新型技術(shù)分析:RF DAC在軟件無(wú)線電中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2017-01-20 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】本文重點(diǎn)討論最新的RF數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (RF DAC) 系列產(chǎn)品AD9162和AD9164,及其擴(kuò)展軟件定義無(wú)線電 (SDR) 定義的能力。AD9164使RF DAC產(chǎn)品達(dá)到了全新的性能等級(jí),讓傳統(tǒng)的無(wú)線電設(shè)計(jì)相比前代的RF或IF類DAC更高效。世界一流的性能加上豐富的功能讓AD9164成為系統(tǒng)之間開關(guān)無(wú)線電的首選,并向真正的軟件定義無(wú)線電前進(jìn)了一步。
簡(jiǎn)介
傳統(tǒng)無(wú)線電設(shè)備使用高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及正交調(diào)制器作為有線和無(wú)線通信鏈路的主要構(gòu)建模塊。經(jīng)典的外差、超外差和直接變頻架構(gòu)中發(fā)送器和接收器對(duì)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的要求是相同的,突破了數(shù)字處理到真實(shí)世界中的模擬信號(hào)和模擬信號(hào)到數(shù)字處理之間的界限。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進(jìn)步連同濾波器技術(shù)和功率放大器技術(shù)一起,奠定了無(wú)線電設(shè)計(jì)進(jìn)步的基礎(chǔ)。
采用一組基帶高速ADC構(gòu)建的經(jīng)典無(wú)線電發(fā)送器如圖1所示。 數(shù)字基帶數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)同步高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送,同相數(shù)據(jù) 通過(guò)I DAC,正交數(shù)據(jù)通過(guò)Q DAC。DAC輸出至正交調(diào)制器。 取決于調(diào)制器的類型,輸出可以是低中頻(比如200 MHz至 400 MHz),也可以是較高的IF頻率(比如500 MHz至1 GHz), 甚至RF頻率(1 GHz至5 GHz范圍)。圖中顯示了后續(xù)上變頻至 實(shí)際的最終頻率。輸出信號(hào)采用帶通濾波器進(jìn)行濾波,然后通 過(guò)功率放大器和另一個(gè)帶通濾波器發(fā)送(可集成在雙工器內(nèi))。
圖1. 使用高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的經(jīng)典超外差發(fā)送器圖例。
這類架構(gòu)常見(jiàn)的瞬時(shí)發(fā)送帶寬為幾十至幾百M(fèi)Hz,主要受轉(zhuǎn) 換器、功率放大器和濾波器帶寬的限制。對(duì)于最新的E頻段微 波回傳無(wú)線電等系統(tǒng)來(lái)說(shuō)這是不夠的,這類系統(tǒng)要求500 MHz、1 GHz甚至2 GHz無(wú)線電通道帶寬。如果考慮使用無(wú)線 基礎(chǔ)設(shè)施基站(舉例而言)中可能采用的多頻段無(wú)線電,可 能需要同等寬度的500 MHz或700 MHz,甚至1 GHz,用來(lái)覆 蓋部分頻段組合。采用兩個(gè)傳統(tǒng)射頻通道也許可以滿足要求, 每頻段使用一個(gè)射頻通道。無(wú)論出于成本、尺寸或是其它因 素的考慮,將多個(gè)射頻通道合成一個(gè)射頻通道是更適合需求 的一個(gè)方案。此時(shí)便需要一種新的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
支持技術(shù)
高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)發(fā)展長(zhǎng)期側(cè)重于提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器速率, 同時(shí)保持性能指標(biāo)不變。性能指標(biāo)包括噪聲頻譜密度 (NSD) 和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 等項(xiàng)目。交調(diào)失真 (IMD) 亦很重 要—無(wú)論是單音信號(hào)還是調(diào)制信號(hào), 比如GSM、3G (WCDMA)、4G (OFDM) 和使用256 QAM的有線應(yīng)用等普遍 使用的無(wú)線通信系統(tǒng)中的信號(hào)。
