數(shù)字接收機(jī)中高性能ADC和射頻器件的動(dòng)態(tài)性能要求
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摘要：基站系統(tǒng)(BTS)需要在符合各種不同標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)滿足信號(hào)鏈路的指標(biāo)要求。本文介紹了一些信號(hào)鏈路器件，例如：高動(dòng)態(tài)性能ADC，可變?cè)鲆娣糯笃?，混頻器和本振，詳細(xì)介紹了它們?cè)诘湫偷幕局械氖褂茫軌驖M足基站對(duì)高動(dòng)態(tài)性能、高截點(diǎn)性能和低噪聲的要求。
大多數(shù)字接收機(jī)對(duì)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(dòng)態(tài)范圍，以處理較大的干擾信號(hào)，從而把電平較低的有用信號(hào)解調(diào)出來。Maxim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(jí)關(guān)鍵電路提供出色的動(dòng)態(tài)特性，此外，Maxim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(hào)。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(duì)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. 欠采樣接收機(jī)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(jí)，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的低噪聲ADC： MAX1418
圖1所示的欠采樣接收機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)ADC的噪聲和失真有著嚴(yán)格的要求。在接收機(jī)中，電平較低的有用信號(hào)單獨(dú)被數(shù)字化或同時(shí)伴隨有無用的、需要倍加關(guān)注的大幅度信號(hào)，因此要想使接收機(jī)正常工作，ADC的有效噪聲系數(shù)要按這兩種信號(hào)的極端情況(即有用信號(hào)最小、無用信號(hào)達(dá)到最大值)來計(jì)算。對(duì)于小的模擬輸入信號(hào)，ADC的噪聲基底中占支配地位的是熱噪聲和量化噪聲，決定了ADC的噪聲系數(shù)(NF)。
實(shí)際上，小信號(hào)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(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)也就隨之確定。ADC前級(jí)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(dòng)增益控制(AGC)，ADC的動(dòng)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(jí)或IF級(jí)電路中，也可在兩級(jí)電路中同時(shí)包含AGC電路。
MAX1418系列的其它產(chǎn)品對(duì)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(dòng)態(tài)范圍。這些產(chǎn)品中包括針對(duì)65Msps時(shí)鐘速率的MAX1419及針對(duì)80Msps時(shí)鐘速率的MAX1427，它們的基帶SFDR (無雜散動(dòng)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)：
表1. MAX1418電特性
| Parameter | Condition | Symbol | Typ Value | Units |
| Resolution | N | 15 | Bits | |
| Analog Input Range | VID | 2.56 | VP-P | |
| Differential Input Resistance | RIN | 1 | kΩ | |
| AC Specifications | fCLK = 65Msps | |||
| Thermal + Quantization Noise Floor | Analog input = -35dBFS | Nfloor | -78.2 | dBFS |
| Signal-to-Noise Ratio Analog in = -2dBFS | fIN = 70MHz | SNR | 73.6 | dB |
| Spurious-Free Dynamic Range Analog in = -2dBFS | fIN = 70MHz | SFDR | 84 | dB |
| Signal-to-Noise-and-Distortion Analog in = -2dBFS | fIN = 70MHz | SINAD | 73.3 | dB |
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(huì)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(jí)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(jí)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(jí)聯(lián)噪聲系數(shù),總增益要達(dá)到36dB。
圖2. 無阻塞情況下的ADC噪聲分布
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(hào)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(hào)變?yōu)?4dBm (見圖3)。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(duì)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(hào)時(shí)，AGC增益為6dB，設(shè)計(jì)允許RF前端級(jí)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(jí)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(dòng)態(tài)范圍(SFDR)還允許額外降低1dB。當(dāng)存在阻塞信號(hào)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。
圖3. 出現(xiàn)阻塞情況下的ADC噪聲響應(yīng)
MAX1211允許一次下變頻結(jié)構(gòu)
如果在較高的IF段能夠獲得足夠的SNR和SFDR指標(biāo)，欠采樣電路可以用于一次下變頻結(jié)構(gòu)。Maxim的MAX1211 12位、65Msps轉(zhuǎn)換器就是采用這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，它的引腳與即將推出的80Msps及95Msps轉(zhuǎn)換器兼容，此系列器件可對(duì)頻率高達(dá)400MHz的輸入信中頻號(hào)進(jìn)行直接采樣，此外，它還具有其它先進(jìn)的性能，如時(shí)鐘輸入可以是差分信號(hào)也可是單端信號(hào)，時(shí)鐘占空比可以在20%到80%之間，另外，還設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)有效指示器(以簡化時(shí)鐘及數(shù)據(jù)時(shí)序)，采用小型40引腳QFN (6mm x 6mm x 0.8mm)封裝，二進(jìn)制補(bǔ)碼和格雷碼數(shù)字輸出格式。表2列出了模擬輸入頻率為175MHz時(shí)MAX1211的典型交流特性。
表2. MAX1211電特性
| Parameter | Condition | Symbol | Typ Value | Units |
| Resolution | N | 12 | Bits | |
| Analog Input Range | VID | 2 | VP-P | |
| Differential Input Resistance | RIN | 15 | kΩ | |
| AC Specifications | fCLK = 65Msps | |||
| Thermal + Quantization Noise Floor | Analog input = -35dBFS | Nfloor | 69.3 | dBFS |
| Signal-to-Noise Ratio Analog in = -0.2dBFS | fIN = 32.5MHz fIN = 175MHz | SNR | 68.3 66.8 | dB |
| Spurious-Free Dynamic Range Analog in = -0.2dBFS | fIN = 32.5MHz fIN = 175MHz | SFDR | 82.4 79.7 | dB |
| Signal-to-Noise-and-Distortion Analog in = -2dBFS | fIN = 32.5MHz fIN = 175MHz | SINAD | 68.1 66.5 | dB |
較之兩次變頻結(jié)構(gòu)，一次變換器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于省去第二級(jí)下變頻混頻器、第二級(jí)中頻增益電路以及第二級(jí)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。
評(píng)論