一、前言

本 例 說(shuō)明 如何 對(duì) 包括 天線 陣列 的 MIMO 接收 和 發(fā)射 RF 系統(tǒng) 進(jìn)行 建模。該設(shè)計(jì)從單個(gè)RF鏈的預(yù)算分析開(kāi)始，然后擴(kuò)展到多個(gè)天線。RF Blockset 天線模塊對(duì)天線陣列進(jìn)行全波分析，支持對(duì)效應(yīng)和缺陷進(jìn)行高保真建模，并結(jié)合射頻系統(tǒng)的仿真。

在 以下 部分 中， 您 將 從 RF 預(yù)算 分析 開(kāi)始 設(shè)計(jì) MIMO 接收 機(jī)。然后，您設(shè)計(jì)一個(gè)變送器并將兩者連接起來(lái)。作為最后一步，這些模型用于發(fā)送和接收寬帶100 MHZ OFDM信號(hào)，包括波束控制和時(shí)鐘恢復(fù)。

二、MIMO 接收機(jī)系統(tǒng)

設(shè)計(jì) MIMO 接收 機(jī) （RX） 系統(tǒng) 時(shí)，首先 要 分析 單 天線 RF 鏈 的 預(yù)算。在本例中，輸入信號(hào)以35GHz為中心，由有效各向同性輻射功率（EIRP）等于20 dBm的發(fā)射器（TX）產(chǎn)生，該發(fā)射器距離接收器100個(gè)波長(zhǎng)。

RX陣列由八個(gè)偶極子天線組成，彼此相距半個(gè)波長(zhǎng)。

假設(shè) TX 天線與 RX 天線相似，并且位于同一仰角平面上，并且到達(dá)方向垂直于 RX 陣列軸。首先使用全波分析計(jì)算陣列增益，然后將單個(gè)天線增益近似等于整個(gè)陣列增益除以陣列中的元件數(shù)，在本例中為 8。

接收器鏈中的下一個(gè)元件是低噪聲放大器。使用在中心頻率插值的S參數(shù)計(jì)算放大器的輸入阻抗。請(qǐng)注意，試金石文件還包括噪聲數(shù)據(jù)。

接下來(lái)，使用在上一步中確定的放大器阻抗作為其余天線元件的負(fù)載來(lái)計(jì)算陣列中第一個(gè)天線元件的阻抗。

計(jì)算 TX 和 RX 之間的可用空間路徑損耗。如果 TX 和 RX 未在同一陣列上完全對(duì)齊 法線 （DOA

0），8個(gè)接收到的信號(hào)具有不同的相位。為了相干地接收發(fā)射信號(hào)，需要相移將陣列波束與接收信號(hào)的到達(dá)方向?qū)R。相控陣系統(tǒng)工具箱中的相移波束形成器對(duì)象用于計(jì)算必要的相移。

定義RX鏈中第一個(gè)放大器級(jí)的三階輸出交調(diào)截點(diǎn)（以dBm為單位）。在RX系統(tǒng)中的每個(gè)鏈上包括一個(gè)額外的放大器級(jí)。

構(gòu)建射頻接收器元件的級(jí)聯(lián)（行向量）：

• 天線由增益和阻抗定義，還包括 TX EIRP 和路徑損耗

• 由 S 參數(shù)（包括噪聲數(shù)據(jù)）和 OIP3 定義的低噪聲放大器

• 由增益和噪聲系數(shù)定義的IF解調(diào)器級(jí)

• 附加放大器級(jí)

• 用于波束成形的移相器

在命令行中鍵入命令以在 RF 預(yù)算分析器應(yīng)用中可視化鏈。

請(qǐng)注意，應(yīng)用程序工具trip的系統(tǒng)參數(shù)部分中顯示的可用輸入功率是通過(guò)將發(fā)射器EIRP減去路徑損耗加上天線增益獲得的。

三、為接收系統(tǒng)創(chuàng)建射頻模塊集模型

將上述級(jí)聯(lián)導(dǎo)出為 RF 模塊集?模型，并將其復(fù)制以創(chuàng)建八鏈 RF 系統(tǒng)。在 仿真 MIMO RX 系統(tǒng) 時(shí)， 通過(guò) 將 RF 預(yù)算 中 使用 的 單個(gè) 天線 元件 替換 為 完整 天線 陣列 來(lái) 捕獲 天線 元件 之間的 耦合。這是通過(guò)將天線塊與天線陣列對(duì)象一起使用來(lái)完成的。arrayRXObj

