Leiterplattentechnisch - ADC- und HF-Geräte mit hoher dynamischer Leistung in digitalen HF-Empfängern

Base station system (BTS) needs to meet the index requirements of signal link while meeting various standards. Dieses Papier stellt einige Signalverbindungsgeräte vor, die Hochleistungs-ADC- und HF-Geräte in digitalen HF-Empfängern dynamisieren, wie hohe dynamische Leistung ADC, Verstärker mit variabler Verstärkung, Mischer und lokaler Oszillator, und stellt ihre Verwendung in typischen Basisstationen im Detail vor, die die Anforderungen von Basisstationssystem für hohe dynamische Leistung, hohe Abfangleistung und geringes Rauschen.

Die meisten digitalen Empfänger stellen hohe Anforderungen an Hochleistungs-Analog-Digital-Wandler (ADC) und Simulator. Zum Beispiel, Der digitale Empfänger der Mobilfunkbasisstation benötigt einen ausreichenden Dynamikbereich, um große Störsignale zu verarbeiten, um die nützlichen Signale mit niedrigem Pegel zu demodulieren. Maxims 15-Bit 65msps Analog-zu-Digital Konverter max418 oder 12-Bit 65msps Analog-zu-Digital Konverter max111, gekoppelt mit 2GHz max9993 oder 900MHz max9982 integriertem Mischer, Kann ausgezeichnete dynamische Eigenschaften für die zweistufigen Schlüsselkreise des Empfängers bieten. Darüber hinaus, Maxim's intermediate frequency (if) digital adjustable gain amplifiers (DVGA) max2027 and max2055 can provide high third-order output cut-off point (OIP3) in many systems, Und erfüllen Sie den vom System geforderten Verstärkungsanpassbereich.

Max1418 ADC Chip und Schaltung

Die Mobilfunkbasisstation (BTS: Basisstation Transceiver) besteht aus mehreren verschiedenen Hardwaremodulen, von denen eines das Transceiver (TRX) Modul ist, das HF-Empfangs- (Rx) und Sende- (TX) Funktionen ausführt. In den alten analogen Verstärkern und TACs BTS kann nur ein Transceiver verwendet werden, um einen Full Duplex RX und TX RF Träger zu verarbeiten. Um die erforderliche Anrufabdeckung zu erreichen, müssen viele Transceiver genügend Carrier bereitstellen. Heute wurde weltweit die analoge Technologie durch CDMA und WCDMA ersetzt, und GSM wurde vor zehn Jahren in Europa eingeführt. In CDMA verwenden mehrere anrufende Benutzer die gleiche HF-Frequenz, so dass ein Transceiver die Signale mehrerer anrufender Benutzer gleichzeitig verarbeiten kann. Bisher gab es eine Vielzahl von CDMA- und GSM-Designschemata. BTS-Hersteller haben sich auch verpflichtet, Methoden zur Senkung der Kosten und des Stromverbrauchs zu erforschen. Die Optimierung von Einzelträgerlösungen oder die Entwicklung von Multiträgerempfängern sind effektive Lösungen. Abb. 1 ist ein Strukturblockdiagramm eines Untertastempfängers, der üblicherweise in BTS-Geräten verwendet wird.

Abbildung 1. Strukturbausteindiagramm des Untersampling-Empfängers

In Abbildung 1, Maxims 2GHz max9993 und 900MHz max9982 Mischer bieten die erforderliche Verstärkung und Linearität für viele Designs, und sehr geringe Kupplungsgeräusche aufweisen, so dass die passiven Mischer mit hohem Verlust nicht mehr benötigt werden. Max2027 und max2055 arbeiten in der ersten und zweiten Mittelfrequenzstufe des Empfängers. OIP3 of these two devices can reach + 40dbm in the whole gain adjustment range. In der Schaltung in Abbildung 1, max1418 (15 bit, 65msps) and max1211 (12 bit, 65msps) are used as data converters. Darüber hinaus, Die Datenkonverter von Maxim verfügen auch über andere Geräte mit Abtastrate, die meisten Designanforderungen erfüllen können. Wenn der zweite Abwärtskonverter in Abb. 1 is omitted (shown in the dotted line), die Schaltung in Abb.. 1 wird zu einer einzelnen down converter Struktur. Maxims geräuscharmer ADC: max418.

