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(da)60~70 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geLO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。