高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器大變革,射頻采樣依舊是老思路?
發(fā)布時(shí)間:2017-01-22 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】過去十年中,無線電接收架構(gòu)如無線通訊與軍事系統(tǒng)等都得到了極大的發(fā)展,這在很大程度上得益于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的革新。
十年前,大多數(shù)無線電設(shè)備建立在較為基礎(chǔ)的超外差結(jié)構(gòu)上,且具有多個(gè)下變頻級。當(dāng)時(shí),我們見證了高 IF (中頻) 結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)單個(gè)下變頻級的變化。這得益于ADC帶寬、采樣速率與性能等的顯著改善,這些顯著的改善使第二或第三奈奎斯特區(qū)域的信號采樣得以實(shí)現(xiàn)。ADS62P45 ADC便是引領(lǐng)這次變化的一個(gè)典型代表。現(xiàn)在,ADC技術(shù)進(jìn)一步得到改進(jìn)與提升,使得無線電中最后一個(gè)下變頻級也得以消除,從而支持直接射頻(RF)采樣接收機(jī)。參見圖1。
可用于直接射頻采樣無線電架構(gòu)的ADC已經(jīng)上市多年,例如德州儀器(TI)的ADC12J4000。不過,ADC32RF45是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)直接射頻采樣的ADC,直接射頻采樣可匹敵超外差和高中頻結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)范圍。在零中頻結(jié)構(gòu)中(零中頻結(jié)構(gòu)是極端寬頻系統(tǒng)的首選架構(gòu)),ADC32RF45率先在單個(gè)設(shè)備上應(yīng)用2GHz復(fù)雜信號帶寬。
圖1:無線電接收器架構(gòu)演化
正如多數(shù)設(shè)計(jì)師所知道的那樣,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能只與系統(tǒng)中其它集成電路(IC)不相上下。使用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)或破壞直接射頻采樣接收機(jī)或?qū)拵Я阒蓄l接收機(jī)。圖2為組成信號鏈的一些設(shè)備,請仔細(xì)查看圖例,接下來我們將對其中一些設(shè)備進(jìn)行更深入的了解。
圖2:直接射頻采樣的信號鏈解決方案
射頻采樣接收機(jī)或?qū)拵?shù)字轉(zhuǎn)化器的五大組件
若只是簡單看看數(shù)據(jù)表,要選出相互匹配的設(shè)備是比較困難的。這里會(huì)給出圖2中五大組件的相關(guān)背景(包括ADC),從而呈現(xiàn)出完整、簡化與/或改善的射頻采樣接收機(jī)或?qū)拵Я阒蓄l接收機(jī)。此解決方案可用于無線基礎(chǔ)設(shè)施、軍用雷達(dá)、電子作戰(zhàn)或?qū)拵ㄐ艤y試設(shè)備系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
ADC32RF45是射頻采樣接收機(jī)的核心與靈魂所在。它具有-155dBFS/Hz的噪音基底,使信號直接采樣的射頻頻率達(dá)到4GHz;但是它需要一個(gè)高品質(zhì)的采樣時(shí)鐘,從而避免由高中頻結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍的下降。對于4GHz以上的信號,可借助射頻合成器在寬帶高中頻結(jié)構(gòu)或零中頻結(jié)構(gòu)中使用ADC32RF45。高采樣速率,加上單一封裝中的兩個(gè)通道,意味著您可以使用最小的2GHz信號帶寬的零中頻接收機(jī),并最小化ADC通道間的I/Q不匹配現(xiàn)象,不過這需要激勵(lì)放大器的幫助,激勵(lì)放大器也需要非常小且匹配性高。
ADC32RF45包括四個(gè)集成數(shù)字下變頻器(DDC),每個(gè)通道兩個(gè),用于為邏輯器件的處理進(jìn)行分流。DDC可通過每個(gè)通道使用的最多三個(gè)數(shù)控振蕩器,將所需信號混合到I/Q基帶,用于觀察或載波跳頻應(yīng)用。接下來,抽取濾波器降低數(shù)據(jù)速率以實(shí)現(xiàn)直接射頻采樣,帶來的好處是高ADC采樣速率,同時(shí)降低對信號處理和ADC接口的要求。抽取的信號隨后會(huì)發(fā)送至現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或數(shù)字信號處理器(DSP),進(jìn)行額外的基帶處理。
信號放大和單端至差分轉(zhuǎn)換
