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最新RF DAC 拓宽了软件无线电的应用视野

宣布时间:2016年08月23日 10:08    宣布者:eechina
要害词: DAC , 软件无线电 , 数据转换
作者: Daniel E. Fague,ADI公司

摘要

高速数据转换器用于通讯应用已有多年,它存在于许多装备 中,这些装备组成了我们的互连天下—从蜂窝手机基站,到有线德律风前端装备,再到雷达和专业通讯系统。比来的手艺 前进使高速数据转换器的时钟速率具有愈来愈高的频率。这 些时钟速率较高的数据转换器与JESD204B高速串行接口合营应用,使DAC的有用控制和输入数据的传输得已完成。组成 了一种全新的转换器类型,称为RF(射频)数据转换器。它 们可以直接频率剖析或捕捉RF旌旗暗记,无需运用具有模拟无线 电链路的传统上变频或下变频。

本文重点议论辩说最新的RF数模转换器 (RF DAC) 系列产物— AD9162和AD9164,及其扩年夜软件界说无线电 (SDR) 界说的 才干。AD9164使RF DAC产物到达了全新的性能品级,让传 统的无线电设计相比前代的RF或IF类DAC更高效。天下一流 的性能加上富厚的功效让AD9164成为系统之间开关无线电的 首选,并向真实的软件界说无线电前进了一步。

简介

传统无线电装备应用高速数据转换器和正交调制器作为有 线和无线通讯链路的主要构建模块。经典的外差、超外差和 直接变频架构中发送器和吸收器关于数据转换器的请求是相 同的,突破了数字处置赏罚赏罚到真实天下中的模拟旌旗暗记和模拟旌旗暗记 到数字处置赏罚赏罚之间的界线。数据转换器手艺的前进连同滤波器 手艺和功率镌汰年夜器手艺一起,奠基了无线电设计前进的基础。

接纳一组基带高速ADC构建的经典无线电发送器如图1所示。 数字基带数据经由历程两个同步高速数据转换器发送,同相数据 经由历程I DAC,正交数据经由历程Q DAC。DAC输入至正交调制器。 取决于调制器的类型,输入可以是低中频(好比200 MHz至 400 MHz),也可以是较高的IF频率(好比500 MHz至1 GHz), 以致RF频率(1 GHz至5 GHz规模)。图中显示了后续上变频至 现实的事实频率。输入旌旗暗记接纳带通滤波器阻拦滤波,然后通 过功率镌汰年夜器和此外一个带通滤波器发送(可集成在双工器内)。

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图1. 应用高速数据转换器的经典超外差发送器图例。

这类架构有数的瞬时发送带宽为几十至几百MHz,主要受转 换器、功率镌汰年夜器和滤波器带宽的限制。关于最新的E频段微 波回传无线电等系统来讲这是不够的,这类系统请求500 MHz、1 GHz以致2 GHz无线电通道带宽。假定推敲应用无线 基础行动措施基站(举例而言)中能够接纳的多频段无线电,可 能须要不合宽度的500 MHz或700 MHz,以致1 GHz,用来覆 盖部门频段组合。接纳两个传统射频通道或允许以知足请求, 每频段应用一个射频通道。岂论出于资源、尺寸或是其它因 素的推敲,将多个射频通道剖析一个射频通道是更合适需求 的一个妄图。此时便须要一种新的措施来完成。

支持手艺

高速数据转换器的手艺生长耐久着重于前进数据转换器速率, 同时保持性能目的稳固。性能目的网罗噪声频谱密度 (NSD) 和无杂散静态规模 (SFDR) 等项目。交调掉落真 (IMD) 亦很重 要—岂论是单音旌旗暗记照样调制旌旗暗记, 好比GSM、3G (WCDMA)、4G (OFDM) 和应用256 QAM的有线应用等普遍 应用的无线通讯系统中的旌旗暗记。

