作者:Brad Hall和Wyatt Taylor,ADI公司 摘要 簡介 衛(wèi)星通信系統(tǒng)為了發(fā)送和接收每天收集到的數(shù)TB數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)速率的要求已達(dá)到4 Gbps。這一要求推動系統(tǒng)的工作頻率提高到Ku和Ka波段,原因是在這些頻率上更容易實現(xiàn)更寬的帶寬和更高的數(shù)據(jù)速率。這勢必導(dǎo)致通道密度更高,每通道的帶寬更寬。 在信號情報領(lǐng)域,性能要求也在不斷提高。此類系統(tǒng)的掃描速率越來越高,故而要求系統(tǒng)具有快速調(diào)諧PLL和寬帶寬覆蓋范圍。對尺寸更小、重量更輕、功耗更低(SWaP)和集成度更高系統(tǒng)的需求,源于業(yè)界希望在現(xiàn)場操作手持式設(shè)備,以及希望提高大型固定位置系統(tǒng)的通道密度。 相控陣的發(fā)展同樣得益于單芯片RF系統(tǒng)集成度的提高。集成讓收發(fā)器越來越小,使得每個天線元件都可以有自己的收發(fā)器,進(jìn)而促使模擬波束賦形向數(shù)字波束賦形轉(zhuǎn)變。通過數(shù)字波束賦形,單一陣列可以同時追蹤多個波束。相控陣系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,包括天氣雷達(dá)和定向通信等。由于低頻信號環(huán)境變得越來越擁堵,許多應(yīng)用不可避免地要求提高頻率。 本文介紹如何利用一種高度集成的架構(gòu)來應(yīng)對上述挑戰(zhàn),該架構(gòu)將AD9371收發(fā)器用作中頻接收機(jī)和發(fā)射機(jī),使得整個中頻級及其相關(guān)器件都可以從系統(tǒng)中移除。文中比較了傳統(tǒng)系統(tǒng)與提議的架構(gòu),并舉例說明了如何通過典型設(shè)計流程來實現(xiàn)此架構(gòu)。具體說來,使用集成收發(fā)器可以實現(xiàn)一些高級頻率規(guī)劃,這是標(biāo)準(zhǔn)超外差樣式收發(fā)器做不到的。 超外差架構(gòu)概述 圖1. 傳統(tǒng)X和Ku波段超外差接收和發(fā)射信號鏈 第一轉(zhuǎn)換級將輸入RF頻率上變頻或下變頻至帶外頻譜。第一IF(中頻)的頻率取決于頻率和雜散規(guī)劃、混頻器性能以及RF前端使用的濾波器。然后,第一IF向下轉(zhuǎn)換為ADC可以數(shù)字化的較低頻率。雖然ADC在處理更高帶寬的能力上取得了巨大進(jìn)步,但為達(dá)到最優(yōu)性能,其頻率上限目前是2 GHz左右。輸入頻率更高時,必須考慮性能損失,而且更高輸入頻率要求更高時鐘速率,這會導(dǎo)致功耗上升。 除混頻器外,還有濾波器、放大器和步進(jìn)衰減器。濾波用于抑制不需要的帶外(OOB)信號。若不加抑制,這些信號會在目標(biāo)信號上產(chǎn)生雜散,使目標(biāo)信號很難或無法進(jìn)行解調(diào)。放大器設(shè)置系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和增益,提供足夠高的靈敏度以接收小信號,同時又不是太高以至于ADC過度飽和。 還有一點(diǎn)需要注意,此架構(gòu)常常需要使用表面聲波(SAW)濾波器以滿足ADC嚴(yán)格的抗混疊濾波器要求。SAW濾波器會提供急劇滾降性能以滿足這些要求,但同時也會帶來明顯的延遲和紋波。 圖2所示為一個X波段超外差接收機(jī)頻率規(guī)劃示例。