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可滿足高性能數(shù)字接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能要求的ADC和射頻器件
摘要：針對(duì)數(shù)字式接收機(jī)對(duì)其所采用器件的動(dòng)態(tài)性能要求，給出了一個(gè)欠采樣接收機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。同時(shí)給出了滿足該高性能數(shù)字接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能要求的新型器件及主要性能參數(shù)。關(guān)鍵詞：數(shù)字接收機(jī)；動(dòng)態(tài)性能；射頻器件；ADC；MAXIM
許多數(shù)字接收機(jī)都對(duì)其選用的高性能ＡＤＣ及模擬器件的動(dòng)態(tài)性能具有較高要求。如蜂窩基站數(shù)字接收機(jī)就要求有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，以便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。通過Ｍａｘｉｍ公司的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公司的中頻（ＩＦ）數(shù)字可調(diào)增益放大器(ＤＶＧＡ)ＭＡＸ２０２７ 和ＭＡＸ２０５５也能夠在許多系統(tǒng)中提供較高的三階輸出截點(diǎn)(ＯＩＰ３)，以滿足系統(tǒng)所需要的增益調(diào)節(jié)范圍。
１ 欠采樣接收機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
蜂窩基站(ＢＴＳ：基站收發(fā)器)通常由多個(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)器只能處理一路全雙工Ｒｘ和Ｔｘ ＲＦ載波，因而要用很多個(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年前采用了ＧＳＭ。在ＣＤＭＡ中，多個(gè)主叫用戶可使用同一個(gè)ＲＦ頻率，這樣，一個(gè)收發(fā)器就要同時(shí)處理多個(gè)主叫用戶的信號(hào)。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中，Ｍａｘｉｍ公司的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。而ＭＡＸ２０２７和ＭＡＸ２０５５則分別工作在接收機(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。圖１中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采用的是ＭＡＸ１４１８(１５位、６５Ｍｓｐｓ) 和ＭＡＸ１２１１(１２位、６５Ｍｓｐｓ)。實(shí)際上，Ｍａｘｉｍ公司其它采樣速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器器件也可滿足大多數(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)。
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２ 高性能器件推薦
２．１ 低噪聲ＡＤＣ器件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)于較小的模擬輸入信號(hào)，ＡＤＣ的噪聲基底中占支配地位的熱噪聲和量化噪聲決定著ＡＤＣ的噪聲系數(shù)（ＮＦ）。
ＭＡＸ１４１８系列產(chǎn)品對(duì)ｆＩＮＰＵＴ ＜ ｆＣＬＯＣＫ／２時(shí)的基帶應(yīng)用特別適用。當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在這個(gè)頻段時(shí)，這些基帶特性極佳的器件將具有最佳的動(dòng)態(tài)范圍，其中包括針對(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。