放大器驅(qū)動(dòng)直接射頻采樣結(jié)構(gòu)和寬帶零中頻結(jié)構(gòu)中的ADC。LMH3404的雙通道與全差分放大器在運(yùn)行于從直流到2GHz的系統(tǒng)中,與射頻采樣ADC配合良好,這得益于LMH3404的7GHz頻寬。設(shè)計(jì)LMH3404的目的是用來替代變壓器 (平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器) ,為ADC執(zhí)行單端至差分信號轉(zhuǎn)換,同時(shí)提供18dB增益。與變壓器相比,其優(yōu)勢在于可一直降至直流,這是寬帶零中頻系統(tǒng)所需要的。搭配ADC32RF45后,LMH3404就能建立用于寬帶通信和測試的小型高性能2GHz帶寬零中頻接收機(jī)。雙通道放大器具有優(yōu)良的通道間增益與相位匹配性能,限定了系統(tǒng)所需數(shù)字失配校正量。
記時(shí)
在射頻采樣無線電中,采樣時(shí)鐘的質(zhì)量好壞對系統(tǒng)產(chǎn)生的信噪比(SNR)具有強(qiáng)烈影響。LMK04828是兼容JESD204B的超低噪音時(shí)鐘抖動(dòng)清除器,可生成小于100fs抖動(dòng)、具有射頻采樣能力的時(shí)鐘,同時(shí)具有一系列收縮或簡化系統(tǒng)的特性。因支持最多七個(gè)JESD204B裝置,LMK04828可以為多個(gè)ADC32RF45 ADC、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、FPGA或DSP記時(shí)。LMK04828還可以生成系統(tǒng)參考(SYSREF)信號,用于JESD204B系統(tǒng)中確定性延遲,而數(shù)字和模擬延遲可幫助滿足每個(gè)JESD204B設(shè)備的關(guān)鍵計(jì)時(shí)需求。
對于擁有高質(zhì)量時(shí)鐘的系統(tǒng),LMK04828可以作為一個(gè)時(shí)鐘分配裝置,同時(shí)仍具有SYSREF生成和延遲功能。對于所有基于ADC32RF45的系統(tǒng),我推薦使用LMK04828。
射頻合成
高性能計(jì)時(shí)的另一個(gè)選擇(尤其是對于直接射頻采樣結(jié)構(gòu))是使用LMX2592射頻合成器,并結(jié)合LMK04828。LMX2592的高輸出擺幅和低相位噪聲使它能實(shí)現(xiàn)具有12kHz-20MHz積分帶寬的,并小于50fs均方根(RMS)的抖動(dòng),實(shí)現(xiàn)高射頻頻率下信噪比的多分貝改善,如圖3所示。LMK04828作為LMX2592的參考時(shí)鐘,同時(shí)也為JESD204B子類1確定性延遲生成SYSREF信號。
圖3:LMX2592在6GHz輸出頻率的抖動(dòng)性能
對于載波頻率4GHz以上(C波段或X波段)的系統(tǒng),LMX2592可以作為本地振蕩器 (LO),生成高達(dá)9.8GHz的信號,并將期望信號混合至相對高(最高4GHz)的中頻。ADC32RF45可以直接采樣中頻信號,中頻信號帶寬可達(dá)1GHz,用于創(chuàng)建寬帶、高頻、高中頻的結(jié)構(gòu)。
另外,LMX2592可在零中頻結(jié)構(gòu)中用作本地振蕩器,搭配ADC32RF45可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2GHz信號帶寬。
數(shù)字信號處理
ADC32RF45通常與FPGA連接;然而,ADC32RF45的JESD204B數(shù)字輸出在使用ADC的DDC功能時(shí),可以直接連接66AK2L06多核數(shù)字信號處理器(DSP)以及ARM®片上系統(tǒng)(SoC)。ADC32RF45直接連接到SoC可通過去除相連接的FPGA來減少系統(tǒng)的尺寸、重量與功率(SWaP)。
66AK2L06包含具有DDC和數(shù)字濾波功能的可編程數(shù)字前端(DFE),它可擴(kuò)展ADC32RF45的處理功能,實(shí)現(xiàn)多載波射頻系統(tǒng)的額外子頻段或過濾。此外,DFE包含自動(dòng)增益控制(AGC)功能,以保護(hù)ADC32RF45,并保持最優(yōu)化ADC性能。《KeyStone II器件DFE用戶指南》提供了更多關(guān)于ADC32RF45功能的見解,以及 JESD204B可允許的線路和速率。66AK2L06 SoC集成了快速傅里葉變換協(xié)處理器(FFTC),從而以10-15倍速加快復(fù)雜的FFT/iFFT操作,是低延遲應(yīng)用的理想選擇。
結(jié)論
ADC32RF45使得設(shè)計(jì)者在架構(gòu)直接射頻采樣無線電設(shè)備時(shí)不必進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍權(quán)衡。本文中提到的德州儀器最佳信號鏈組件與ADC32RF45搭配,將使系統(tǒng)性能最大化:
• LMH3404可作為直流至2GHz ADC激勵(lì)器,可取代單端至差分轉(zhuǎn)換變壓器(平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器),具有直流耦合功能,并提供18dB增益。
• LMK04828生成或分配射頻采樣所需的高性能時(shí)鐘。
• LMX2592提供一個(gè)更高性能的計(jì)時(shí)選擇,在載波頻率超過4GHz(C波段或X波段)的系統(tǒng)中充當(dāng)本地振蕩器合成器。
• 將JESD204B輸出連接到66AK2L06 DSP ,可減少尺寸、重量與功率(SWaP)。
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