高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器大變革，射頻采樣依舊是老思路？

過去十年中，無線電接收架構(gòu)如無線通訊與軍事系統(tǒng)等都得到了極大的發(fā)展，這在很大程度上得益于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的革新。十年前，大多數(shù)無線電設(shè)備建立在較為基礎(chǔ)的超外差結(jié)構(gòu)上，且具有多個下變頻級。當(dāng)時，我們見證了高 IF （中頻） 結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)單個下變頻級的變化。這得益于ADC帶寬、采樣速率與性能等的顯著改善，這些顯著的改善使第二或第三奈奎斯特區(qū)域的信號采樣得以實(shí)現(xiàn)。ADS62P45 ADC便是引領(lǐng)這次變化的一個典型代表。現(xiàn)在，ADC技術(shù)進(jìn)一步得到改進(jìn)與提升，使得無線電中最后一個下變頻級也得以消除，從而支持直接射頻(RF)采樣接收機(jī)。參見圖1。

可用于直接射頻采樣無線電架構(gòu)的ADC已經(jīng)上市多年，例如德州儀器（TI）的ADC12J4000。不過，ADC32RF45是第一個實(shí)現(xiàn)直接射頻采樣的ADC，直接射頻采樣可匹敵超外差和高中頻結(jié)構(gòu)的動態(tài)范圍。在零中頻結(jié)構(gòu)中（零中頻結(jié)構(gòu)是極端寬頻系統(tǒng)的首選架構(gòu)），ADC32RF45率先在單個設(shè)備上應(yīng)用2GHz復(fù)雜信號帶寬。

圖1：無線電接收器架構(gòu)演化

正如多數(shù)設(shè)計師所知道的那樣，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能只與系統(tǒng)中其它集成電路（IC）不相上下。使用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)或破壞直接射頻采樣接收機(jī)或寬帶零中頻接收機(jī)。圖2為組成信號鏈的一些設(shè)備，請仔細(xì)查看圖例，接下來我們將對其中一些設(shè)備進(jìn)行更深入的了解。

圖2：直接射頻采樣的信號鏈解決方案

射頻采樣接收機(jī)或寬帶數(shù)字轉(zhuǎn)化器的五大組件

若只是簡單看看數(shù)據(jù)表，要選出相互匹配的設(shè)備是比較困難的。這里會給出圖2中五大組件的相關(guān)背景（包括ADC），從而呈現(xiàn)出完整、簡化與/或改善的射頻采樣接收機(jī)或寬帶零中頻接收機(jī)。此解決方案可用于無線基礎(chǔ)設(shè)施、軍用雷達(dá)、電子作戰(zhàn)或?qū)拵ㄐ艤y試設(shè)備系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

ADC32RF45是射頻采樣接收機(jī)的核心與靈魂所在。它具有-155dBFS/Hz的噪音基底，使信號直接采樣的射頻頻率達(dá)到4GHz；但是它需要一個高品質(zhì)的采樣時鐘，從而避免由高中頻結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)動態(tài)范圍的下降。對于4GHz以上的信號，可借助射頻合成器在寬帶高中頻結(jié)構(gòu)或零中頻結(jié)構(gòu)中使用ADC32RF45。高采樣速率，加上單一封裝中的兩個通道，意味著您可以使用最小的2GHz信號帶寬的零中頻接收機(jī)，并最小化ADC通道間的I/Q不匹配現(xiàn)象，不過這需要激勵放大器的幫助，激勵放大器也需要非常小且匹配性高。

ADC32RF45包括四個集成數(shù)字下變頻器(DDC)，每個通道兩個，用于為邏輯器件的處理進(jìn)行分流。DDC可通過每個通道使用的最多三個數(shù)控振蕩器，將所需信號混合到I/Q基帶，用于觀察或載波跳頻應(yīng)用。接下來，抽取濾波器降低數(shù)據(jù)速率以實(shí)現(xiàn)直接射頻采樣，帶來的好處是高ADC采樣速率，同時降低對信號處理和ADC接口的要求。抽取的信號隨后會發(fā)送至現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或數(shù)字信號處理器(DSP)，進(jìn)行額外的基帶處理。

信號放大和單端至差分轉(zhuǎn)換

放大器驅(qū)動直接射頻采樣結(jié)構(gòu)和寬帶零中頻結(jié)構(gòu)中的ADC。LMH3404的雙通道與全差分放大器在運(yùn)行于從直流到2GHz的系統(tǒng)中，與射頻采樣ADC配合良好，這得益于LMH3404的7GHz頻寬。設(shè)計LMH3404的目的是用來替代變壓器 (平衡－不平衡轉(zhuǎn)換器) ，為ADC執(zhí)行單端至差分信號轉(zhuǎn)換，同時提供18dB增益。與變壓器相比，其優(yōu)勢在于可一直降至直流，這是寬帶零中頻系統(tǒng)所需要的。搭配ADC32RF45后，LMH3404就能建立用于寬帶通信和測試的小型高性能2GHz帶寬零中頻接收機(jī)。雙通道放大器具有優(yōu)良的通道間增益與相位匹配性能，限定了系統(tǒng)所需數(shù)字失配校正量。

