选用合适ADC与周边元件 射频采样系统建立更快速

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来源: 新电子   发布者:新电子
热度116票   时间:2017年1月12日 05:02
高速类比/数位转换器的创新,使得无线电接收架构如无线通讯和军事系统等皆有大幅的进展。然而,新一代ADC技术的问世,使得无线电最后一个降频转换也被移除,更有利于射频(RF)采样接收器提升整体采样速率与效能。

过去十年间,无线电接收架构如无线通讯和军事系统等,皆有大幅的进展,而这主要是受惠于高速类比/数位转换器(ADC)的创新。十年前,无线电设备大多建立在较为简单且具有多个降频转换的超外差架构上。当时,我们见证了高中频(IF)架构开始采用单个降频转换的转变。这样的转变主要是受到ADC频宽、采样速率与效能等显着的进步所驱使,使第二或第三奈奎斯特区域的讯号采样得以实现。
针对五大零组件完成射频采样解决方案

而今,ADC技术有了更进一步的超凡进展,让无线电中最后一个降频转换也得以被移除,更有利于直接射频(RF)采样接收器,请见图1。


图1 无线电接收器架构演化示意图。
可用于直接射频采样无线电架构,如德州仪器(TI)旗下的ADC12J4000的ADC已上市多年;然而,以该公司另一款ADC32RF45为例,该产品是第一个能够实现直接射频采样、且能够匹敌超外差和高中频架构的动态范围的ADC。在极端宽频系统的首选架构—零中频架构中,该产品是首款能够在单装置上应用2GHz复杂讯号频宽的ADC。

正如多数设计人员所知,资料转换器的效能至多只能够与系统中其它积体电路(IC)相比拟。使用对的装置能够完成或破坏设计中的直接射频采样接收器或宽频零中频接收器。请仔细详读组成图2讯号链的一些装置,接下来本文将对其中一些装置进行更深入的探讨。


图2 直接射频采样的讯号链解决方案
若只是单看产品规格表,要选出相互匹配的装置可能会相当有挑战性。在接下来的内容里,本文将以TI为例,说明该公司将针对图2中的五大零组件,在完整、简化及改善射频采样接收器或宽频零中频接收器的作用上,提供包含ADC在内的相关背景资讯。此解决方案可用于无线基础设施、军用雷达、电子作战或宽频通讯测试设备系统。

进行资料转换 ADC不可少

ADC32RF45是此射频采样接收器的核心与灵魂,其具备-155dBFS/Hz的噪音基底,射频频率最高达4GHz的讯号直接采样;但它需要一个高品质的采样时钟来避免降低由高中频架构所实现的动态范围。对于4GHz以上的讯号,设计人员可以在宽频高中频架构或零中频架构借助射频合成器的同时使用该产品。加上单一封装中的两个通道,高采样速率意味着可以使用最小的2GHz讯号频宽的零中频接收器,并将ADC通道间的I/Q不匹配现象最小化,不过这需要一样小巧且匹配性高的激励放大器。

ADC32RF45包含四个整合在一起的数位下变频器(DDC),每个通道有两个,以为逻辑装置的处理进行分流。DDC能够藉由每个通道使用最多三个数控振荡器将所需的讯号混合到I/Q基带,以观察或用于载波跳频等应用。接着,抽取滤波器将降低资料速率,以实现直接射频采样,为设计人员带来可同时降低对讯号处理和ADC介面需求的高ADC采样速率的好处。之后,抽取的讯号被发送至可程逻辑闸阵列(FPGA)或数位讯号处理器(DSP)以进行额外的基带处理。

讯号放大和单端至差分转换

放大器驱动着直接射频采样架构和宽频零中频架构中的ADC。得益于LMH3404高速运算放大器 7GHz的频宽,此一放大器的双通道与全差分放大器在直流至2GHz的系统中,与射频采样ADC相当匹配。在提供18dB增益的同时,该放大器被设计为ADC执行单端至差分讯号转换,并当作替代变压器(平衡不平衡转换器)。