實(shí)際上，ＭＡＸ１４１８也可與１４位接口器件一起工作，此時(shí)的ＳＮＲ會(huì)有輕微損失，而ＳＦＤＲ則不受影響。
當(dāng)ＡＤＣ的前端增益為３６ｄＢ時(shí), 天線端的超過－３０ｄＢｍ的單音阻塞電平將超出ＡＤＣ的輸入量程。依照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)的前端增益就需要降低６ｄＢ，這樣，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范允許的余量范圍內(nèi)?允許加到ＡＤＣ上的最大阻塞信號(hào)可能更大。假設(shè)留有２ｄＢ的余量，前端增益減�。叮洌聲�(huì)使天線端的最大阻塞電平變?yōu)椋玻叮洌拢�，并使ＡＤＣ的最大允許輸入信號(hào)變?yōu)椋矗洌拢怼Ｒ簿褪钦f，當(dāng)出現(xiàn)單音阻塞時(shí)，蜂窩標(biāo)準(zhǔn)允許的總干擾（噪聲＋失真）相對(duì)于參考靈敏度來說將惡化３ｄＢ，而這３ｄＢ 在噪聲和失真之間如何分配就是設(shè)計(jì)人員要考慮的問題了。
２．２ 采用一次下變頻結(jié)構(gòu)的ＭＡＸ１２１１轉(zhuǎn)換器
如果在較高的ＩＦ段能夠獲得足夠的ＳＮＲ和ＳＦＤＲ指標(biāo)，那么，欠采樣電路便可用于一次下變頻結(jié)構(gòu)。Ｍａｘｉｍ公司的ＭＡＸ１２１１型、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的輸入中頻信號(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)也可以是單端信號(hào)，時(shí)鐘占空比可在２０％到８０％之間調(diào)整等。另外，ＭＡＸ１２１１還設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)有效指示器（以簡(jiǎn)化時(shí)鐘及數(shù)據(jù)時(shí)序），并采用小型４０引腳ＱＦＮ(６ ｘ ６ ｘ ０．８ｍｍ)封裝，二進(jìn)制補(bǔ)碼和格雷碼數(shù)字輸出格式。
較之兩次變頻結(jié)構(gòu)，一次變換器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于省去了第二級(jí)下變頻混頻器、第二級(jí)中頻增益電路及第二級(jí)ＬＯ合成器，故元件數(shù)量及電路板空間可減少約１０％，同時(shí)成本也將有較大降低。
>２．３ ＩＦ放大器ＭＡＸ２０２７和ＭＡＸ２０５５
ＭＡＸＩＭ公司也提供每級(jí)增量為１ｄＢ的數(shù)控增益、高性能ＩＦ放大器。其中ＭＡＸ２０２７數(shù)控增益放大器?ＤＶＧＡ?采用單端輸入／單端輸出方式，可工作在５０ＭＨｚ至４００ＭＨｚ頻率范圍內(nèi)，其最大增益時(shí)的噪聲系數(shù)只有５ｄＢ。而ＭＡＸ２０５５則是單端輸入／差分輸出的ＤＶＧＡ，可在３０ＭＨｚ至３００ＭＨｚ頻率范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)高性能ＡＤＣ。在ＭＡＸ２０５５的差分輸出和ＡＤＣ的差分輸入之間可用一個(gè)升壓變壓器來提供差分驅(qū)動(dòng)，這樣有利于輸出信號(hào)之間的平衡。這兩個(gè)ＤＶＧＡ通常工作在５Ｖ偏置，并在整個(gè)增益設(shè)置范圍內(nèi)可以達(dá)到＋４０ｄＢｍ的ＯＩＰ３。
２．４ 高線性混頻器ＭＡＸ９９９３和ＭＡＸ９９８２
在接收電路中，混頻器往往承受的是性能要求比較嚴(yán)格的較大輸入信號(hào)。理想狀態(tài)下，其輸出信號(hào)幅值和相位與輸入信號(hào)的幅值和相位成正比，而且這種比例與ＬＯ信號(hào)無關(guān)。因此，混頻器的幅度響應(yīng)與ＲＦ輸入呈線性關(guān)系，且與ＬＯ輸入信號(hào)無關(guān)。
然而，混頻器的非線性也會(huì)產(chǎn)生一些不希望的混頻信號(hào)，稱之為雜散響應(yīng)，這些雜散信號(hào)是由到達(dá)混頻器ＲＦ端口的雜波信號(hào)在ＩＦ頻段產(chǎn)生的響應(yīng)。無用的雜散信號(hào)將干擾有用的ＲＦ信號(hào)的工作，混頻器的ＩＦ頻率可由下式給出：
ｆＩＦ ＝ ±ｍｆＲＦ ± ｎｆＬＯ
這里，ｆＩＦ、ｆＲＦ 和ｆＬＯ分別是各自端口的信號(hào)頻率，ｍ和 ｎ是將ｆＲＦ 和ｆＬＯ信號(hào)混頻后的諧波階數(shù)。