较高的数据转换速率能为无线电设计职员供应多项优势。首 先,旌旗暗记镜像被推向更高的频率,使模拟重修滤波器的设计 更质朴、更可靠。此外,更高的更新速率创作缔造出更宽的第一奈奎斯特区,进而使转换器可直接剖析更高的输入频率。当 直接频率剖析的旌旗暗记足够高的时间,所有的模拟频率变换, 或许上变频器便可以从无线电装备中移除。简化频率妄图, 降低无线电的功耗并镌汰尺寸。更高的更新速率增添了带宽, 量化噪声可以扩年夜到更宽的有用带宽内,使处置赏罚赏罚装备取得了 更好性能的发射噪声频谱密度。

随着CMOS处置赏罚赏罚手艺的前进,在数据转换器中加入旌旗暗记处置赏罚赏罚 功效也变得很是普遍。DAC中增添的NCO和插值器特点集减 少了完成这些特点的FPGA或ASIC的肩负和功耗,同时DAC 相比没有这些特点集时的数据传输速率请求更低。较低的数 据速率降低了系统总功耗,某些情形下使数据芯片(布速范 围最高300 MHz至400 MHz)得以跟上转换器的速率。在芯片 上集成NCO可完成无线电的第一奈奎斯特区频率在数字域中 的转换,是以当今无线电设计中通常接纳数百MHz的中等频 率,这是由于数据转换器中集成了NCO和插值器。

旌旗暗记处置赏罚赏罚RF DAC

RF数据转换器的改变的处所在于其使命的事实转换速率发生了 变换,而且新增的旌旗暗记处置赏罚赏罚异常可以处置赏罚赏罚这些速率的旌旗暗记。 这些新的功效与速率的强年夜联络可以极年夜地改变无线电架构 设计,为可重新装备和软件界说无线电开启了新的能够性。

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图2. AD9162和AD9164系列RF DAC框图。

AD9162和AD9164系列RF DAC就是很好的例子。AD9162和 AD9164的框图如图2所示。AD9162是一款16位、6 GSPS RF DAC,集成从1倍旁路形式直到24倍插值的多种插值选项。插 值器使命带宽为经典的80%带宽,或更宽的90%带宽,后者瞬 时旌旗暗记带宽更高,功耗也略高。数据蹊径异常集成了事实半 带插值器FIR85,图2中以NCO之前的"HB 2×"模块显示,能有 效地使DAC更新速率翻倍,到达12 GSPS,可以将镜像移动至 更远处,放宽滤波请求。可选FIR85后接一个使命在6 GSPS更 新速率或12 GSPS更新速率(若FIR85使能)的48位数控振荡 器 (NCO)。NCO 前面的反sinc 滤波器事后处置赏罚赏罚了送往 DAC 核的数据,从了纠正了DAC 输入的sinc 包络特点。

DAC内核接纳ADI公司专利的四通道开关架构1,供应精彩的 无杂散静态规模 (SFDR) 和噪声频谱密度 (NSD),具有业界最 佳的静态规模,同时四通道开关还供应年夜家熟悉的DAC解码 器选项:不归零 (NRZ) 形式、归零 (RZ) 形式和混频形式™。 FIR85为DAC解码器新增了一项新特点,称为2xNRZ形式,后 文将会详细诠释。

AD9164具有AD9162的基础功效,同时以快速跳频 (FFH) NCO引擎的形式加入了直接数字频率剖析 (DDS) 功效。FFH NCO具有多项希奇功效,是以异常合适用在高速测试仪器仪 表、本振替换品、安然无线电通讯和雷达勉励器等市场。 FFH NCO引擎集成32个32位NCO,每个都有自己的相位累 加器,同时供应选择模块,完成快速跳频。