天線塊的輸入是接收信號(hào)，描述為歸一化功率波拆分到兩個(gè)

偏振分量。接收的功率波 RX 經(jīng)過(guò)歸一化，使得總功率為

.中的天線元件是 z 定向偶極子。這樣的數(shù)組創(chuàng)建一個(gè)沿arrayRXObj

方向。假設(shè)TX天線陣列和RX天線陣列屬于同一類型，則可以假設(shè)接收的信號(hào)是沿著

偏振分量。

由此產(chǎn)生的 RX MIMO 模型包括連接到代表 RX 系統(tǒng)的子系統(tǒng)的天線塊，包括八個(gè)鏈：RF Receiver

注意，輸入信號(hào)是一個(gè)三維陣列：第一維用于幀數(shù)據(jù)，第二維用于多載波信號(hào)，第三維用于提供兩個(gè)極化分量。

在子系統(tǒng)的掩碼下查看，顯示了多鏈RF系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。每條鏈的末端都有一個(gè)移相器，這樣當(dāng)信號(hào)組合時(shí)，陣列波束對(duì)準(zhǔn)給定的到達(dá)方向。信號(hào)使用倒置威爾金森功率分配器進(jìn)行組合。

在模型中測(cè)量第一鏈的輸入（）和輸出（）處傳遞的功率，并近似對(duì)應(yīng)于預(yù)期值。接近使用 RF 預(yù)算分析器應(yīng)用計(jì)算的分析所預(yù)期的值，如上所示。

仿真結(jié)果與預(yù)算分析計(jì)算的期望值之間的差異是由于單個(gè)RX鏈中天線元件的增益近似為天線陣列的增益除以8。這種近似忽略了有限陣列中不同天線元件接收的功率之間的差異。

關(guān)閉 RX 模型并繼續(xù)對(duì) TX 進(jìn)行建模。

四、MIMO 發(fā)射機(jī) 系統(tǒng)

設(shè)計(jì) MIMO 發(fā)射機(jī) （TX） 系統(tǒng)，首先要對(duì)單個(gè)天線射頻鏈進(jìn)行預(yù)算分析。對(duì)于MIMO發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，假設(shè)輸入功率為-7.41 dBm，中心頻率與接收機(jī)相同。

將 TX 天線設(shè)計(jì)為與 RX 天線相同。陣列方向使得離開(kāi)方向垂直于陣列軸，并且與 RX 天線相比翻轉(zhuǎn) 180 度。雖然由于沿z軸的對(duì)稱性，這種旋轉(zhuǎn)對(duì)當(dāng)前陣列沒(méi)有重要作用，但對(duì)于其他類型的天線可能很重要。

TX陣列與RX天線位于同一仰角平面上，出發(fā)方向沿陣列法線。使用全波分析計(jì)算TX天線陣列增益。天線之前TX的最后一級(jí)是輸入和輸出阻抗等于50歐姆的功率放大器。計(jì)算發(fā)射器第一條鏈的天線阻抗。

如果 TX 和 RX 未在同一陣列上完全對(duì)齊 （DOD

0），8個(gè)發(fā)射信號(hào)具有不同的相位。為了確保發(fā)射器將光束引導(dǎo)到接收器，使用了相移。使用相控陣系統(tǒng)工具箱中的相移波束形成器對(duì)象來(lái)計(jì)算將陣列波束與接收信號(hào)的到達(dá)方向?qū)R所需的相移。

定義功率放大器的增益和三階非線性度。為T(mén)X天線陣列中的每個(gè)元件添加固定增益，并以dBm為單位定義三階輸出交調(diào)截點(diǎn)。

構(gòu)建射頻發(fā)射器元素的級(jí)聯(lián)（行向量）：

• 用于波束成形的移相器

• 由增益和噪聲系數(shù)定義的中頻調(diào)制器級(jí)

• 由增益和OIP3定義的功率放大器

• 由增益和阻抗定義的天線

構(gòu)造 TX 對(duì)象：rfbudget

在命令行中鍵入命令以在 RF 預(yù)算分析器應(yīng)用中可視化 TX 鏈。

請(qǐng)注意，可用的輸入功率是發(fā)射器的輸入除以 8，因?yàn)榘藗€(gè)鏈前面有 8 路分路器。此外，預(yù)算中的天線元件近似為具有陣列的增益。此假設(shè)允許將每個(gè)鏈的 EIRP 值相加，以獲得系統(tǒng)的總 EIRP

