一、前言

本 例 說明 如何 對 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)計從單個RF鏈的預(yù)算分析開始，然后擴展到多個天線。RF Blockset 天線模塊對天線陣列進(jìn)行全波分析，支持對效應(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 開始 設(shè)計 MIMO 接收 機。然后，您設(shè)計一個變送器并將兩者連接起來。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，包括波束控制和時鐘恢復(fù)。

二、MIMO 接收機系統(tǒng)

設(shè)計 MIMO 接收 機 （RX） 系統(tǒng) 時，首先 要 分析 單 天線 RF 鏈 的 預(yù)算。在本例中，輸入信號以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個波長。

RX陣列由八個偶極子天線組成，彼此相距半個波長。

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算陣列增益，然后將單個天線增益近似等于整個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元件是低噪聲放大器。使用在中心頻率插值的S參數(shù)計算放大器的輸入阻抗。請注意，試金石文件還包括噪聲數(shù)據(jù)。

接下來，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)載來計算陣列中第一個天線元件的阻抗。

計算 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齊 法線 （DOA

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

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

構(gòu)建射頻接收器元件的級聯(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

• 附加放大器級

• 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， 通過 將 RF 預(yù)算 中 使用 的 單個 天線 元件 替換 為 完整 天線 陣列 來 捕獲 天線 元件 之間的 耦合。這是通過將天線塊與天線陣列對象一起使用來完成的。arrayRXObj

天線塊的輸入是接收信號，描述為歸一化功率波拆分到兩個

偏振分量。接收的功率波 RX 經(jīng)過歸一化，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，包括八個鏈：RF Receiver

注意，輸入信號是一個三維陣列：第一維用于幀數(shù)據(jù)，第二維用于多載波信號，第三維用于提供兩個極化分量。

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移相器，這樣當(dāng)信號組合時，陣列波束對準(zhǔn)給定的到達(dá)方向。信號使用倒置威爾金森功率分配器進(jìn)行組合。

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

仿真結(jié)果與預(yù)算分析計算的期望值之間的差異是由于單個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 TX 進(jìn)行建模。

四、MIMO 發(fā)射機 系統(tǒng)

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

將 TX 天線設(shè)計為與 RX 天線相同。陣列方向使得離開方向垂直于陣列軸，并且與 RX 天線相比翻轉(zhuǎn) 180 度。雖然由于沿z軸的對稱性，這種旋轉(zhuǎn)對當(dāng)前陣列沒有重要作用，但對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。使用全波分析計算TX天線陣列增益。天線之前TX的最后一級是輸入和輸出阻抗等于50歐姆的功率放大器。計算發(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齊 （DOD

0），8個發(fā)射信號具有不同的相位。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象來計算將陣列波束與接收信號的到達(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TX天線陣列中的每個元件添加固定增益，并以dBm為單位定義三階輸出交調(diào)截點。

構(gòu)建射頻發(fā)射器元素的級聯(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

• 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。

請注意，可用的輸入功率是發(fā)射器的輸入除以 8，因為八個鏈前面有 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個單獨的天線替換為單個天線陣列。天線塊的輸出是傳輸?shù)男盘?#xff0c;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

要考慮整個通信鏈路行為，您可以將上述兩個系統(tǒng)組合成一個模型。發(fā)射天線的輸出通過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。可以使用更復(fù)雜的通道模型，例如包括淡入淡出效果。

使用在兩個陣列之間傳播的信號捕獲TX和RX之間的遠(yuǎn)場相互作用，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，元件或整個天線陣列的變化）中的變化的影響。

例如，更改 TX 數(shù)組，同時保持 RX 數(shù)組，如上所述。具體來說，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，但由于強烈的極化失配，重新運行整個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)的時域仿真。

七、TX和RX組合系統(tǒng)的時域仿真

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上述所有型號都在射頻系統(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擴展以模擬系統(tǒng)的時域性能。以前，天線性能是在單個頻率點計算的。要捕獲天線的時域行為，請重新計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)。

請注意，新的天線計算結(jié)果保存在天線對象中，并由天線塊用于估計它們在仿真頻段內(nèi)的時間行為。

時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)男盘柆F(xiàn)在是OFDM波形，而不是單個音調(diào)信號。此外，從頻譜分析儀發(fā)出的接收信號現(xiàn)在使用頻譜分析儀進(jìn)行測量，并進(jìn)入執(zhí)行基帶解調(diào)的子系統(tǒng)，并計算接收的OFDM波形的EVM和MER

八、程序

使用Matlab R2022b版本，點擊打開。（版本過低，運行該程序可能會報錯）

打開下面的“Example.m”文件，點擊運行，就可以看到上述效果。

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