AD9162有两款衍临盆品,面向专业市场。AD9161是一款11位、 6 GSPS RF DAC,集成最低2倍插值。AD9161的SFDR和NSD适 合电缆前端和远程PHY应用,切合DOCSIS 3.0尺度。较低的信 号带宽和静态规模使AD9161无需出口允许证。AD9163是一款 16位、6 GSPS RF DAC,具有最低6倍插值,生涯了AD9162主 产物的全静态规模。器件的全静态规模和1 GHz宽瞬时带宽 加上全规模NCO使其合适单频段或双频段无线基础行动措施基站应 用和传统频段中的点对点微波系统,同时具有没有需出口允许证 的优势。表1总结了该产物系列和主要特点。

表1. AD9162 和AD9164 系列6 GSPS RF DAC 特点与目的市场汇总
产物型号

位数

最小插值

能否FFH?

目的市场

注释

11

有线

时时彩面向有线客户的11位版本

16

有线、WIFR、

面向全球有线、WIFR、 仪器仪表市场的全性能DAC

仪器仪表

16WIFR

时时彩面向WIFR客户或非全频段有线客户

(好比MDU)的1 GHz带宽版本

16

仪器仪表、军事、

时时彩面向仪器仪表、军事、有线、WIFR市场的全性能

有线、WIFR

DAC和DDS;集成相位相关快速跳频


数字数据蹊径特点


数据经由历程8通道、12.5 GBPS JESD204B接口输入AD9162和AD9164。此高速串行接口增添了数字基带器件与DAC相连所需的导线数目,简化了电路板的结构严重年夜性。数据手册给出了接口操作的详细指南,ADI网站上给出了 JESD204B接口详细指南。

AD9162和AD9164数据蹊径上的第一个插值器是一个2倍半带或3倍第三频段滤波器。这两个滤波器都有可选80%或90%旌旗暗记带宽。两个滤波器均供应85 dB或更高的阻带榨取。90%滤波器使命须要较高的功耗消耗,由于它们的阻拦特点更陡峭,是以抽头数目也更多。其他2倍半带滤波器所有使命在90%带宽,支持所有的第一插值器。FIR85异常使命在90%带宽。由于后续所有滤波器都一起沿着插值蹊径,是以它们可以使命在90%带宽,且功耗简直不增添。

FIR85使能时可供应2xNRZ形式,其完成要领与其它插值滤波器有所不合。它应用DAC的四通道开关架构,并在DAC时钟的上升和降低沿对数据采样。这类采样要领在每个时钟边缘处采样新数据,是以可使DAC的采样速率翻倍,高达12GSPS。这样就将旌旗暗记镜像从fDAC – fOUT外推至2xfDAC – fOUT,更容易经由历程可以完成的模拟滤波器过滤镜像。这类采样和插值要领使DAC的输入对时钟平衡越发敏感,但可以调治DAC 时钟输入,到达更佳的性能。这些调治是经由历程串行外设接口(SPI) 对存放器编程而完成的。数据手册中给出了详细信息。

48位NCO是一个完全正交NCO,可完成输入数据旌旗暗记的无镜像频率偏移或单个旌旗暗记音的直接数字频率剖析。NCO有两种可选使命形式,即相位一连或相位断续频率开关形式。在相位一连开关形式下,频率调谐字 (FTW) 更新,但相位累加器不复位,招致相位频率一连改变。在相位断续形式下,当FTW更新时,相位累加器复位。串行外设接口 (SPI) 保证具有100 MHz,可完成FTW的快速更新。

AD9164的NCO引入了一项主要的特点—快速跳频NCO (FFHNCO)。FFH NCO特殊集成31个32位NCO,每个都有自己的相位累加器。每个NCO都有自己的FTW,是以器件内总共可以编程32个NCO FTW。供应一个FTW选择存放器,以便SPI存放器字节的单次写操作可以完成一次精度为32位的新频率跳频。这意味着经由历程100 MHz SPI可以在240 ns内以单字节写操作选择新的FTW。

