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數(shù)字接收機(jī)中高性能ADC和射頻器件的動態(tài)性能要求 |
| 今天的基站系統(tǒng)不得不符合各種不同的標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)必須在各種信號鏈路中滿足嚴(yán)格的指標(biāo)要求。下面的文獻(xiàn)介紹了一些信號鏈路的器件例如像：高動態(tài)性能的ADC，可變增益的放大器，混頻器和本振來實(shí)現(xiàn)這些需求同時(shí)詳細(xì)敘述了它們在典型的基站應(yīng)用中的使用，它們怎么滿足對高的動態(tài)性能，高的截止性能和低噪聲的需求。 大多數(shù)字接收機(jī)對其采用的高性能模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)及模擬器件的要求都較高。例如，蜂窩基站數(shù)字接收機(jī)要求有足夠的動態(tài)范圍，以處理較大的干擾信號，從而把電平較低的有用信號解調(diào)出來。Maxim公司的15位65Msps模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1418或12位65Msps模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1211配以2GHz的MAX9993或900MHz的MAX9982集成混頻器，即可為接收機(jī)的兩級關(guān)鍵電路提供出色的動態(tài)特性，此外，Maxim公司的中頻(IF)數(shù)字可調(diào)增益放大器(DVGA) MAX2027和MAX2055能夠在許多系統(tǒng)中提供較高的三階輸出截點(diǎn)(OIP3)，并滿足系統(tǒng)所需要的增益調(diào)節(jié)范圍。 蜂窩基站(BTS：基站收發(fā)器)由多個(gè)不同的硬件模塊組成，其中之一就是完成RF接收(Rx)及發(fā)送(Tx)功能的收發(fā)器(TRx)模塊。在老式模擬AMPS及TACS BTS中，一個(gè)收發(fā)器只能用于處理一路全雙工Rx和Tx RF載波，若要實(shí)現(xiàn)要求的呼叫覆蓋率就需要很多個(gè)收發(fā)器才能提供足夠的載波。如今在全球范圍內(nèi)，模擬技術(shù)已被CDMA和WCDMA所取代，歐洲也已在10年前就采用了GSM。在CDMA中，多個(gè)主叫用戶使用同一個(gè)RF頻率，這樣一個(gè)收發(fā)器就可同時(shí)處理多個(gè)主叫用戶的信號。截至目前已有多種CDMA和GSM的設(shè)計(jì)方案，BTS制造商也一直致力于探索可降低成本和功耗的方法，對單載波解決方案進(jìn)行優(yōu)化或開發(fā)多載波接收機(jī)就是行之有效的方案。圖1是BTS設(shè)備常用的欠采樣接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖1中，Maxim的2GHz MAX9993和900MHz MAX9982混頻器可為許多設(shè)計(jì)提供所需的增益和線性度，而且具有極低的耦合噪聲，這樣就不再需要那些損耗較高的無源混頻器。MAX2027和MAX2055工作在接收機(jī)的第一、二中頻級，此兩款器件在其整個(gè)增益調(diào)節(jié)范圍內(nèi)OIP3均可達(dá)到+40dBm。在圖1電路中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采用的是MAX1418 (15位、65Msps)和MAX1211 (12位、65Msps)，此外Maxim的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品還有其它采樣速率的器件，可滿足大多數(shù)設(shè)計(jì)要求。若將圖1中的第二下變頻器省去(虛線中所示)，那么圖1所示電路就變成了單路下變頻器結(jié)構(gòu)。 Maxim公司的低噪聲ADC： MAX1418 實(shí)際上，小信號條件下的ADC有效噪聲系數(shù)一經(jīng)確定，模擬電路(RF或IF)的級聯(lián)噪聲系數(shù)也就隨之確定。ADC前級電路的最小功率增益應(yīng)滿足接收電路的噪聲系數(shù)要求，通常該功率增益值以ADC過載前接收機(jī)所能容許的最大阻塞電平或最高干擾電平為上限。在BTS中，如果不采用自動增益控制(AGC)，ADC的動態(tài)范圍一般無法同時(shí)滿足電路噪聲系數(shù)(接收機(jī)靈敏度)和最大阻塞兩方面的要求，AGC電路可以放在RF級或IF級電路中,也可在兩級電路中同時(shí)包含AGC電路。 MAX1418系列的其它產(chǎn)品對fINPUT = fCLOCK/2的基帶應(yīng)用特別適用。當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，采用這些基帶特性極佳的器件，將具有最佳的動態(tài)范圍。這些產(chǎn)品中包括針對65Msps時(shí)鐘速率的MAX1419及針對80Msps時(shí)鐘速率的MAX1427，它們的基帶SFDR(無雜散動態(tài)范圍)均可達(dá)到94.5dBc。 表1所列是MAX1418的主要技術(shù)參數(shù)。
