基于高性能AD9640的抗干擾無(wú)線(xiàn)接收機(jī)設(shè)計(jì)

在無(wú)線(xiàn)接收機(jī)射頻前端硬件的實(shí)際制作中，中頻頻率的選擇、帶通濾波器的中心頻率與3dB帶寬、外部無(wú)源器件的使用等設(shè)計(jì)考慮，都需要隨著不同的系統(tǒng)應(yīng)用而仔細(xì)的規(guī)劃與調(diào)整，以便在適當(dāng)?shù)某杀鞠逻_(dá)到規(guī)定的性能。本文以認(rèn)知抗干擾為設(shè)計(jì)目標(biāo)，主要討論了接收機(jī)鏈路的核心器件之一—高性能的ADC，敘述它們?nèi)绾螡M(mǎn)足對(duì)高性能的需求。此外，接收機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還包括器件的選擇和設(shè)計(jì)，整體排版布線(xiàn)以及調(diào)試過(guò)程等步驟。

　　ADC設(shè)計(jì)

　　天線(xiàn)接收到的射頻信號(hào)必須經(jīng)過(guò)A/D數(shù)字化，以便后面的數(shù)字處理芯片進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理[1]。ADC影響接收機(jī)體系的功耗、工作頻率動(dòng)態(tài)范圍、接收帶寬和總體成本，其性能更是能夠影響接收機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。理想情況下，在接收機(jī)的鏈路天線(xiàn)后直接進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，ADC對(duì)射頻信號(hào)直接進(jìn)行抽樣，這樣很大程度上繞過(guò)了模擬器件。而本文接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)是將ADC盡量靠近射頻前端，在較高的中頻直接進(jìn)行數(shù)字化，因此A/D設(shè)計(jì)是接收機(jī)設(shè)計(jì)的核心之一。

　　選定最優(yōu)采樣頻率

　　如果對(duì)采樣輸出信號(hào)進(jìn)行濾波的低通濾波器可以做到矩形系數(shù)為1，在無(wú)混疊的采樣率范圍內(nèi)選定任何一個(gè)頻率都是可以的(不考慮采樣時(shí)鐘的抖動(dòng))。但是實(shí)際上，這樣的濾波器是做不出來(lái)的，即使是矩形系數(shù)接近于1的低通濾波器也很難實(shí)現(xiàn)。如果后續(xù)的低通濾波器在過(guò)渡帶里面沒(méi)有頻譜的平移轉(zhuǎn)換，那么，即使矩形系數(shù)大一些也不會(huì)改變?cè)盘?hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，這也就意味著平移頻譜之間的間隔應(yīng)該越大越好。對(duì)于無(wú)混疊的采樣率來(lái)說(shuō)，并不是頻率越高間隔越大，頻譜間隔最大的無(wú)混疊采樣率在降低后續(xù)低通濾波器的設(shè)計(jì)難度上是最優(yōu)的。

　　本文首先討論無(wú)混疊采樣率與平移的頻譜間隔的關(guān)系，然后結(jié)合方案選擇一個(gè)最優(yōu)的采樣頻率。

　　對(duì)圖1中虛線(xiàn)所示的頻譜塊，其左間距表示為：

　　-fH+(m-1)fs-[fH-(m-1)fs]=2(m-1)fs-2fH (m=1, 2, 3…)

　　右間距表示為：

　　fL-(-fL+mfs)=-mfs+2fL

　　使頻譜間隔最大條件是頻譜塊的左間距等于右間距：

　　2mfs-2fH=-mfs+2fL

　　即

　比如天線(xiàn)接收的信號(hào)是75MHz中頻，帶寬1MHz的信號(hào)，所以使頻譜間隔最大的采樣頻率為：fs=133.3333、66.6667、33.3333、26.6667MHz…(m=1, 2, 3, 4…)。注意，上面所指的頻譜間隔最大是對(duì)于相應(yīng)的m而言的，對(duì)于不同的m來(lái)說(shuō)，間隔的絕對(duì)值隨m的增大而減小。