FFH NCO具有特此外相位相关跳频形式,合适仪器仪表和军事应用。相位相关跳频关于测试应用而言很主要,此外关于须要跟踪勉励器旌旗暗记相位以供后续应用的雷达应用也很主要。相位相关跳频可从一个频率变换到此外一个频率并再次前往原来的频率,而不会损掉落原来频率的相位累加。换言之,它可以完成从一个频率到此外一个频率然后前往上一个频率,就像频率从未改变一样。

应用和测试的性能

AD9162和AD9164的旌旗暗记处置赏罚赏罚特点和高采样速率可以简化图1中的射频架构。更新后的图形如图3所示。由于RF数据转换器可以直接以所需的输入频率剖析旌旗暗记,是以不再须要正交调制器或上变频混频器。旌旗暗记在数字处置赏罚赏罚器中培植,经由历程RF数据转换器输入,是以年夜幅增添了须要部署的硬件数目。此外,无线电也更容易完成,LO和DAC输入无需校准至正交调制器以便榨取LO走漏和滋扰镜像,由于调制器以数字要领在RF数据转换器外部完成。

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图3. 接纳RF数据转换器的无线电发送器架构。

此类架构唯逐一个模拟低通滤波器滤除数据转换器镜像,为可重新装备无线电或软件界说无线电开启了新时机。可以应用类似的数字器件—RF数据转换器和重构低通滤波器,只需改变功率镌汰年夜器和带通滤波器便可完成种种不合的无线电。图4显示了一个无线基站双频段发送器输入示例,其在1800MHz时有5个5 MHz WCDMA载波,在2100 MHz时有3 个5MHz WCDMA。图5显示了一个合规的有线前端发送器输入示例,宽度为194 6 MHz,在50 MHz至1.2 GHz的DOCSIS 3.1频谱中具有256 QAM载波。图6显示了一个快速跳频示例,驻留时间为260 ns,其中存放器编程时间为240 ns(单字节写入),跳频时间为20 ns。图7显示了AD9164精彩的相位噪声性能,当接纳4 GHz恒温晶体振荡器并剖析一个3.9 GHz正弦波时,性能优于–125 dBc/Hz(10 kHz掉落调)。

4.png
图4. 双频段WCDMA旌旗暗记(1.8 GHz和2.1 GHz频段)

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图5. DOCSIS 3.1频段内的194 6 MHz 256 QAM旌旗暗记(50 MHz至 1.2 GHz)。

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图6. AD9164的快速跳频性能—每跳260 ns驻留时间。

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图7. AD9164的总相位噪声性能。DAC时钟旌旗暗记源:4 GHz恒 温晶体振荡器,具有最高600 kHz掉落调特点,这样的旌旗暗记发生 用具有高于600 kHz的掉落调特点。

结论


RF数据转换器可以简化无线电架构设计,并经由历程省却无线电旌旗暗记链上的许多元件而镌汰尺寸。AD9162和AD9164的RF数据转换器中集成了一组令人激动的功效和精彩的RF性能,可知足种种无线电发送器应用,展示出了真实的软件界说无线 电比之前任甚么时间辰都要更靠近现实。

1 美国专利第6,842,132和7,796,971号。

作者

Daniel E. Fague [dan.fague@analog.com] 是ADI 公司高速DAC 部门的应用工程师司理。他于1989 年取得贡萨格年夜学电子工程学士学位 (BSEE),并于1991 年取得加州年夜学戴维斯分校电子工程硕士学位 (MSEE)。他于1995 年加入ADI 公司无线手机部门,主要阻拦GSM、EDGE、CDMA 和蓝牙手机无线电架构设计(网罗直接转换无线电)。此前,他在美国国家半导体公司使命了5 年,从事DECT 和PHS 的无线电架构设计。自从2011 年加入高速DAC 部门以来,Dan 一直从事RF DAC 的开发。他具有7 项专利,揭晓过30 多篇文章和论文。
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