不接LSB時(shí)，MAX1418也可以與14位接口器件一起工作，這樣應(yīng)用時(shí)，SNR會有輕微的損失，而SFDR則不受影響。 圖2給出了無阻塞情況下ADC的噪聲分布，這里假定在ADC之前的所有模擬電路的總級聯(lián)噪聲系數(shù)為3.5dB，同時(shí)假定設(shè)計(jì)目標(biāo)是ADC導(dǎo)致的總噪聲系數(shù)的惡化不超過0.2dB，以滿足CDMA基站接收機(jī)的靈敏度要求。這樣一個(gè)噪聲系數(shù)值應(yīng)該為空中接口留有足夠的余量，不過最終結(jié)果取決于末級檢波器的Eb/No (比特能量與噪聲功率頻譜密度的比值)的要求?；诒?的MAX1418的熱噪聲+量化噪聲基底,當(dāng)器件時(shí)鐘為61.44Msps (50x碼片率)時(shí)，其等效噪聲系數(shù)為26.9dB。由于采用了過程增益控制，1.23MHz CDMA頻道帶寬下的ADC噪聲比Nyquist寬帶下的ADC噪聲低14dB。一般情況下，為了獲得3.7dB的接收機(jī)級聯(lián)噪聲系數(shù),總增益要達(dá)到36dB。
當(dāng)ADC前端增益為36dB時(shí),天線端超過-30dBm的單音阻塞電平將超出ADC的輸入量程。cdma2000蜂窩基站標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，天線端允許的最大阻塞電平為-30dBm，此時(shí)，前端增益就需要降低6dB，這樣在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范允許的余量范圍之內(nèi),允許加到ADC上的最大阻塞信號更大一些。假設(shè)留有2dB的余量，前端增益減小6dB就可使天線端的最大阻塞電平變?yōu)?26dBm，ADC的最大允許輸入信號變?yōu)?4dBm (見圖4)。當(dāng)出現(xiàn)單音阻塞時(shí)，蜂窩標(biāo)準(zhǔn)允許總的干擾(噪聲+失真)相對于參考靈敏度來說惡化3dB，可這3dB在噪聲和失真之間如何分配就留給了設(shè)計(jì)人員。 假設(shè)：出現(xiàn)阻塞信號時(shí)，AGC增益為6dB，設(shè)計(jì)允許RF前端級聯(lián)噪聲加失真可以使NF下降1dB (標(biāo)稱值為3.5dB)。當(dāng)ADC前端增益僅為30dB時(shí)，ADC的SNR決定了其有效噪聲系數(shù)為29.4dB，級聯(lián)接收機(jī)在'阻塞條件'下的噪聲系數(shù)為5.7dB，這比根據(jù)接收機(jī)靈敏度計(jì)算出來的3.7dB的噪聲系數(shù)低了2dB。由于在此計(jì)算當(dāng)中未將雜散特性考慮在內(nèi)，ADC的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)還允許額外降低1dB。當(dāng)存在阻塞信號時(shí)，SINAD可被用于計(jì)算有效NF，不再分別計(jì)算噪聲和SFDR基值。
MAX1211允許一次下變頻結(jié)構(gòu) 表2. MAX1211電特性
較之兩次變頻結(jié)構(gòu)，一次變換器具有明顯的優(yōu)勢。由于省去第二級下變頻混頻器、第二級中頻增益電路以及第二級LO合成器，元件數(shù)量及電路板空間可減少約10%，節(jié)約成本$10至$20。 不同結(jié)構(gòu)的雜散考慮 表3. 用于SDC和DDC架構(gòu)的假設(shè)雜散特性
表3列出了采用單載波、一次下變頻(SDC)和兩次下頻(DDC)結(jié)構(gòu)時(shí)，在PCS頻段上端附近的RF載波雜散搜索假定條件。對于SDC結(jié)構(gòu)來說，雜散搜索可在RF接收頻段、接收鏡像頻段、IF頻段及IF鏡像頻段發(fā)現(xiàn)134個(gè)諧波成份，這些雜散信號大多數(shù)階數(shù)較高，不會降低接收性能。對于DDC結(jié)構(gòu)來說，雜散搜索會找出2400多個(gè)諧波成，這比SDC結(jié)構(gòu)下找出的18倍還多，這些諧波分布在RF接收頻段、接收鏡像頻段、第一級IF頻段、第一級IF鏡像頻段、第二級IF頻段和第二級IF鏡像頻段。對于源自高階時(shí)鐘諧波和合成器基準(zhǔn)頻率的雜散信號，可以通過在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)考慮電路板的布局或增加濾波來抑制，但是，對大量的階數(shù)較低的雜散成份的抑制就比較困難。 Maxim的IF放大器：MAX2027 & MAX2055 Maxim的高線性混頻器：MAX9993 & MAX9982 然而，混頻器的非線性會產(chǎn)生一些不希望的混頻信號，稱之為雜散響應(yīng)，這些雜散信號是由到達(dá)混頻器RF端口、并不希望出現(xiàn)的信號產(chǎn)生的IF頻段的響應(yīng)。