Die Struktur des Unterabtastempfängers in Abb. 1 hat strenge Anforderungen an das Rauschen und die Verzerrung des ADC. Im Empfänger wird das nützliche Signal mit niedrigem Pegel allein digitalisiert oder von nutzlosen und großen Amplitudensignalen begleitet, denen mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden muss. Um den Empfänger normal arbeiten zu lassen, sollte der effektive Rauschkoeffizient von ADC entsprechend den extremen Bedingungen dieser beiden Signale berechnet werden (d.h. das minimale Nutzsignal und das maximale nutzlose Signal). Bei kleinen analogen Eingangssignalen dominieren thermisches Rauschen und Quantisierungsrauschen die Rauschbasis von ADC, die die Rauschzahl (NF) von ADC bestimmt.

In der Tat, Der effektive Rauschkoeffizient von ADC unter kleinen Signalbedingungen wird bestimmt, and the cascade noise coefficient of analog circuit (RF or if) is determined accordingly. Die Mindestleistungsverstärkung von ADC Der vordere Schaltkreis muss die Anforderungen an den Geräuschkoeffizienten des Empfangskreises erfüllen. Allgemein, Der Leistungsverstärkungswert ist die obere Grenze des maximalen Sperrpegels oder des maximalen Störpegels, der vom Empfänger vor der ADC-Überlastung zulässig ist. In BTS, wenn AGC nicht angewendet wird, the dynamic range of ADC can not meet the requirements of circuit noise coefficient (receiver sensitivity) and maximum blocking. AGC-Schaltung kann in HF oder wenn Niveauschaltung oder AGC-Schaltung in zweistufiger Schaltung platziert werden.

Andere Produkte der Serie max418 eignen sich besonders für Basisbandanwendungen mit feinput/fclock/2. Wenn der Wandler in diesem Frequenzbereich arbeitet, wird der beste Dynamikbereich durch den Einsatz dieser Geräte mit hervorragenden Basisbandeigenschaften erzielt. Diese Produkte umfassen max419 für 65msps Taktrate und max427 für 80msps Taktrate. Ihr Basisband SFDR (kein Strey Dynamic Range) kann 94,5dbc erreichen.

Tabelle 1 listet die wichtigsten technischen Parameter von max418 auf

Wenn der LSB nicht angeschlossen ist, kann der max418 auch mit 14-Bit-Schnittstellengeräten arbeiten. Auf diese Weise geht SNR leicht verloren, während SFDR nicht betroffen ist.

Abbildung 2 zeigt die Rauschverteilung von ADC ohne Blockierung. Hier wird angenommen, dass der Gesamtkaskadenrauschkoeffizient aller analogen Schaltungen vor ADC 3.5db ist, und das Designziel ist, dass die Verschlechterung des Gesamtrauschkoeffizienten, der durch ADC verursacht wird, 0.2db nicht überschreitet, um die Empfindlichkeitsanforderungen des CDMA-Basisstationsempfängers zu erfüllen. Ein solcher Rauschkoeffizient sollte genügend Spielraum für die Luftschnittstelle lassen, aber das Endergebnis hängt von den Anforderungen des EB­no (Verhältnis von Bitenergie zu Spektraldichte der Rauschleistung) des letzten Stufen Detektors ab. Basierend auf dem thermischen Rauschquantisierungsrauschsubstrat von max418 in Tabelle 1, wenn die Geräteuhr 61.44msps (50x Chiprate) beträgt, beträgt ihr äquivalenter Rauschkoeffizient 26.9db. Aufgrund der Prozessverstärkungsregelung ist das ADC-Rauschen in 1.23mhz CDMA-Kanalbandbreite 14dB niedriger als in Nyquist Breitband. Im Allgemeinen sollte der Gesamtgewinn 36dB erreichen, um die Kaskadenrauschzahl des 3.7dB Empfängers zu erhalten.