該接收機(jī)希望接收8 GHz和12 GHz之間的信號,帶寬為200 MHz。目標(biāo)頻譜與可調(diào)諧本振(LO)混頻,產(chǎn)生5.4 GHz IF。然后,5.4 GHz IF與5 GHz LO混頻以產(chǎn)生最終的400 MHz IF。最終IF范圍是300 MHz至500 MHz,這是很多ADC能夠發(fā)揮良好性能的頻率范圍。 圖2. X波段接收機(jī)頻率規(guī)劃示例 接收機(jī)的重要特性 圖3. LO輻射泄漏通過前端返回 鏡像抑制特性同時適用于第一和第二混頻級。在X和Ku波段的典型應(yīng)用中,第一混頻級的中心頻率可以是5 GHz到10 GHz范圍的高IF。這里需要高IF,原因是鏡像頻率為Ftune + 2 × IF,如圖4所示。IF越高,鏡像頻段離得越遠(yuǎn)。此鏡像頻段必須在其到達(dá)第一混頻器之前加以抑制,否則此范圍內(nèi)的帶外能量會表現(xiàn)為第一IF中的雜散。這是通常使用兩個混頻級的主要原因之一。如果只有一個混頻器,并且IF為數(shù)百M(fèi)Hz,那么將很難在接收機(jī)前端中抑制鏡像頻率。 圖4. 混頻進(jìn)入IF的鏡像 將第一IF下變頻至第二IF時,第二混頻器也存在一個鏡像頻段。第二IF的頻率較低(幾百M(fèi)Hz到2 GHz),故第一IF濾波器的濾波要求可能視情況而不同。對于第二IF為幾百M(fèi)Hz的典型應(yīng)用,高頻第一IF的濾波可能非常困難,需要很大的定制濾波器。這常常是系統(tǒng)中最難設(shè)計的濾波器,因為頻率很高且抑制要求通常很窄。 除鏡像抑制外,還必須有力地濾除從混頻器返回接收輸入連接器的LO功率水平。這樣可確保無法因為輻射功率而檢測到用戶。為此,LO應(yīng)遠(yuǎn)離RF通帶,確??梢詫崿F(xiàn)充分濾波。 高中頻架構(gòu)概述 圖5. AD9371直接變頻收發(fā)器功能框圖 圖6. X或Ku波段TRx,AD9371用作中頻接收機(jī) 集成收發(fā)器IC的性能進(jìn)步開啟了新的可能性。AD9371集成了第二混頻器、第二IF濾波和放大、可變衰減ADC以及信號鏈的數(shù)字濾波和抽取功能。在該架構(gòu)中,AD9371(其調(diào)諧范圍為300 MHz至6 GHz)可調(diào)諧到3 GHz和6 GHz之間的頻率,直接接收第一IF(參見圖6)。其增益為16 dB,NF為19 dB,5.5 GHz時的OIP3為40 dBm,故AD9371是非常理想的IF接收機(jī)。 集成收發(fā)器用作IF接收機(jī),便不再需要像超外差接收機(jī)那樣擔(dān)心通過第二混頻器的鏡像,這可以大大降低第一IF帶的濾波需求。不過,為了消除收發(fā)器中的二階效應(yīng),仍然需要一定的濾波。第一IF帶現(xiàn)在應(yīng)以兩倍的第一IF頻率提供濾波以消除此類效應(yīng),這比濾除第二鏡像和第二LO要容易得多,它可能接近數(shù)百M(fèi)Hz。通常,利用低成本的小型LTCC濾波器成品即可滿足此類濾波要求。 這種設(shè)計還使系統(tǒng)具有很高的靈活性,可針對不同應(yīng)用而輕松加以重復(fù)使用。靈活性的表現(xiàn)之一是IF頻率選擇。IF選擇的一般經(jīng)驗法則是讓它比經(jīng)過前端濾波的目標(biāo)頻譜帶寬高1 GHz至2 GHz。例如,若設(shè)計師需要4 GHz頻譜帶寬(17 GHz至21 GHz)經(jīng)過前端濾波器,則IF可以位于5 GHz頻率(比目標(biāo)帶寬4 GHz高1GHz)。這有助于前端實現(xiàn)濾波。如果只需要2 GHz帶寬,可以使用3 GHz的IF。