表明没有反向泄漏（reverse leakage)。确保对 S21，S 11 和 S22 使用 dbpolar 函数，如下图所示。备注备注：dbpolar 函数是一个把幅度以 dB 和极化角为度表示的复数转换成 用实部和虚部表示复数的函数。 c插入一个 PtRF-Pulse 己调制源，并设置功率为 P=dbmtow(0）和 Freq=900MHz，同时，编辑下列设置

4、并确保每一个设置的 display 框都打 了勾：OffRatio（超比率）（超比率）=0, Delay（时延）（时延）=0ns，Rise time（上升时（上升时 间）间）=5ns, Fall time（下降时间）（下降时间）=10 ns，Pulse Width（脉冲宽度）（脉冲宽度）=30 ns 和和 Period（周期）（周期）=100 ns。 d插入一个 50 电阻，其节点名、接地和导线如上图所示。2设置包络仿真控制器设置包络仿真控制器 a插入一个控制器并设置计算频率为 900MHz，Order=l。随后，你将加入 失真和增加次数（order） 。 b设置 stop=50 ns.这个时

5、间完全满足看到整个脉冲宽度，包括上升、下降 时间和延迟。 c设置 step=l ns。这就表明信号每 lns 就进行一次抽样，所以总共有 51 个 数据采样点。1343.仿真并作出时域响应图仿真并作出时域响应图 a仿真并查看状态窗口，你可看到程序在每个时间间隔都要计算一次直到 50ns 得到最后一个结果。数据显示打开以后，在矩形图中作出 Vin 和 Vout。使其作为时域中载波的幅度。b同时，用 Advanced 按钮加入第二条轨迹并键入表达式 ts（Vout)，这将 形成一个复合波形。在另外两个轨迹中，索引1给出了 900MHz 载波 的幅度。c放两个 Marker标记在图中，验证上升时间为

6、 5 ns。d在一个单独的图中，再加入 Vout（时域）的幅度。现在，编辑图形，选 择需要的轨迹并用 Trace Option 去掉索引1使其表达式为：mag（Vout） 。 同时，用 Plot Options 关闭 X 轴自动刻度功能（X-axis Auto Scale） 。对 中间的轨迹，设置 X 轴范围从 600MHz 到 1200MHz,如下图所示。通过 去掉索引值，你可以得到频域中基波的幅度。增长箭头代表在上升时间 (5 ns)内脉冲载波增长的幅度。135e下一步骤，插入一个列表（list） 。当对话框出现时，按 Advanced 按钮并 输入表达式：what(Vout)，点击 OK

7、 后你将看到对于 Vout 的依从属性。 其目的是为了表明在电路包络数据中存在时域和频域两种形式。两个频 率 0（dc)和 900MHz 有 51 个时间点。矩阵尺寸（Matrix Size)为 11 矩 阵(ADS 称为标量)为参考，且数据是复数（900IMHz 的幅度和相位） 。 同时，mix 表格包含了所有数据。请试一试调入 Mix 表格并禁用表格格 式来看其结果。f回到前面，设置时间间隔为 10ns 并仿真。现在，观察你的曲线在低于取 样时发生的变化。当时间间隔大于上升时间，你得到的载波并不是正常 的包络。在图上，X 轴范围已经变大，同时 Marker 位于 0 和 10 ns 两点。

8、4在特性放大器中加入失真在特性放大器中加入失真 a编辑放大器：设置增益压缩功率(Gain CompressionPower）=5（单位默 认为 dBm） ，增益压缩（GainCompression)=1dB,这些值仅仅用来表明这 些设置起的作用，请确保这些设置处于显示状态。 b设置 CE（电路包络）控制器的 Order=5 并保持时间隔为 10 ns。同时设136置源的输入功率为 l0dBm：dBmtow（10） 。c仿真并察看数据。如果自动图形范围调整功能 (autoscalar)打开，时域图 将被调整。在频域图上，设置 x 轴回到原来的自动刻度并如图放置 Marker，在放置点由于放大器失

9、真产生很大的奇次谐波（异相求和一 summing out-of-phase） 。在包络振幅里，这个值比 Vin 或 Vout 的幅度 小。同时，因为取样很粗糙，包络形状不是很精确。d设置时间间隔为 1 ns 并再次仿真。刷新后，图形展示了正确的包络。但 是 Vin 和 Vout 仍旧比包络幅度大，这是由于压缩的原因。为了证实这点， 插入一个 Vout 的列表并且禁用（Suppress) Table Format。然后下拉滚动 条至 5 ns 数据处。现在，你能看到 3 次谐波相位相差 180，使得包络幅 度小于基频幅度。1375设置一个解调器和一个设置一个解调器和一个 GSM 源源 关于 GS