Abbildung 2. ADC-Rauschverteilung ohne Blockierung

Wenn der Frontend-Gain von ADC 36dB ist, Der Einzeltonblockpegel, der 30dBm am Antennenende überschreitet, überschreitet den Eingangsbereich des ADC. cdma2000 ® Der Mobilfunkbasisstationsstandard schreibt vor, dass der maximal zulässige Blockierungspegel am Antennenende ca. 30dBm beträgt. Zur Zeit, Der Frontend-Gain muss um 6dB reduziert werden, so dass das maximal zulässige Sperrsignal, das dem ADC hinzugefügt werden kann, innerhalb des von der Standardspezifikation erlaubten Randbereichs größer ist. Angenommen, ein Abstand von 2dB bleibt übrig, Der maximale Blockierungspegel am Antennenende wird auf 26dbm und die maximal zulässiges Eingangssignal von ADC will become + 4dbm when the front-end gain is reduced by 6dB (see Fig. 3). Wenn Single Tone Blocking auftritt, the cellular standard allows the total interference (noise + distortion) to deteriorate by 3dB relative to the reference sensitivity, Aber wie man das 3dB zwischen Rauschen und Verzerrung verteilt, bleibt dem Designer überlassen.

Annahme: Im Falle des Blocksignals beträgt AGC-Gain 6dB, und das Design erlaubt RF-Front-End-Kaskaden-Rauschen plus Verzerrung, NF um 1dB zu reduzieren (Nennwert ist 3,5db). Wenn der Frontend-Gain von ADC nur 30dB ist, bestimmt der SNR von ADC, dass seine effektive Rauschzahl 29.4db ist, und die Rauschzahl des Kaskadenempfängers unter "Blockierungsbedingung" 5.7db ist, was 2dB niedriger als die 3.7dB Rauschzahl ist, die gemäß Empfängerempfindlichkeit berechnet wird. Da die Falschkennwerte bei dieser Berechnung nicht berücksichtigt werden, erlaubt der Falschfreie Dynamikbereich (SFDR) von ADC eine zusätzliche Reduzierung von 1dB. Wenn ein Sperrsignal vorliegt, kann SINAD verwendet werden, um den effektiven NF zu berechnen, und die Rausch- und SFDR-Basiswerte werden nicht mehr berechnet.

Abbildung 3. ADC-Rauschverhalten bei Blockierung

Max11211 ermöglicht eine Down Conversion Struktur

Wenn genügend SNR- und SFDR-Indizes im höheren if-Segment erhalten werden können, kann der Under-Sampling-Schaltkreis in der primären Down-Umwandlungsstruktur verwendet werden. Max11211 12-Bit und 65msps Konverter sind mit dieser Struktur entworfen. Seine Pins sind kompatibel mit den kommenden 80msps und 95msps Konvertern. Diese Reihe von Geräten kann das Eingangssignal direkt abtasten, wenn Zahl mit Frequenz bis zu 400MHz. Darüber hinaus hat es auch andere fortschrittliche Leistung, wie Uhreneingang kann Differenzsignal oder einzelnes Klemmensignal sein, Der Arbeitszyklus der Uhr kann zwischen 20% und 80%, darüber hinaus hat es auch datenwirksamen Indikator (um Uhr und Datensequenz zu vereinfachen), und es nimmt kleine 40-Pin QFN (6mm x 6mm x 0.8mm) Paket, binären Komplementcode und graues Code digitales Ausgabeformat an. Tabelle 2 listet die typischen AC-Eigenschaften von max1211 mit einer analogen Eingangsfrequenz von 175mhz auf.

Chart2. MAX1211 Elektrische Eigenschaften

Verglichen mit der Struktur der sekundären Frequenzumwandlung hat der Primärumwandler offensichtliche Vorteile. Die Anzahl der Komponenten und der Platz der Platine können um etwa 10% reduziert werden und die Kosten können durch die Eliminierung des zweiten Down-Umwandlungsmischers, der zweiten Zwischenfrequenz-Verstärkungsschaltung und des zweiten LO-Synthesizers um $10 bis $20 eingespart werden.

Berücksichtigung des Streifens verschiedener Strukturen. Wenn die Anzahl der Komponenten, der Plattenplatz und der Stromverbrauch und die Kosten weiter gespart werden müssen, kann die unten angegebene primäre Frequenzumwandlungsstruktur übernommen werden. Es wird angenommen, dass der entworfene CDMA2000-Empfänger im PC-Band arbeitet, mit einer Abtastrate von 61.44msps, einer Synthesizer-Referenzfrequenz von 30.72mhz und dem Zentrum der ersten Zwischenfrequenz ausgewählt im sechsten Nyquist-Band von 169MHz und einer Bandbreite von etwa 1.24mhz. Für DDS-Struktur sind die gleiche 169MHz erste Zwischenfrequenz und die zweite Zwischenfrequenz Mitte Frequenz 46.08mhz des Nyquist Bands zweiter Ordnung.