較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率能為無(wú)線電設(shè)計(jì)人員提供多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。首 先,信號(hào)鏡像被推向更高的頻率,使模擬重建濾波器的設(shè)計(jì) 更簡(jiǎn)單、更可靠。此外,更高的更新速率創(chuàng)造出更寬的第一 奈奎斯特區(qū),進(jìn)而使轉(zhuǎn)換器可直接合成更高的輸出頻率。當(dāng) 直接頻率合成的信號(hào)足夠高的時(shí)候,整個(gè)的模擬頻率變換, 或者上變頻器就可以從無(wú)線電設(shè)備中移除。簡(jiǎn)化頻率規(guī)劃, 降低無(wú)線電的功耗并縮小尺寸。更高的更新速率增加了帶寬, 量化噪聲可以擴(kuò)展到更寬的有用帶寬內(nèi),使處理設(shè)備獲得了 更好性能的發(fā)射噪聲頻譜密度。
隨著CMOS處理技術(shù)的進(jìn)步,在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中加入信號(hào)處理 功能也變得十分普遍。DAC中增加的NCO和插值器特性集減 少了實(shí)現(xiàn)這些特性的FPGA或ASIC的負(fù)擔(dān)和功耗,同時(shí)DAC 相比沒(méi)有這些特性集時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率要求更低。較低的數(shù) 據(jù)速率降低了系統(tǒng)總功耗,某些情況下使數(shù)據(jù)芯片(布速范 圍最高300 MHz至400 MHz)得以跟上轉(zhuǎn)換器的速度。在芯片 上集成NCO可實(shí)現(xiàn)無(wú)線電的第一奈奎斯特區(qū)頻率在數(shù)字域中 的轉(zhuǎn)換,因此當(dāng)今無(wú)線電設(shè)計(jì)中通常采用數(shù)百M(fèi)Hz的中等頻 率,這是因?yàn)閿?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中集成了NCO和插值器。
信號(hào)處理RF DAC
RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的改變之處在于其工作的最終轉(zhuǎn)換速率發(fā)生了 變化,并且新增的信號(hào)處理同樣可以處理這些速度的信號(hào)。 這些新的功能與速度的強(qiáng)大結(jié)合可以極大地改變無(wú)線電架構(gòu) 設(shè)計(jì),為可重新配置和軟件定義無(wú)線電開啟了新的可能性。
圖2. AD9162和AD9164系列RF DAC框圖。
AD9162和AD9164系列RF DAC便是很好的例子。AD9162和 AD9164的框圖如圖2所示。AD9162是一款16位、6 GSPS RFDAC,集成從1倍旁路模式直到24倍插值的多種插值選項(xiàng)。插 值器工作帶寬為經(jīng)典的80%帶寬,或更寬的90%帶寬,后者瞬 時(shí)信號(hào)帶寬更高,功耗也略高。數(shù)據(jù)路徑同樣集成了最終半 帶插值器FIR85,圖2中以NCO之前的"HB 2×"模塊顯示,能有 效地使DAC更新速率翻倍,達(dá)到12 GSPS,可以將鏡像移動(dòng)至 更遠(yuǎn)處,放寬濾波要求。可選FIR85后接一個(gè)工作在6 GSPS更 新速率或12 GSPS更新速率(若FIR85使能)的48位數(shù)控振蕩 器 (NCO)。NCO 后面的反sinc 濾波器預(yù)先處理了送往 DAC 核的數(shù)據(jù),從了矯正了DAC 輸出的sinc 包絡(luò)特性
DAC內(nèi)核采用ADI公司專利的四通道開關(guān)架構(gòu)1,提供出色的 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 和噪聲頻譜密度 (NSD),具有業(yè)界最 佳的動(dòng)態(tài)范圍,同時(shí)四通道開關(guān)還提供大家熟悉的DAC解碼 器選項(xiàng):不歸零 (NRZ) 模式、歸零 (RZ) 模式和混頻模式™。 FIR85為DAC解碼器新增了一項(xiàng)新特性,稱為2xNRZ模式,后 文將會(huì)詳細(xì)解釋。
AD9164具有AD9162的基礎(chǔ)功能,同時(shí)以快速跳頻 (FFH) NCO引擎的形式加入了直接數(shù)字頻率合成 (DDS) 功能。FFH NCO具有多項(xiàng)獨(dú)特功能,因而非常適合用在高速測(cè)試儀器儀 表、本振替代品、安全無(wú)線電通信和雷達(dá)激勵(lì)器等市場(chǎng)。 FFH NCO引擎集成32個(gè)32位NCO,每一個(gè)都有自己的相位累 加器,同時(shí)提供選擇模塊,實(shí)現(xiàn)快速跳頻。