無用的雜散信號將干擾有用的RF信號的工作，混頻器的IF頻率可由下式給出： fIF = ± m fRF ± n fLO這里，IF、RF和LO分別是各自端口的信號頻率，m和n是將RF和LO信號混頻后的諧波階數(shù)。 集成(或有源)平衡混頻器(比如Maxim公司的MAX9993和MAX9982)，由于其性能優(yōu)于無源混頻方案而備受關(guān)注。當(dāng)m或n為偶數(shù)時(shí),平衡式混頻器能夠抑制一定的雜散響應(yīng)，2次諧波性能更加優(yōu)異。理想的雙平衡混頻器可以抑制m或n(或兩者)為偶數(shù)的所有響應(yīng)。在雙平衡混頻器中，IF、RF和LO端口之間都是相互隔離的。采用設(shè)計(jì)合理的非平衡變壓器,混頻器可以在IF、RF和LO頻帶交迭。MAX9993和MAX9982特點(diǎn)包括：低噪聲系數(shù)，內(nèi)含LO緩沖器，低LO驅(qū)動，允許兩路LO輸入的LO開關(guān)，極好的LO噪聲特性等,此外,在RF和LO端口還集成有RF非平衡變壓器。 Ｍaxim的這些混頻器內(nèi)都嵌有LO噪聲性能極好的LO緩沖器，降低了對LO電源的要求。通常LO噪聲與電平較高的輸入阻塞信號相混合會降低接收靈敏度。MAX9993和MAX9982內(nèi)含低噪聲LO緩沖器，可在出現(xiàn)阻塞時(shí)減輕對接收靈敏度的影響。例如，假設(shè)VCO輸入信號的邊帶噪聲是-145dBc/Hz，MAX9993的LO噪聲特性的典型值是-164dBc/Hz，這樣復(fù)合邊帶噪聲就只下降了0.05dBc/Hz到-144.95dBc/Hz。采用這種方法，用戶不僅為混頻器提供一個(gè)電平較低的LO信號，還能確保接收機(jī)的混頻特性不會因MAX9993內(nèi)置LO緩沖器的性能而降低。 此外，還有一種棘手的2階雜散響應(yīng)，也稱為半中頻(1/2 IF)雜散響應(yīng)，對于低端注入，混頻器階數(shù)為：m = 2、n = -2；對于高端注入，混頻器階數(shù)為：m = -2、n = 2。低端注入時(shí)，引起半中頻寄生響應(yīng)的輸入頻率比希望的RF頻率低fIF/2(圖4)。所希望的RF頻率為1909MHz,與1740MHz的LO頻率進(jìn)行混頻，得到的IF頻率為169MHz。雖然，CDMA的RF和IF載波頻寬為1.24MHz，但在這里表示成一個(gè)頻率為中心載頻的單頻信號。在這個(gè)例子中， 1824.5MHz頻率的無用信號造成了169MHz的半中頻雜散成份： 驗(yàn)證: 由此可得到：
抑制總量(也稱為2x2雜散響應(yīng))可根據(jù)混頻器的第二截點(diǎn)IP2來預(yù)測，圖5給出了2x2 IMR或雜散值(來自Maxim的MAX9993數(shù)據(jù)資料)。注意：圖中信號電平是用輸入IP2 (IIP2)性能計(jì)算的混頻器輸入電平。 具體的計(jì)算公式如下： 由于Maxim公司的MAX9982 900MHz有源濾波器提供的典型雜散響應(yīng)2RF－2LO為65dBc，因此，其IIP2的計(jì)算方法如下：
RF通道的鏡頻抑制緊靠在混頻器的前端，用于衰減所有的放大器諧波，而LO通路的噪聲濾波器則用于衰減LO注入引起的諧波。電平較高的輸入信號會在設(shè)備的輸入或輸出端引起失真或交調(diào)，其數(shù)值可以通過計(jì)算截點(diǎn)得到[1]。當(dāng)混頻器LO功率為固定值時(shí)，其截點(diǎn)或失真成份的階數(shù)僅取決于RF倍頻，而與LO的倍頻無關(guān)，只需考慮RF信號的變化。這里說的階數(shù)代表失真隨輸入電平上升而增加的速度。 在接收器增益要求不高時(shí)，Maxim的15位ADC MAX1418具有極佳的噪聲性能，因而可以用最小的AGC承受較大的阻塞電平或干擾電平。MAX1211 ADC系列產(chǎn)品適合于一次變頻接收結(jié)構(gòu)，其第一IF輸入頻率可達(dá)400MHz。另外，Maxim的MAX9993和MAX9982混頻器可提供需要的線性度，同時(shí)噪聲系數(shù)低，功率增益較高，因而可在接收機(jī)設(shè)計(jì)過程中省去無源濾波器。MAX2027和MAX2055 DVGA在整個(gè)增益可調(diào)范圍內(nèi)的OIP3典型值約為+40dBm。由這些元件組成的接收器能夠?qū)⒌统杀窘鉀Q方案的性能提高一個(gè)等級。 [1] 被測電路或系統(tǒng)的輸出截止點(diǎn)是輸入截止點(diǎn)與增益(以dB為電位)之和。 參考文獻(xiàn)：
3. 'RF Design Guide, Systems, Circuits, and Equations' Peter Vizmuller著, Artech House出版, 1995. 4. 'CDMA Systems Engineering Handbook' Jhong Sam Lee & Leonard E. Miller著, Artech House 出版, 1998. 本文發(fā)表于《Microwaves&RF》第二期。 |
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