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AD6645型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在軟件無線電中的應(yīng)用
1 引言
軟件無線電是基于一種通用的硬件平臺(tái),通過加載不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的無線通信功能,它是一種全新的開放式結(jié)構(gòu)體系,其核心設(shè)計(jì)思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D轉(zhuǎn)換器,在射頻段將信號(hào)數(shù)字化,在DSP中用軟件實(shí)現(xiàn)所有功能,受硬件發(fā)展水平的限制,目前存在二大瓶頸:一是A/D轉(zhuǎn)換器的速率和性能,二是DSP的處理速度。A/D轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中所處的位置是很關(guān)鍵的,因?yàn)樗苯臃从耻浖某潭,?duì)理想的軟件無線電而言,A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍必須為100dB-120dB,最大信號(hào)輸入頻率在1GHz-5GHz之間,目前器件發(fā)展水平很難實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)指標(biāo),即使實(shí)現(xiàn)了這些指標(biāo),如此大的數(shù)據(jù)量也是后面的DSP無法承擔(dān)的,所以折衷的方案就是進(jìn)行中頻采樣。
2 選擇依據(jù)
A/D轉(zhuǎn)換器的選擇既要考慮A/D轉(zhuǎn)換器的性能又要考慮能滿足系統(tǒng)所要求的動(dòng)態(tài)范圍和性能指標(biāo)。評(píng)價(jià)A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)主要有A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)、無寄生動(dòng)態(tài)為((SFDR)、信噪比(SNR)、轉(zhuǎn)換速率、量化靈敏度等。一般來說A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)越多越好,轉(zhuǎn)換位數(shù)越多,其動(dòng)態(tài)范圍就越高。由于本設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)中選用的HSP50214型可編程下變頻器輸入是14位,因此選用14位的A/D轉(zhuǎn)換器。在目前的無線電中頻方案里,一般都采用欠采樣技術(shù),采樣頻率一般為幾十赫茲至上百赫茲,若對(duì)中頻為70MHz、帶寬為2MHz的信號(hào)(AM或FM)采用40MHz采樣,由A/D轉(zhuǎn)換器的理論SNR公式可知:
SNR=6.02B+1.76+10Log10(fs/2fmax)dB =6.02×14+1.76+10log10(40×106/2×71×106)dB ≈81dB
式中,B為A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù),fs為采樣速率,fmax為輸入信號(hào)的最高頻率。在實(shí)際測(cè)試中,A/D轉(zhuǎn)換器的最后2位會(huì)不停變化,其有效位(ENOB)為12位,代入上式后可得SNR為69dB。所以AD6644和AD6645都能滿足要求,由于AD6645的孔徑抖動(dòng)小于0.2ps,AD6645的孔徑抖動(dòng)小于0.3ps,所以在中頻接收系統(tǒng)中用AD6645效果會(huì)更好一些。目前市場(chǎng)上的高速采樣器件種類繁多,表1列出一些主流A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)。
3 主要特點(diǎn)
AD6645是帶寬A/D轉(zhuǎn)換器系列中繼AD9042(12位41MS/s)和AD6640(12位65MS/s)、AD6644(14位,40MS/s,65MS/s)后的第四代產(chǎn)品,其主要特點(diǎn)如下:
保持采樣率可達(dá)80MS/s;
工作帶寬達(dá)270MHz;
多音無寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)為100dB;
對(duì)200MHz信號(hào)采樣時(shí)采樣抖動(dòng)時(shí)間為0.1ps;
數(shù)字輸出可以在3.3V下工作,便于與數(shù)字ASIC接口;
功耗為1.5W。
4 工作原理
如圖1所示,AD6645采用3級(jí)子區(qū)式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),這種設(shè)計(jì)的好處是保證了轉(zhuǎn)換的精度和速度又實(shí)現(xiàn)了較小的功耗和封裝尺寸,AD6645有2個(gè)互補(bǔ)的模擬輸入端AIN和AIN反,2路輸入經(jīng)過緩沖后先進(jìn)入第一個(gè)保持器TH1,ENCODE脈沖為高時(shí)TH1處于保持狀態(tài),TH1的保持值作為5位A/D轉(zhuǎn)換器ADC1的輸入,其輸出驅(qū)動(dòng)1個(gè)5位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1。經(jīng)過延遲后的模擬信號(hào)減DAC1的輸出后在TH3的輸入端產(chǎn)生第一個(gè)剩余信號(hào),保持器TH2補(bǔ)償由ADC1造成的延遲。