AD9162有兩款衍生產(chǎn)品,面向?qū)I(yè)市場(chǎng)。AD9161是一款11位、 6 GSPS RF DAC,集成最低2倍插值。AD9161 i的SFDR和NSD適 合電纜前端和遠(yuǎn)程PHY應(yīng)用,符合DOCSIS 3.0規(guī)范。較低的信 號(hào)帶寬和動(dòng)態(tài)范圍使AD9161無(wú)需進(jìn)口許可證。AD9163是一款 16位、6 GSPS RF DAC,具有最低6倍插值,保留了AD9162主 產(chǎn)品的全動(dòng)態(tài)范圍。器件的全動(dòng)態(tài)范圍以及1 GHz寬瞬時(shí)帶寬 加上全范圍NCO使其適合單頻段或雙頻段無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施基站應(yīng) 用和傳統(tǒng)頻段中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波系統(tǒng),同時(shí)具有無(wú)需進(jìn)口許可證 的優(yōu)勢(shì)。表1總結(jié)了該產(chǎn)品系列和主要特性。
表1. AD9162 和AD9164 系列6 GSPS RF DAC 特性與目標(biāo)市場(chǎng)匯總
數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)路徑特點(diǎn)
數(shù)據(jù)通過(guò)8通道、12.5 GBPS JESD204B接口輸入AD9162和 AD9164。此高速串行接口減少了數(shù)字基帶器件與DAC相連所 需的導(dǎo)線數(shù)量,簡(jiǎn)化了電路板的布局復(fù)雜性。數(shù)據(jù)手冊(cè)給出 了接口操作的詳細(xì)指南,ADI網(wǎng)站上給出了JESD204B接口詳 細(xì)指南。
AD9162和AD9164數(shù)據(jù)路徑上的第一個(gè)插值器是一個(gè)2倍半帶 或3倍第三頻段濾波器。這兩個(gè)濾波器都有可選80%或90%信 號(hào)帶寬。兩個(gè)濾波器均提供85 dB或更高的阻帶抑制。90%濾 波器工作需要較高的功耗消耗,因?yàn)樗鼈兊慕刂固匦愿盖停?因此抽頭數(shù)量也更多。其余2倍半帶濾波器全部工作在90%帶 寬,支持全部的第一插值器。FIR85同樣工作在90%帶寬。由 于后續(xù)所有濾波器都一路沿著插值路線,因此它們可以工作 在90%帶寬,且功耗幾乎不增加。
FIR85使能時(shí)可提供2xNRZ模式,其實(shí)現(xiàn)方式與其它插值濾波 器有所不同。它利用DAC的四通道開關(guān)架構(gòu),并在DAC時(shí)鐘 的上升和下降沿對(duì)數(shù)據(jù)采樣。這種采樣方式在每一個(gè)時(shí)鐘邊 沿處采樣新數(shù)據(jù),因此可以使DAC的采樣速率翻倍,高達(dá)12 GSPS。這樣就將信號(hào)鏡像從fDAC – fOUT外推至2xfDAC – fOUT, 更容易通過(guò)可以實(shí)現(xiàn)的模擬濾波器過(guò)濾鏡像。這種采樣和插 值方式使DAC的輸出對(duì)時(shí)鐘平衡更為敏感,但可以調(diào)節(jié)DAC 時(shí)鐘輸入,達(dá)到更佳的性能。這些調(diào)節(jié)是通過(guò)串行外設(shè)接口 (SPI) 對(duì)寄存器編程而實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出了詳細(xì)信息。
48位NCO是一個(gè)完全正交NCO,可實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的無(wú)鏡 像頻率偏移或單個(gè)信號(hào)音的直接數(shù)字頻率合成。NCO有兩種 可選工作模式,即相位連續(xù)或相位斷續(xù)頻率開關(guān)模式。在相 位連續(xù)開關(guān)模式下,頻率調(diào)諧字 (FTW) 更新,但相位累加器 不復(fù)位,導(dǎo)致相位頻率連續(xù)改變。在相位斷續(xù)模式下,當(dāng) FTW更新時(shí),相位累加器復(fù)位。串行外設(shè)接口 (SPI) 保證具有 100 MHz,可實(shí)現(xiàn)FTW的快速更新。
AD9164的NCO引入了一項(xiàng)重要的特性—快速跳頻NCO (FFH NCO)。FFH NCO額外集成31個(gè)32位NCO,每一個(gè)都有自己的 相位累加器。每一個(gè)NCO都有自己的FTW,因此器件內(nèi)總共 可以編程32個(gè)NCO FTW。提供一個(gè)FTW選擇寄存器,以便 SPI寄存器字節(jié)的單次寫操作可以完成一次精度為32位的新頻 率跳頻。這意味著通過(guò)100 MHz SPI可以在240 ns內(nèi)以單字節(jié) 寫操作選擇新的FTW。