10、M 调制：这是一种载波（典型值为 900MHz）的相位调制，在这儿 相位的变化表示为 1 或 0。 a从 Source-Modulated(调制源）面板中，调出一个 GSM 源并在 B 点输出 端输入管脚标注（节点名）bit_out 如下图所示。它看上去似乎没有连接 好，但这是正确的。同时，设置源 F0=900M 且 Power=dbtow（10） 。同 时，去掉压缩 GainCompPower=（Blank） 。 b进入 System-Mod/Demod 面板并在原理图上放入两个解调器 （demodulators）：FM_DemodTuned，如下图所示。设置两个解调器的 Fnom 为 90

11、OMHz。同时对每个输出端进行标注：fm_demod_in 和 fm_demod_out,如下图所示。这些将用来观察被解调的 GSM 信号（基带） 。138关于解调器的备注在这个例子中你可以用相位解调器，但是使用调 频解调器会更容易。如果设计解调器，可以运用这种典型的设计来测试电 路。另外，可以参照 Example 目录中的 modulator/demodulator（调制解 调器）仿真的例子。6设置带变量的包络仿真设置带变量的包络仿真 a在原理图中插入一个 VAR (变量）方程并设置 stop 和 step 时间，调制带 宽(BW)大约为 270KHz,如下图所示。其中变量：t_stop 设

12、置为大约 l00s。用 BW 值作为分母很方便但并非必须。取样率 t_step 为 BW 的 5 倍。同时请注意 ADS 默认的包络时间单元（秒）不是特定的。7仿真并对解调结果作图仿真并对解调结果作图 a以数据组名 ckt_env_demod 仿真。 b你前面的图并未建立显示该数据的设置。因此，可在同一个数据显示的 独立的图中用一个新的数据组名来保存数据。作出两个 FM 节点的图 作为时域基带信号(Baseband signal in the time domain） 。这些轨迹将是 实数，索引值为0。解调器只有在基带（类似 dc 元件）才输出信号。 请注意因为没有失真所以两条曲线是一样的。1

13、39c在一个独立图表中，作出 bits_out 的实部。除了一些延迟，你应该看到 001101010010 的样式图。8用一个滤波器对相位失真进行仿真用一个滤波器对相位失真进行仿真 a在放大器中，设置 GainCompPower(增益压缩功率）)为 5（即放大器输出 功率为 5dBm)同时设置 GainComp=1dB。 b确认 GSM 源功率设置为 l0dBm。 c在放大器和源之间插入一个 Butterworth（巴特沃斯）带通滤波器，如下图 所示。这样因为只有窄带信号能通过放大器，所以这将造成一些失真，同 时所有信号都能通过第一个解调器。140d改变 t_step 为 270KHz 带宽的

14、 10 倍：t_step=l/（10*270e3） 。 e改变 t_step 分子为 50（200us）：t-stop=50/（270e3） 。9仿真并作出输入和输出调制曲线仿真并作出输入和输出调制曲线 你的图形应该显示与下图相似的从输入到输出的失真和时延。10对具有对具有 GSM 的的 amp_1900 源进行仿真源进行仿真 a打开先前的原理图设计：hb_2Tone,并以一个新的名称：ckt_env_gsm 保 存。 b删除以前所有的仿真控制器、变量等。通过以下方式修改原理图：1） 插入一个 Envelopeconroller（包络控制器） ，2)插入一个 PtRF_GSM 源，3)按 下图

15、创建 VAR。仿真元件和变量与最近一次包络设计相似。因此，你可 以在原理图上用 Edit)Copy/Past 创拷贝粘贴）命令完成。同时确保 bit_out 节点在 GSM 源上。141关于 CE（电路包络）值设置的备注：在本次仿真中，200us 的 t_stop（是 前一次仿真的两倍）将给出一个更好的频谱分辨结果。将 t_step 设置为带 宽（BW)（270.833KHz）的整数倍。总的来说，这样设置并不是必需的， 但这可以让你对频率的相位有一个准确的计算。同时，CE 的开始时间 （start time）的默认值都是 0 秒，这个一般不要改动。如要查看该设置， 用 Display 栏并打开