此外,AD9371具有軟件定義特性,很容易隨時改變IF,所以特別適合需要避開阻塞信號的認(rèn)知無線電應(yīng)用。AD9371的帶寬也可以在8 MHz至100 MHz范圍內(nèi)輕松調(diào)整,有利于避免目標(biāo)信號附近的干擾。 高中頻架構(gòu)的高集成度使得最終的接收機(jī)信號鏈所占空間只有等效超外差架構(gòu)的50%左右,同時功耗降低30%。另外,高中頻架構(gòu)接收機(jī)比超外差架構(gòu)更為靈活。這種架構(gòu)是要求小尺寸、高性能的低SWaP市場的福音。 高中頻架構(gòu)接收機(jī)頻率規(guī)劃 混頻器依據(jù)公式m × RF ± n × LO產(chǎn)生輸出信號和雜散,其中m和n為整數(shù)。接收信號產(chǎn)生的m × n雜散可能落在IF頻段中;某些情況下,目標(biāo)信號音會引起一個特定頻率的交越雜散。 例如,若觀測一個設(shè)計為接收12 GHz至16 GHz信號且IF為5.1 GHz的系統(tǒng),如圖7所示,則引起帶內(nèi)雜散的m × n鏡像頻率可依據(jù)下式確定: 結(jié)果如下表所示。 表1. 18.1 GHz LO的M × N雜散表 表中的第一行(黃色亮顯)顯示所需的13 GHz信號,它是混頻器中的1 × 1的結(jié)果。其他亮顯單元顯示可能有問題的帶內(nèi)頻率,它們可能表現(xiàn)為帶內(nèi)雜散。例如,15.55 GHz信號在12 GHz到16 GHz的目標(biāo)范圍內(nèi)。輸入端一個15.55 GHz信號音與LO混頻,產(chǎn)生一個5.1GHz信號音(18.1 × 2–15.55 × 2 = 5.1 GHz)。其他未亮顯行也可能造成問題,但由于其在帶外,可以通過輸入帶通濾波器濾除。 圖7. 12 GHz至16 GHz Rx Tx高中頻架構(gòu) 雜散水平取決于多個因素。主要因素是混頻器的性能?;祛l器從根本上說是一個非線性器件,其內(nèi)部會產(chǎn)生許多諧波。根據(jù)混頻器內(nèi)部二極管的匹配精度和混頻器雜散性能的優(yōu)化程度,可確定輸出雜散水平。數(shù)據(jù)手冊通常會提供一個混頻器雜散圖表,它可以幫助確定雜散水平。表2所示的例子是混頻器HMC773ALC3B的雜散水平表。該表給出的是雜散相對于1 × 1目標(biāo)信號音的dBc水平。 表2. HMC773ALC3B混頻器雜散表 利用此雜散表并擴(kuò)展表1中所做的分析,我們便可全面了解哪些m × n鏡像音可能會干擾接收機(jī),以及其水平是多少??梢陨梢粋€電子表格,其輸出與圖8所示相似。 圖8. 12 GHz至16 GHz Rx的m × n鏡像 此圖中的藍(lán)色部分表示所需帶寬。線段表示不同的m × n鏡像及其水平。由此圖很容易知道,混頻器之前需要滿足什么樣的濾波要求才能消除干擾。本例中有多個鏡像雜散落在帶內(nèi),無法濾除。下面將說明如何利用高中頻架構(gòu)的靈活性來繞開其中的一些雜散,這是超外差架構(gòu)做不到的。 接收模式下避開干擾 圖9. 無IF靈活性時的m × n交越雜散(上),利用IF調(diào)諧避開交越(下) 這只是一個說明高中頻架構(gòu)如何避開阻塞信號的簡單例子。當(dāng)結(jié)合智能算法來確定干擾并計算新的可能IF頻率時,便有許多可行的方法來構(gòu)建一種能夠靈活適應(yīng)任何頻譜環(huán)境的接收機(jī)。這就像確定給定范圍(通常是3 GHz到6 GHz)內(nèi)的合適IF一樣簡單,然后根據(jù)該頻率重新計算并設(shè)置LO。 