ＭＡＸＩＭ公司的集成(或有源)平衡混頻器ＭＡＸ９９９３和ＭＡＸ９９８２由于其性能優(yōu)于無源混頻方案而備受關(guān)注。當(dāng)ｍ或ｎ為偶數(shù)時(shí)?平衡式混頻器能夠抑制一定的雜散響應(yīng)。理想的雙平衡混頻器可以抑制ｍ或ｎ(或兩者)為偶數(shù)的所有響應(yīng)。在雙平衡混頻器中，ＩＦ、ＲＦ和ＬＯ端口之間都是相互隔離的。設(shè)計(jì)合理的非平衡變壓器可使混頻器在ＩＦ、ＲＦ和ＬＯ頻帶產(chǎn)生交迭。ＭＡＸ９９９３和ＭＡＸ９９８２的特點(diǎn)包括：低噪聲系數(shù)，內(nèi)含ＬＯ緩沖器，低ＬＯ驅(qū)動(dòng)，允許兩路ＬＯ輸入的ＬＯ開關(guān)，極好的ＬＯ噪聲特性等。此外，在ＲＦ和ＬＯ端口還有ＲＦ非平衡變壓器。
由于ＭＡＸＩＭ的這些混頻器內(nèi)都嵌有ＬＯ噪聲性能極好的ＬＯ緩沖器，因而降低了對(duì)ＬＯ電源的要求。通常ＬＯ噪聲與電平較高的輸入阻塞信號(hào)相混合會(huì)降低接收靈敏度，而ＭＡＸ９９９３和ＭＡＸ９９８２由于內(nèi)含低噪聲ＬＯ緩沖器，因此可在出現(xiàn)阻塞時(shí)減輕對(duì)接收靈敏度的影響。例如，假設(shè)ＶＣＯ輸入信號(hào)的邊帶噪聲是－１４５ｄＢｃ／Ｈｚ，而ＭＡＸ９９９３的ＬＯ噪聲特性典型值是－１６４ｄＢｃ／Ｈｚ，這樣，復(fù)合邊帶噪聲就只下降０．０５ｄＢｃ／Ｈｚ到－１４４．９５ｄＢｃ／Ｈｚ。采用這種方法，用戶只需為混頻器提供一個(gè)電平較低的ＬＯ信號(hào)，便能確保接收機(jī)的混頻特性不會(huì)因?yàn)椋停粒兀梗梗梗硟?nèi)置ＬＯ緩沖器的性能而降低。
此外，還有一種棘手的２階雜散響應(yīng)，也稱為半中頻（１／２ＩＦ）雜散響應(yīng)。對(duì)于低端注入，其混頻器階數(shù)為：ｍ＝２、ｎ＝－２；而對(duì)于高端注入，則其混頻器階數(shù)為：ｍ ＝－２、ｎ ＝２。低端注入時(shí)，引起半中頻寄生響應(yīng)的輸入頻率比希望的ＲＦ頻率低ｆＩＦ／２，圖２所示是有用ｆＲＦ?ｆＬＯ?ｆＩＦ與無用ｆＨａｌｆ－ＩＦ頻率的具體位置。實(shí)際上，所希望的ＲＦ頻率為１９０９ＭＨｚ與１７４０ＭＨｚ的ＬＯ頻率的混頻，而得到的ＩＦ頻率為１６９ＭＨｚ。雖然，ＣＤＭＡ 的ＲＦ和ＩＦ載波頻寬為１．２４ＭＨｚ，但在這里表示成一個(gè)頻率為中心載頻的單頻信號(hào)。在這個(gè)例子中， １８２４．５ＭＨｚ頻率的無用信號(hào)造成了１６９ＭＨｚ的半中頻雜散成份。由于：
２ｆＨａｌｆ－ＩＦ － ２ｆＬＯ ＝ｆＩＦ
故可得：２×１８２４．５ＭＨｚ－２×１７４０ＭＨｚ＝１６９ＭＨｚ
一般情況下，抑制總量（也稱為２×２雜散響應(yīng)）可根據(jù)混頻器的第二截點(diǎn)ＩＩＰ２來預(yù)測(cè)，圖３給出了ＭＡＸ１９９３的２×２ ＩＭＲ或雜散值。圖中的信號(hào)電平是用輸入ＩＰ２（ＩＩＰ２）性能計(jì)算的混頻器輸入電平。具體的計(jì)算公式如下：
ＩＩＰ２ ＝２×ＩＭＲ＋ＰＳＰＵＲ ＝ ＩＭＲ ＋ ＰＲＦ
＝２×７０ｄＢｃ＋?－７５ｄＢｍ?＝７０ｄＢｃ＋?－５ｄＢｍ?
＝＋６５ｄＢｍ
由于ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ９９８２ ９００ＭＨｚ有源濾波器提供的典型雜散響應(yīng)２ＲＦ－２ＬＯ為６５ｄＢｃ，因此，其ＩＩＰ２的計(jì)算方法如下：
ＩＩＰ２ ＝２×ＩＭＲ＋ＰＳＰＵＲ＝ＩＭＲ＋ＰＲＦ
＝２×６５ｄＢｃ＋?－７０ｄＢｍ?＝６５ｄＢｃ＋?－５ｄＢｍ?
＝＋６０ｄＢｍ
３ 結(jié)束語
在接收器增益要求不高時(shí)，ＭＡＸＩＭ的１５位ＡＤＣ芯片ＭＡＸ１４１８具有極佳的噪聲性能，因而可以用最小的ＡＧＣ承受較大的阻塞電平或干擾電平。ＭＡＸ１２１１ ＡＤＣ系列產(chǎn)品適合于一次變頻接收結(jié)構(gòu)，其第一ＩＦ輸入頻率可達(dá)４００ＭＨｚ。另外，ＭＡＸ９９９３和ＭＡＸ９９８２混頻器可提供需要的線性度，同時(shí)具有噪聲系數(shù)低，功率增益較高等特點(diǎn)，因而可在接收機(jī)設(shè)計(jì)過程中省去無源濾波器。ＭＡＸ２０２７和ＭＡＸ２０５５ ＤＶＧＡ在整個(gè)
增益可調(diào)范圍內(nèi)的ＯＩＰ３典型值約為＋４０ｄＢｍ。由這些元件組成的接收器能夠?qū)⒌统杀窘鉀Q方案的性能提高一個(gè)等級(jí)。
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