16、 Start。 c检查你的设置，然后仿真并查看状态窗口。11作出作出 GSM 信号数据和频谱图信号数据和频谱图 a在数据显示中，插入一个 Vout 列表，同时用 Plot Options 设置 Engineering 的格式并勾上 Transpose Data,如右图所示。现在，你可以看 到在每个时间间隔 C E 计算每个频点的值。滚动(Scroll）到最后你可以在 最后一个 t_stop 时间点看到最后一个点的值。142b用 Kaiser 窗口作出 Vout 的 dBm 载波频谱数据图。放置两个 Marker 在 GSM 带宽（大约 270kHz）两边来测量 Bw。这是中心频率附近的输出频

17、谱。Kaiser 窗口将保证每一个和最后一个时间数据点为 0；这会改善所计 算频谱的动态范围，同时一降低噪声基底。关于混频器的 CE 的备注通过对话框在缺省状态下 Kaiser 窗观察频 谱数据。它假设载波索引值是1。但是对于一个混频器，你需要编辑轨 迹并用正确的索引值代替1。正确的索引值来自于你的 IF 或 RF 频率的 Mix 表。 c在 Vout 图中，插入 Vin(相同的数据格式类型）并用 Markers 来验证增 益是否大约为 35dB。这和以前用理想的 Gummel-Poon 模型对 amp_1900143仿真的结果相符合。d插入另外的两个图：一个包括所有时间点的 Vout1和一个

18、时域 Vout 幅 度的矩形图，如下图所示。正如你所看到的，两个图的振幅幅度大小没 有什么变化。对于 GSM 来说，这说明因为 GSM 是相位调制，放大器对 于基带只增加很小或是没有失真。e再插入另外两个图：一个是 Vout 的相位，这是为了看清在 200 ns 内相 位的变化。注意到相位圆的 y 轴是从 0 到土 180（类似一个网络分析仪） 。 同时，插入一个 bits_out 数据图，这些是从源出来的一些原始数据。下面 的步骤中，你将操作这些数据并得出两者之间的关系。f一个方程能对数据解调。如图所示在 baseband.方程中，unwrap 函数的功 能是从绝对相位中去掉士 180 度的

19、转化格式。diff 函数将区分展开的 (unwrapped)倾斜度。除以 360 将以 Hz 表示数值。这个解调输出是必要的。 写出方程并作出如下图形。144g在基带(based band)图中，加入一条时域的 bit_out 曲线。它将在 0 附近， 除非你编辑曲线（edit the trace） ，如下图所示。进入 Plot Axes 栏并对这 条新曲线选择 RightY-axis（y 轴在右侧） 。 h下一步，在 Plot Options 中，去掉白动刻度并重置右边 y 轴从-1.25 到 1. 25。最后，在图上 X 轴上直接键入光标并输入+10us 然后回车来产生 10us 的延迟，

20、如下图所示。10us 的移动是通过放大器产生的延迟。现 在，你应该对输入到输出基带有一个完全的比较了。145关于数据的备注：你可以划线表示基带信号可能的状态并直接在图上标示 状态（00，01，10，11） ，如图所示。 i保存所有的作业。到这个实验过程为止，你己经了解了所有 ADS 的 基本知识，在最后一个练习实验中，你将把所有电路综合进行最后测试。12选作选作信道功率计算信道功率计算 a在数据目录中新建一页，PageNew Page,并按下图命名。b用 ADS 的 channel_power 函数，写两个方程式计算频谱中的功率。第一 个方程限制、定义了调制带宽。第二个方程式 channel_

21、pur 使用了 ADS 的 channel_power_vr 函数,这里，vr 表示在计算中使用的是电压而不是电 流。方程中 Vout1是 1900MHz 的频点。同时，50 是系统阻抗， “Kaiser” 是一个降低噪声基底的窗口，加 30 是把最后值转化为 dBm.（0dBm=0.001 W)。c列出 channel_pwr 方程，你将看到在 GSM 信号带宽里的功率。电路包络 仿真的计算也能运用到其它调制模型中。146附加练习：附加练习： 1在原理图上描描功率并观察输出端的变化。 2在输出端使用 FM 解调器并再次运行仿真。在 amp_1900 中比较位输入 和位输出(bits in and bits out） 。 3进入范例文件：examplesTutorialModSource_prjPi4DQPSK,复制源和数 据显示器到你的目录下并在放大器上试用源，把数据显示器作为参考 来指导你的实验。147