　　由于超過(guò)100MHz的高精度A/D器件價(jià)格昂貴，我們選擇m=2，這時(shí)的無(wú)失真采樣頻率fs的范圍是50.3333MHz≤fs≤75.5100MHz。同時(shí)考慮到ADC采樣頻率與中頻濾波器的帶寬之間必須滿(mǎn)足一定的關(guān)系：

　　fs≥B+B×w

　　其中w是該中頻帶通濾波器的矩形系數(shù)，本文設(shè)為：w=3。此時(shí)，ADC采樣通帶不會(huì)發(fā)生混疊，但過(guò)渡帶將會(huì)混疊，直到ADC采樣頻率增大到上式右邊的兩倍后，過(guò)渡帶才不會(huì)混疊。從本質(zhì)上看，還是會(huì)“混疊”的，但此時(shí)“混疊”的信號(hào)已被衰減得很微弱，比如衰減到比通帶信號(hào)小70dB以上。

　　最后考慮到后續(xù)DDC器件進(jìn)行速率轉(zhuǎn)換后輸出速率為8MHz(由于ADC和后續(xù)算法處理要求)，采樣得到的信號(hào)速率最好是2的整數(shù)倍，同時(shí)又考慮到采樣時(shí)對(duì)信號(hào)頻段確定和控制的方便，最優(yōu)的采樣頻率選定為64MHz。這個(gè)采樣頻率產(chǎn)生的頻譜間隔對(duì)后續(xù)濾波器的設(shè)計(jì)也是足夠的。

　　器件選擇

　　綜合采樣精度和速率的要求對(duì)ADC進(jìn)行選擇：16位的ADC可以達(dá)到大約96dB的信噪比，但是精度達(dá)到16位同時(shí)速度超過(guò)60 MHz 的ADC價(jià)格非常昂貴且不易購(gòu)買(mǎi)到;14位的ADC可以達(dá)到大約84dB的信噪比，也可以滿(mǎn)足要求，還可以買(mǎi)到速度更快的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)選擇14位雙通道A/D器件AD9640[2]進(jìn)行采樣。其主要性能為：可選最大采樣速率80、105、125、150MSPS;采樣精度14位;無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍85dB@125MSPS;信噪比71.8dB@ 125MSPS;低功耗750mW@125MSPS。
　　其中采樣速率的改變可通過(guò)改變輸入時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而可實(shí)現(xiàn)在不改變硬件的情況下通過(guò)軟件來(lái)擴(kuò)展。

　　設(shè)計(jì)高性能ADC之前的“前端”或輸入配置，是獲取所需系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。整個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)化[3]取決于許多因素，其中包括應(yīng)用的特點(diǎn)、系統(tǒng)劃分，以及ADC 的構(gòu)架等。許多放大器都十分適合用于高速ADC 的前端電路。ADA4937 能被用于150MHz以下的頻率;由于它能處理很大的輸出共模電壓范圍，因此它的主要優(yōu)勢(shì)是應(yīng)用于ADC 的直流耦合應(yīng)用中。對(duì)于窄帶或諧振應(yīng)用，使濾波器與放大器的輸出阻抗匹配，來(lái)消除ADC 的輸入電容。通常使用一個(gè)多極點(diǎn)濾波器來(lái)消除感興趣頻率范圍外的寬帶噪聲。

　　接收機(jī)PCB設(shè)計(jì)

　基于圖2的接收機(jī)框圖(圖中DDC使用四通道數(shù)字下變頻器AD6635)和PCB設(shè)計(jì)的基本要求，可以提出本文接收機(jī)PCB排版布線(xiàn)的總體要求如下：

　　● 所有電源在PCB板頂層或/和底層應(yīng)留出散熱區(qū)[4];

　　● 所有盒子輸入輸出接口位于PCB板的底層;

　　● PCB板頂層和底層大面積敷銅并接地;

　　● 電源及其附屬元件靠近，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源平面，電源平面為電源分配網(wǎng)絡(luò)。元器件供電從電源平面獲取，根據(jù)需要在靠近管腳處濾波;

　　● 所有電源線(xiàn)進(jìn)入盒子安裝“穿心電容”;

　　● 放大器直接接地，同時(shí)應(yīng)該屏蔽所有高增益放大器以防止它們產(chǎn)生振蕩。