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如何完善您的射频采样解决方案?

2016-12-27 10:11:08

[导读] 过去十年中,无线电接收架构如无线通讯与军事系统等都得到了极大的发展,这在很大程度上得益于高速模数转换器 (ADC) 的革新。十年前,大多数无线电设备建立在较为基础的超外差结构上,且具有多个下变频级。

过去十年中,无线电接收架构如无线通讯与军事系统等都得到了极大的发展,这在很大程度上得益于高速模数转换器 (ADC) 的革新。十年前,大多数无线电设备建立在较为基础的超外差结构上,且具有多个下变频级。当时,我们见证了高 IF (中频) 结构中出现单个下变频级的变化。这得益于ADC带宽、采样速率与性能等的显著改善,这些显著的改善使第二或第三奈奎斯特区域的信号采样得以实现。ADS62P45 ADC便是引领这次变化的一个典型代表。现在,ADC技术进一步得到改进与提升,使得无线电中最后一个下变频级也得以消除,从而支持直接射频(RF)采样接收机。参见图1。

可用于直接射频采样无线电架构的ADC已经上市多年,例如德州仪器(TI)的ADC12J4000。不过,ADC32RF45是第一个实现直接射频采样ADC,直接射频采样可匹敌超外差和高中频结构的动态范围。在零中频结构中(零中频结构是极端宽频系统的首选架构),ADC32RF45率先在单个设备上应用2GHz复杂信号带宽。

图1:无线电接收器架构演化

正如多数设计师所知道的那样,数据转换器的性能只与系统中其它集成电路(IC)不相上下。使用恰当的设备就可以实现或破坏直接射频采样接收机或宽带零中频接收机。图2为组成信号链的一些设备,请仔细查看图例,接下来我们将对其中一些设备进行更深入的了解。

图2:直接射频采样的信号链解决方案

射频采样接收机或宽带数字转化器的五大组件

若只是简单看看数据表,要选出相互匹配的设备是比较困难的。这里会给出图2中五大组件的相关背景(包括ADC),从而呈现出完整、简化与/或改善的射频采样接收机或宽带零中频接收机。此解决方案可用于无线基础设施、军用雷达、电子作战或宽带通信测试设备系统。

数据转换

ADC32RF45是射频采样接收机的核心与灵魂所在。它具有-155dBFS/Hz的噪音基底,使信号直接采样的射频频率达到4GHz;但是它需要一个高品质的采样时钟,从而避免由高中频结构所实现动态范围的下降。对于4GHz以上的信号,可借助射频合成器在宽带高中频结构或零中频结构中使用ADC32RF45。高采样速率,加上单一封装中的两个通道,意味着您可以使用最小的2GHz信号带宽的零中频接收机,并最小化ADC通道间的I/Q不匹配现象,不过这需要激励放大器的帮助,激励放大器也需要非常小且匹配性高。

ADC32RF45包括四个集成数字下变频器(DDC),每个通道两个,用于为逻辑器件的处理进行分流。DDC可通过每个通道使用的最多三个数控振荡器,将所需信号混合到I/Q基带,用于观察或载波跳频应用。接下来,抽取滤波器降低数据速率以实现直接射频采样,带来的好处是高ADC采样速率,同时降低对信号处理和ADC接口的要求。抽取的信号随后会发送至现场可编程门阵列(FPGA)或数字信号处理器(DSP),进行额外的基带处理。

信号放大和单端至差分转换

放大器驱动直接射频采样结构和宽带零中频结构中的ADC。LMH3404的双通道与全差分放大器在运行于从直流到2GHz的系统中,与射频采样ADC配合良好,这得益于LMH3404的7GHz频宽。设计LMH3404的目的是用来替代变压器 (平衡-不平衡转换器) ,为ADC执行单端至差分信号转换,同时提供18dB增益。与变压器相比,其优势在于可一直降至直流,这是宽带零中频系统所需要的。搭配ADC32RF45后,LMH3404就能建立用于宽带通信和测试的小型高性能2GHz带宽零中频接收机。双通道放大器具有优良的通道间增益与相位匹配性能,限定了系统所需数字失配校正量。

记时

射频采样无线电中,采样时钟的质量好坏对系统产生的信噪比(SNR)具有强烈影响。LMK04828是兼容JESD204B的超低噪音时钟抖动清除器,可生成小于100fs抖动、具有射频采样能力的时钟,同时具有一系列收缩或简化系统的特性。因支持最多七个JESD204B装置,LMK04828可以为多个ADC32RF45 ADC、数字模拟转换器(DAC)、FPGA或DSP记时。LMK04828还可以生成系统参考(SYSREF)信号,用于JESD204B系统中确定性延迟,而数字和模拟延迟可帮助满足每个JESD204B设备的关键计时需求。

对于拥有高质量时钟的系统,LMK04828可以作为一个时钟分配装置,同时仍具有SYSREF生成和延迟功能。对于所有基于ADC32RF45的系统,我推荐使用LMK04828。

射频合成

高性能计时的另一个选择(尤其是对于直接射频采样结构)是使用LMX2592射频合成器,并结合LMK04828。LMX2592的高输出摆幅和低相位噪声使它能实现具有12kHz-20MHz积分带宽的,并小于50fs均方根(RMS)的抖动,实现高射频频率下信噪比的多分贝改善,如图3所示。LMK04828作为LMX2592的参考时钟,同时也为JESD204B子类1确定性延迟生成SYSREF信号。

图3:LMX2592在6GHz输出频率的抖动性能

对于载波频率4GHz以上(C波段或X波段)的系统,LMX2592可以作为本地振荡器 (LO),生成高达9.8GHz的信号,并将期望信号混合至相对高(最高4GHz)的中频。ADC32RF45可以直接采样中频信号,中频信号带宽可达1GHz,用于创建宽带、高频、高中频的结构。

另外,LMX2592可在零中频结构中用作本地振荡器,搭配ADC32RF45可实现高达2GHz信号带宽。

数字信号处理

ADC32RF45通常与FPGA连接;然而,ADC32RF45的JESD204B数字输出在使用ADC的DDC功能时,可以直接连接66AK2L06多核数字信号处理器(DSP)以及ARM®片上系统(SoC)。ADC32RF45直接连接到SoC可通过去除相连接的FPGA来减少系统的尺寸、重量与功率(SWaP)。

66AK2L06包含具有DDC和数字滤波功能的可编程数字前端(DFE),它可扩展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,以保护ADC32RF45,并保持最优化ADC性能。《KeyStone II器件DFE用户指南》提供了更多关于ADC32RF45功能的见解,以及 JESD204B可允许的线路和速率。66AK2L06 SoC集成了快速傅里叶变换协处理器(FFTC),从而以10-15倍速加快复杂的FFT/iFFT操作,是低延迟应用的理想选择。

结论

ADC32RF45使得设计者在架构直接射频采样无线电设备时不必进行动态范围权衡。本文中提到的德州仪器最佳信号链组件与ADC32RF45搭配,将使系统性能最大化:

LMH3404可作为直流至2GHz ADC激励器,可取代单端至差分转换变压器(平衡-不平衡转换器),具有直流耦合功能,并提供18dB增益。

LMK04828生成或分配射频采样所需的高性能时钟。

LMX2592提供一个更高性能的计时选择,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。

将JESD204B输出连接到66AK2L06 DSP ,可减少尺寸、重量与功率(SWaP)。

[整理编辑:中国测控网]
标签:  射频采样[16]    无线通讯[1]    ADC[36]
 
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