高中頻架構(gòu)發(fā)射機(jī)頻率規(guī)劃 其中,IF通過AD9371調(diào)諧頻率預(yù)先確定,LO通過所需輸出頻率確定。 圖10. 無濾波的輸出雜散 像對待接收通道一樣,發(fā)射側(cè)也可以生成混頻器圖表。示例如圖10所示。在此圖中,最大雜散是鏡像和LO頻率,利用混頻器之后的帶通濾波器可將其降到所需水平。在FDD系統(tǒng)中,雜散輸出可能會使鄰近接收機(jī)降敏,帶內(nèi)雜散會帶來問題,這種情況下IF調(diào)諧的靈活性便很有用。在圖10所示例子中,如果使用5.1 GHz的靜態(tài)IF,發(fā)射機(jī)輸出端會存在一個接近15.2 GHz的交越雜散。通過將14 GHz調(diào)諧頻率時的IF調(diào)整到4.3 GHz,便可避開該交越雜散,如圖11所示。 圖11. 靜態(tài)IF引起交越雜散(上),利用IF調(diào)諧避開交越雜散(下) 設(shè)計示例—寬帶FDD系統(tǒng) 圖12. X和Ku波段Rx Tx FDD原型系統(tǒng)功能框圖 增益、噪聲系數(shù)和IIP3數(shù)據(jù)在接收下變頻器上收集,顯示于圖13(上)中。整體而言,增益約為20 dB,NF約為6 dB,IIP3約為–2dBm。利用均衡器可實現(xiàn)額外的增益調(diào)整,或者利用AD9371中的可變衰減器執(zhí)行增益校準(zhǔn)。 同時也測量了發(fā)射上變頻器,并記錄其增益、P1dB和OIP3。此數(shù)據(jù)與頻率的關(guān)系顯示于圖13(下)。增益約為27 dB,P1 dB約為22dBm,OIP3約為32 dBm。 圖13. Ku波段Rx數(shù)據(jù)(上),X波段Tx數(shù)據(jù)(下) 當(dāng)此板與集成收發(fā)器一起使用時,接收和發(fā)射的總體特性如表3所示。 表3. 系統(tǒng)總體性能表 總的來說,接收機(jī)性能與超外差架構(gòu)相當(dāng),而功耗大大降低。等效超外差設(shè)計的接收機(jī)鏈功耗會高于5 W。此外,原型板的建造并未以縮小尺寸為優(yōu)先目標(biāo)。利用適當(dāng)?shù)腜CB布局技巧,并將AD9371集成到與下變頻器相同的PCB上,采用這種架構(gòu)的解決方案總尺寸可縮小到僅4到6平方英寸,顯著小于需要近8到10平方英寸的等效超外差解決方案。此外,利用多芯片模塊(MCM)或系統(tǒng)化封裝(SiP)等技術(shù)可進(jìn)一步縮小尺寸。這些先進(jìn)技術(shù)可將尺寸縮小到2至3平方英寸。 結(jié)語 這種架構(gòu)的實現(xiàn)得益于近年來集成式直接變頻接收機(jī)的迅猛發(fā)展。隨著AD9371的誕生,通過高級校準(zhǔn)和高集成度可實現(xiàn)更高的性能。這種架構(gòu)在未來的低SWaP市場會變得特別重要。 作者簡介 Wyatt Taylor是ADI公司(美國北卡羅來納州格林斯博羅)的高級射頻系統(tǒng)工程師。他主要從事航空航天和防務(wù)無線電應(yīng)用研發(fā)工作,具體側(cè)重點(diǎn)是集成式射頻收發(fā)器、小型微波設(shè)計、軟件定義無線電(SDR)等。在此之前,Wyatt曾在馬里蘭州的Thales Communications公司和Digital Receiver Technology公司擔(dān)任射頻設(shè)計工程師。Wyatt于2005年和2006年分別獲得弗吉尼亞州布萊克斯堡弗吉尼亞理工學(xué)院電氣工程學(xué)士學(xué)位和電氣工程碩士學(xué)位。 |
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