記時

在射頻采樣無線電中，采樣時鐘的質(zhì)量好壞對系統(tǒng)產(chǎn)生的信噪比(SNR)具有強(qiáng)烈影響。LMK04828是兼容JESD204B的超低噪音時鐘抖動清除器，可生成小于100fs抖動、具有射頻采樣能力的時鐘，同時具有一系列收縮或簡化系統(tǒng)的特性。因支持最多七個JESD204B裝置，LMK04828可以為多個ADC32RF45 ADC、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、FPGA或DSP記時。LMK04828還可以生成系統(tǒng)參考（SYSREF）信號，用于JESD204B系統(tǒng)中確定性延遲，而數(shù)字和模擬延遲可幫助滿足每個JESD204B設(shè)備的關(guān)鍵計時需求。

對于擁有高質(zhì)量時鐘的系統(tǒng)，LMK04828可以作為一個時鐘分配裝置，同時仍具有SYSREF生成和延遲功能。對于所有基于ADC32RF45的系統(tǒng)，我推薦使用LMK04828。

射頻合成

高性能計時的另一個選擇（尤其是對于直接射頻采樣結(jié)構(gòu)）是使用LMX2592射頻合成器，并結(jié)合LMK04828。LMX2592的高輸出擺幅和低相位噪聲使它能實(shí)現(xiàn)具有12kHz-20MHz積分帶寬的，并小于50fs均方根（RMS）的抖動，實(shí)現(xiàn)高射頻頻率下信噪比的多分貝改善，如圖3所示。LMK04828作為LMX2592的參考時鐘，同時也為JESD204B子類1確定性延遲生成SYSREF信號。

圖3：LMX2592在6GHz輸出頻率的抖動性能

對于載波頻率4GHz以上（C波段或X波段）的系統(tǒng)，LMX2592可以作為本地振蕩器 (LO)，生成高達(dá)9.8GHz的信號，并將期望信號混合至相對高（最高4GHz）的中頻。ADC32RF45可以直接采樣中頻信號，中頻信號帶寬可達(dá)1GHz，用于創(chuàng)建寬帶、高頻、高中頻的結(jié)構(gòu)。
另外，LMX2592可在零中頻結(jié)構(gòu)中用作本地振蕩器，搭配ADC32RF45可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2GHz信號帶寬。

數(shù)字信號處理

ADC32RF45通常與FPGA連接；然而，ADC32RF45的JESD204B數(shù)字輸出在使用ADC的DDC功能時，可以直接連接66AK2L06多核數(shù)字信號處理器(DSP)以及ARM®片上系統(tǒng)(SoC)。ADC32RF45直接連接到SoC可通過去除相連接的FPGA來減少系統(tǒng)的尺寸、重量與功率(SWaP)。

66AK2L06包含具有DDC和數(shù)字濾波功能的可編程數(shù)字前端(DFE)，它可擴(kuò)展ADC32RF45的處理功能，實(shí)現(xiàn)多載波射頻系統(tǒng)的額外子頻段或過濾。此外，DFE包含自動增益控制(AGC)功能，以保護(hù)ADC32RF45，并保持最優(yōu)化ADC性能。《KeyStone II器件DFE用戶指南》提供了更多關(guān)于ADC32RF45功能的見解，以及 JESD204B可允許的線路和速率。66AK2L06 SoC集成了快速傅里葉變換協(xié)處理器（FFTC），從而以10-15倍速加快復(fù)雜的FFT/iFFT操作，是低延遲應(yīng)用的理想選擇。

結(jié)論

ADC32RF45使得設(shè)計者在架構(gòu)直接射頻采樣無線電設(shè)備時不必進(jìn)行動態(tài)范圍權(quán)衡。本文中提到的德州儀器最佳信號鏈組件與ADC32RF45搭配，將使系統(tǒng)性能最大化：

• LMH3404可作為直流至2GHz ADC激勵器，可取代單端至差分轉(zhuǎn)換變壓器（平衡－不平衡轉(zhuǎn)換器），具有直流耦合功能，并提供18dB增益。
• LMK04828生成或分配射頻采樣所需的高性能時鐘。
• LMX2592提供一個更高性能的計時選擇，在載波頻率超過4GHz（C波段或X波段）的系統(tǒng)中充當(dāng)本地振蕩器合成器。
• 將JESD204B輸出連接到66AK2L06 DSP ，可減少尺寸、重量與功率（SWaP）。