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在由1個(gè)5位ADC2、5位DAC2和1個(gè)TH4組成的第二轉(zhuǎn)換階段中,TH4保持的第一個(gè)剩余信號(hào)減去DAC2的量化輸出產(chǎn)生第二個(gè)剩余信號(hào)作為TH5的輸入,TH5驅(qū)動(dòng)最后一個(gè)6位A/D轉(zhuǎn)換器ADC3,將ADC1、ADC2和ADC3的輸出相加并經(jīng)數(shù)字誤差校正邏輯修正后將得到并行輸出的14位二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)。
5 實(shí)際應(yīng)用
5.1 時(shí)鐘輸入電路
為了保證14位的精度,對(duì)AD6645的采樣時(shí)鐘質(zhì)量要求較高且要具有低相位噪聲。為了獲得最佳性能,AD6645的時(shí)鐘必須采用差分輸入,時(shí)鐘信號(hào)可通過1個(gè)變壓器或電容器交流耦合到ENCODE和ENCODE反腳,這2個(gè)引腳在片內(nèi)被偏置,無需外加偏置電路,為了提高時(shí)鐘信號(hào)的差分輸入質(zhì)量,本設(shè)計(jì)采用了Motorola公司的MC100LVE16型低壓差分接收器,它的抗抖動(dòng)性能非常好,整個(gè)連接電路如圖2所示,差分輸出端Q和Q反的電壓較小,和后面的AD6645輸入電壓不匹配,因此分別加上偏置電壓。
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5.2 模擬輸入電路
作為新型的高速、大動(dòng)態(tài)范圍A/D轉(zhuǎn)換器,AD6645的模擬信號(hào)輸入也應(yīng)為差分形式,因?yàn)樵谀M信號(hào)階段差分輸入對(duì)偶次諧波有很高的共模抑制比,可以提高電路的性能,采用差分輸入在制作PCB時(shí)也有很大的好處:其一是對(duì)電源和地引入的噪聲有很高的共模抑制比;其二是對(duì)由本振反饋引入的共模信號(hào)也有很強(qiáng)的抑制作用。
AD6645的模擬輸入電壓被偏置到2.4V,在電路內(nèi)部每個(gè)模擬輸出通過1只500Ω電阻器連接到2.4V偏置電壓和差分緩沖器,因此驅(qū)動(dòng)AD6645的模擬信號(hào)必須通過交流耦合送進(jìn)輸入端,實(shí)際使用時(shí)可以采用如圖3所示的4:1阻抗變換器來實(shí)現(xiàn)。
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5.3 信號(hào)輸出
AD6645的數(shù)字輸出有固定的輸出擺動(dòng)率(1V/ns),制作PCB時(shí),1個(gè)CMOS門加上布線會(huì)產(chǎn)生大約10bF的電容,因此每有1位轉(zhuǎn)換輸出就會(huì)有10mA的動(dòng)態(tài)電流出入器件,滿量程輸出即14位輸出時(shí)就會(huì)有140A的電流,所以在每條輸出數(shù)據(jù)線上要串聯(lián)100Ω的電阻器以限制這些電流流入接收器件,在軟件無線電的中頻采樣方案中,采用在AD6645后接1個(gè)HSP50214B型下變頻器來進(jìn)行降頻、抽取、濾波等一系列處理,二者之間加1個(gè)74LCX574型鎖存器。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備輸出信號(hào)DRY作為74LCX574的時(shí)鐘輸入,并經(jīng)反相器后作為HSP50214B型數(shù)字下變頻器的前端時(shí)鐘CLKIN輸入。
5.4 注意事項(xiàng)
AD6645對(duì)時(shí)鐘電路要求比較苛刻,該電路接收到的任何噪聲都會(huì)造成數(shù)字化性能的惡化和總體性能的降低,因此一定要將其與數(shù)字輸出和模擬輸入隔離開來,除了布線應(yīng)盡量短外,整個(gè)采樣電路下面要大面積覆銅接地以降低干擾,模擬部分和數(shù)字部分的供電電源AVcc(5V)和DVcc(3.3V)要盡量分開,在電源濾波中使用高頻特性好的陶瓷電容器來抑制噪聲,數(shù)字地和模擬地應(yīng)該分開并通過高頻磁珠單點(diǎn)接地。在實(shí)際調(diào)試時(shí),時(shí)鐘信號(hào)不理想,可用門電路進(jìn)行整形,DRY信號(hào)較小,也可用NC7SZ32型門電路進(jìn)行整形驅(qū)動(dòng)。
6 結(jié)束語(yǔ)
作為未來通信的發(fā)展方向,軟件無線電以其靈活性和通用性引起了全世界的關(guān)注,而A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換部分在軟件無線電中起著關(guān)鍵的作用,因此器件的選取及外圍電路的設(shè)計(jì)顯得非常重要,尤其是在抗干擾方面要更加注意。AD6645以其優(yōu)越的性能成為目前軟件無線電接收機(jī)中A/D轉(zhuǎn)換器的理想選擇。
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