Hypothetische falsche Eigenschaften für SDC- und DDC-Architekturen

Tabelle 3 enthält die angenommenen Bedingungen für RF-Träger-Streu Suche in der Nähe des oberen Endes des PC-Bands, wenn ein einzelner Träger, primary down conversion (SDC) and two down frequency (DDC) structures are used. Für DEZA-Struktur, 134 Oberschwingungskomponenten können in der HF-Empfangsfrequenz gefunden werden, Empfangsspiegelfrequenzband, ob Band und Spiegelfrequenzband. Die meisten dieser falschen Signale haben eine höhere Ordnung und verringern nicht die Leistung des Empfangs. Für DDC-Struktur, Streunersuche findet mehr als 2400 Oberschwingungen, die mehr als 18-mal so hoch ist wie in der DEZA-Struktur. Diese Oberschwingungen sind im HF-Empfangsfrequenzband verteilt, Empfangsspiegelfrequenzband, erste Ebene, wenn Frequenzband, erste Ebene, wenn Spiegelfrequenzband, zweite Ebene, wenn Frequenzband und zweite Ebene, wenn Spiegelfrequenzband. Für die Streulicignale der hohen Takt-Harmonik- und Synthesizer-Referenzfrequenz, Es kann unterdrückt werden, indem das Layout der Leiterplatte sorgfältig geprüft oder Filter im Design hinzugefügt werden. Allerdings, Es ist schwierig, eine große Anzahl der streunenden Komponenten mit niedrigerer Ordnung zu unterdrücken.

Maxim's IF Verstärker: max2027 und max2055

Maxim bietet auch eine digitale Steuerverstärkung von 1dB pro Stufe und eine hohe Leistung, wenn Verstärker. Max2027 ist ein digitaler Control Gain Verstärker (DVGA). Es verwendet Einzeleingangs- und Einzelausgangsmodus, der im Frequenzbereich von 50MHz bis 400MHz arbeiten kann, und sein maximaler Verstärkungs-Rauschkoeffizient ist nur 5dB. Max2055 ist ein DVGA mit Einzeleingangs-Differenzausgang, der Hochleistungs-ADC im Frequenzbereich von 30MHz bis 300MHz antreiben kann. Zwischen dem Differenzausgang von max2055 und ADC Differenzeingang kann ein Step-up Transformator verwendet werden. Der Transformator bietet Differenzantrieb, der für das Gleichgewicht zwischen Ausgangssignalen förderlich ist. Die beiden DVGA arbeiten mit 5V Bias und haben OIP3 von +40dbm über den gesamten Gain Einstellbereich. Weitere Informationen finden Sie auf der Webseite von maxim (china.maximantegraded.com). Maxim's High Linear Mixer: max9993 3max9982.

In der Empfangsschaltung trägt Mischer oft das größere Eingangssignal, das strengere Leistungsanforderungen hat. Im Idealzustand sind Amplitude und Phase des Mischerausgangssignals proportional zur Amplitude und Phase des Eingangssignals, und die proportionale Beziehung ist nicht mit LO-Signal verbunden. Entsprechend dieser Annahme ist der Amplitudengang des Mischers linear mit HF-Eingang und unabhängig vom Lo-Eingangssignal.

Allerdings, Die Nichtlinearität des Mischers erzeugt einige unerwünschte Mischsignale, Falsche Antwort genannt, Die Antwort des IF-Bandes, das durch Signale erzeugt wird, die am HF-Port des Mischers ankommen und nicht voraussichtlich erscheinen. Das nutzlose Streuungssignal stört die Arbeit von nützliches HF-Signal. Wenn die Häufigkeit des Mischers durch die folgende Formel gegeben werden kann:

Wenn€Â± MFRF ± nflo, wenn, RF und lo Signalfrequenzen ihrer jeweiligen Ports sind, und m und N sind die harmonischen Ordnungen nach dem Mischen von HF- und LO-Signalen.