与变压器相比,其优势在于能够一直降至直流,这正是宽频零中频系统所需要的。搭配ADC32RF45使用,该变压器就能建立用于宽频通讯和测试的小型高效能2GHz频宽零中频接收器。双通道放大器具有较佳的通道间增益与相位匹配效能,限制系统中所需的数位失配校正量。

选择适当时脉抖动器降低讯噪比影响

在射频采样无线电中,采样时脉的品质好坏对系统产生的讯噪比(SNR)有相当大的影响。LMK04828是相容JESD204B的超低噪音时脉抖动清除器,其可生成小于100fs的抖动、在具有一系列收缩或简化系统特性的同时拥有射频采样能力的时脉。支援最多达七个JESD204B装置,该产品可以为多个ADC32RF45 ADC、数位/类比转换器(DAC)、FPGA或DSP计时。用于JESD204B系统中的确定性延迟,LMK04828数位和类比延迟能够帮助设计人员在满足每个JESD204B装置的关键计时需求的同时,产生系统参考(SYSREF)讯号。另外,对于拥有高品质时脉的系统,该产品可以作为一个同时具有SYSREF生成和延迟功能的时脉分配装置。

射频合成器为提升采样效能关键

对于直接射频采样架构特别重要的高效能计时的另一个选择,便是射频合成器。本文以TI旗下结合LMK04828的LMX2592射频合成器为例,该产品的高输出摆幅和低相位杂讯,使其能够达到具有12kHz∼20MHz积分频宽、小于50fs均方根的抖动,实现高射频频率下讯噪比的多分贝改善,如图3所示。


图3 LMX2592在6GHz输出频率的抖动效能
LMK04828作为LMX2592的参考时钟,同时也为JESD204B子类1确定性延迟产生SYSREF讯号。

对于载波频率为4GHz以上(C波段或X波段)的系统,此一射频合成器能够做为本地振荡器(LO),产生高达9.8GHz的讯号,并将最高达4GHz的期望达到的讯号混合至相对高的中频,使得ADC32RF45能够直接为频宽最高达1GHz的讯号进行采样,并用于创建宽频、高频、高中频的架构。此外,LMX2592能够在零中频架构中用作本地振荡器,在搭配ADC32RF45的情况下实现高达2GHz的讯号频宽。


图4 选择合适周边零组件,以快速打造射频采样设备。 图片来源:德州仪器

图5 运用新款ADC可提升射频采样效率。
使用数位讯号处理降低延迟

ADC32RF45通常与FPGA连接,然而,ADC32RF45的JESD204B数位输出在使用ADC的DDC功能时,能够直接连接多核数位讯号处理器(DSP)以及ARM系统单晶片(SoC)。ADC32RF45直接连接到SoC可藉由去除相连接的FPGA来减少系统的尺寸、重量与功率(SWaP)。

以TI旗下66AK2L06为例,该产品包含具有DDC和数位滤波功能的可编程数位接收前端(DFE),可扩展ADC32RF45的处理功能,实现多载波射频系统的额外子频段或过滤。此外,DFE包含自动增益控制(AGC)功能,并在维持最佳效能的同时,保护ADC。另外,此一DSP整合了快速傅立叶变换协处理器(FFTC),进而以10∼15倍速加快复杂的FFT/iFFT运作,是低延迟应用的理想选择。

ADC结合周边零组件 快速打造无线电采样设备

综上所述,文中所举例的ADC32RF45能使设计人员在建构直接射频采样无线电设备时,不必进行动态范围的权衡。再搭配其他讯号链零组件,如LMH3404可做为直流至2GHz的一个ADC激励器,亦可取代单端至差分转换变压器(平衡不平衡转换器),并具有直流耦合与18dB增益等功能;LMK04828能够产生或分发射频采样所需的高效能时钟;LMX2592提供一个更高效能的计时选择,在载波频率超过4GHz(C波段或X波段)的系统中充当本地振荡器合成器,以及将JESD204B输出连接到66AK2L06 DSP能够减少尺寸、重量与功率。

(本文作者任职于德州仪器)




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