五、為發(fā)射系統(tǒng)創(chuàng)建射頻模塊集模型

與接收系統(tǒng)類似，上述TX級(jí)聯(lián)可以導(dǎo)出為RF模塊集模型并復(fù)制以創(chuàng)建八鏈RF系統(tǒng)，將8個(gè)單獨(dú)的天線替換為單個(gè)天線陣列。天線塊的輸出是傳輸?shù)男盘?hào)，被描述為分裂到兩者上的功率波TX

極化分量并歸一化，使得總發(fā)射功率等于

.您現(xiàn)在可以確認(rèn)前面的假設(shè)，即大多數(shù)發(fā)射（和接收）功率與

偏振分量。

總歸一化發(fā)射功率等于預(yù)算分析所預(yù)期的 20 dBm 的 EIRP 值。

關(guān)閉 TX 模型并繼續(xù)將 TX 和 RX 組合在一起。

六、將 TX 和 RX 系統(tǒng)組合在單一模型中

要考慮整個(gè)通信鏈路行為，您可以將上述兩個(gè)系統(tǒng)組合成一個(gè)模型。發(fā)射天線的輸出通過(guò)表示天線之間理想路徑損耗的增益塊連接到接收天線的輸入?？梢允褂酶鼜?fù)雜的通道模型，例如包括淡入淡出效果。

使用在兩個(gè)陣列之間傳播的信號(hào)捕獲TX和RX之間的遠(yuǎn)場(chǎng)相互作用，并且完全考慮了RF系統(tǒng)中的變化（例如波束控制相移變化或阻抗匹配）和天線（例如方向，元件或整個(gè)天線陣列的變化）中的變化的影響。

例如，更改 TX 數(shù)組，同時(shí)保持 RX 數(shù)組，如上所述。具體來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)發(fā)射天線，使陣列軸沿z軸設(shè)置，偶極子平行于x軸。通過(guò)這種旋轉(zhuǎn)，TX 功率僅在

極化，與RX天線的極化分量正交。

雖然發(fā)射器的EIRP保持在20 dBm的水平，但由于強(qiáng)烈的極化失配，重新運(yùn)行整個(gè)通信鏈路的仿真顯示接收功率為-188.3 dBm。

關(guān)閉組合的 TX 和 RX 模型，然后繼續(xù)執(zhí)行系統(tǒng)的時(shí)域仿真。

七、TX和RX組合系統(tǒng)的時(shí)域仿真

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上述所有型號(hào)都在射頻系統(tǒng)上執(zhí)行靜態(tài)分析（諧波平衡）。但是，這些模型可以很容易地?cái)U(kuò)展以模擬系統(tǒng)的時(shí)域性能。以前，天線性能是在單個(gè)頻率點(diǎn)計(jì)算的。要捕獲天線的時(shí)域行為，請(qǐng)重新計(jì)算包含圍繞中心頻率的仿真頻段的頻段上的天線 S 參數(shù)。

請(qǐng)注意，新的天線計(jì)算結(jié)果保存在天線對(duì)象中，并由天線塊用于估計(jì)它們?cè)诜抡骖l段內(nèi)的時(shí)間行為。

時(shí)域仿真是在與先前模型具有相同結(jié)構(gòu)的新模型中執(zhí)行的。但是，正在傳輸?shù)男盘?hào)現(xiàn)在是OFDM波形，而不是單個(gè)音調(diào)信號(hào)。此外，從頻譜分析儀發(fā)出的接收信號(hào)現(xiàn)在使用頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)入執(zhí)行基帶解調(diào)的子系統(tǒng)，并計(jì)算接收的OFDM波形的EVM和MER

八、程序

使用Matlab R2022b版本，點(diǎn)擊打開(kāi)。（版本過(guò)低，運(yùn)行該程序可能會(huì)報(bào)錯(cuò)）

打開(kāi)下面的“Example.m”文件，點(diǎn)擊運(yùn)行，就可以看到上述效果。

程序下載：https://download.csdn.net/download/weixin_45770896/87666473