FFH NCO具有額外的相位相干跳頻模式,適合儀器儀表和軍 事應(yīng)用。相位相干跳頻對(duì)于測(cè)試應(yīng)用而言很重要,此外對(duì)于 需要跟蹤激勵(lì)器信號(hào)相位以供后續(xù)使用的雷達(dá)應(yīng)用也很重要。 相位相干跳頻可從一個(gè)頻率變化到另一個(gè)頻率并再次返回原 來(lái)的頻率,而不會(huì)丟失原來(lái)頻率的相位累加。換言之,它可 以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)頻率到另一個(gè)頻率然后返回上一個(gè)頻率,就像 頻率從未改變一樣。
應(yīng)用和測(cè)試的性能
AD9162和AD9164的信號(hào)處理特性和高采樣速率可以簡(jiǎn)化圖1 中的射頻架構(gòu)。更新后的圖形如圖3所示。由于RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 可以直接以所需的輸出頻率合成信號(hào),因此不再需要正交調(diào) 制器或上變頻混頻器。信號(hào)在數(shù)字處理器中建立,通過(guò)RF數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換器輸出,因而大幅減少了需要部署的硬件數(shù)量。此外, 無(wú)線電也更容易實(shí)現(xiàn),LO和DAC輸入無(wú)需校準(zhǔn)至正交調(diào)制器 以便抑制LO泄露和干擾鏡像,因?yàn)檎{(diào)制器以數(shù)字方式在RF數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。
圖3. 采用RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的無(wú)線電發(fā)送器架構(gòu)。
此類架構(gòu)僅有一個(gè)模擬低通濾波器濾除數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器鏡像,為 可重新配置無(wú)線電或軟件定義無(wú)線電開啟了新機(jī)遇??梢允?用相同的數(shù)字器件—RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和重構(gòu)低通濾波器,只需 改變功率放大器和帶通濾波器即可實(shí)現(xiàn)各種不同的無(wú)線電。 圖4顯示了一個(gè)無(wú)線基站雙頻段發(fā)送器輸出示例,其在1800 MHz時(shí)有5個(gè)5 MHz WCDMA載波,在2100 MHz時(shí)有3 個(gè)5 MHz WCDMA。圖5顯示了一個(gè)合規(guī)的有線前端發(fā)送器輸出示 例,寬度為194 6 MHz,在50 MHz至1.2 GHz的DOCSIS 3.1頻 譜中具有256 QAM載波。圖6顯示了一個(gè)快速跳頻示例,駐留 時(shí)間為260 ns,其中寄存器編程時(shí)間為240 ns(單字節(jié)寫入), 跳頻時(shí)間為20 ns。圖7顯示了AD9164出色的相位噪聲性能, 當(dāng)采用4 GHz恒溫晶體振蕩器并合成一個(gè)3.9 GHz正弦波時(shí), 性能優(yōu)于–125 dBc/Hz(10 kHz失調(diào))。
圖4. 雙頻段WCDMA信號(hào)(1.8 GHz和2.1 GHz頻段)。
圖5. DOCSIS 3.1頻段內(nèi)的194 6 MHz 256 QAM信號(hào)(50 MHz至 1.2 GHz)。
圖6. AD9164的快速跳頻性能—每跳260 ns駐留時(shí)間。
圖7. AD9164的總相位噪聲性能。DAC時(shí)鐘信號(hào)源:4 GHz恒溫晶體振蕩器,具有最高600 kHz失調(diào)特性,這樣的信號(hào)發(fā)生器具有高于600 kHz的失調(diào)特性。
結(jié)論
RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以簡(jiǎn)化無(wú)線電架構(gòu)設(shè)計(jì),并通過(guò)省卻無(wú)線電 信號(hào)鏈上的很多元件而縮小尺寸。AD9162和AD9164的RF數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換器中集成了一組令人激動(dòng)的功能和出色的RF性能,可 滿足各種無(wú)線電發(fā)送器應(yīng)用,展現(xiàn)出了真正的軟件定義無(wú)線 電比過(guò)去任何時(shí)候都要更接近現(xiàn)實(shí)。
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