Die integrierten (oder aktiven) ausgewogenen Mischer (wie z.B. max9993 und max9982) sind aufgrund ihrer Leistung besser betroffen als passive Mischsysteme. Wenn m oder n gerade ist, kann symmetrischer Mischer einige Streumantwort unterdrücken, und die zweite harmonische Leistung ist besser. Der ideale Double Balanced Mixer kann alle Reaktionen mit einer geraden Anzahl von M oder n (oder beidem) unterdrücken. Im doppelt symmetrischen Mischer, if, sind HF- und Lo-Ports voneinander getrennt. Der Mischer kann sich in If-, HF- und LO-Frequenzbändern überlappen, indem er einen vernünftigen unsymmetrischen Transformator verwendet. Zu den Max9993- und max9982-Funktionen gehören: niedriger Rauschkoeffizient, LO-Puffer, niedriger Lo-Antrieb, Lo-Schalter, der zwei Lo-Eingänge ermöglicht, ausgezeichnete Lo-Rauscheigenschaften usw. Darüber hinaus ist der RF-unsymmetrische Transformator auch in HF- und Lo-Ports integriert.

Diese Mischer von Maxim sind mit Lo Puffern mit ausgezeichneter Lo Noise Performance eingebettet, was die Anforderungen an Lo Netzteil reduziert. Im Allgemeinen verringert die Kombination von Lo-Rauschen und Eingangsblocksignal mit hohem Pegel die Empfangsempfindlichkeit. Max9993 und max9982 enthalten rauscharme Lo-Puffer, die im Falle einer Blockierung den Einfluss auf die Empfangsempfindlichkeit reduzieren können. Nehmen wir beispielsweise an, dass das Randbandrauschen des VCO-Eingangssignals -145dbc/hz ist und das typische Lo-Rauschen von max9993 -164dbc/hz ist, so dass das zusammengesetzte Seitenbandrauschen nur 0.05dbc/hz auf -144.95dbc/hz fällt. Auf diese Weise stellt der Anwender nicht nur ein niedriges LO-Signal für den Mischer bereit, sondern stellt auch sicher, dass die Mischeigenschaften des Empfängers durch die Leistung des eingebauten LO-Puffers in max9993 nicht reduziert werden.

Darüber hinaus gibt es auch eine Art knifflige falsche Antwort zweiter Ordnung, auch bekannt als halbe wenn (1/2 wenn) falsche Antwort. Für Low-End-Einspritzung ist die Reihenfolge des Mischers: M.2, n =2; Bei High-End-Einspritzung lautet die Mischerreihenfolge: M = -2, n.2. Die Eingangsfrequenz, die die Hälfte verursacht, wenn parasitäre Reaktion niedriger als die gewünschte HF-Frequenz ist, wenn die niedrige Einspritzung niedrig ist (Abb. 4). Die gewünschte HF-Frequenz ist 1909mhz und 1740mhz LO-Frequenz, und die IF-Frequenz ist 169MHz. Obwohl die HF- und wenn Trägerbandbreite von CDMA 1,24mhz beträgt, wird sie hier als Einzelfrequenzsignal mit einer zentralen Trägerfrequenz dargestellt. In diesem Beispiel verursachen nutzlose Signale bei 1824,5mhz eine halbe, wenn streunende Komponente von 169MHz:

Daraus können wir erhalten:

2 x 1824,5MHz

Abbildung 4. Lage nützlicher FRF, Flo, FIF und nutzloser fhalb bei Frequenzen

Die Gesamtunterdrückung (auch als 2x2 Sporenantwort bekannt) kann anhand des zweiten Cut-Off-Punktes IP2 des Mischers vorhergesagt werden. Abbildung 5 zeigt den 2x2 IMR oder Falschwert (max9993 Daten von Maxim). Hinweis: Der Signalpegel in der Abbildung ist der Mixereingang, der durch die Leistung des Eingangs IP2 (IIP2) berechnet wird. Die spezifische Berechnungsformel lautet wie folgt:

Da der typische Stray Response 2rf J2lo von Maxim max9982 900MHz Aktivfilter 65dbc ist, ist die Berechnungsmethode seines IIP2 wie folgt:

Abbildung 5. Berechnen Sie den zweiten Grenzpunkt des Mixereingangssignals IIP2

Wenn die Empfängerverstärkungsanforderung nicht hoch ist, Maxims 15-Bit ADC max418 verfügt über eine hervorragende Geräuschleistung, so kann es großen Sperrpegel oder Störpegel mit kleinstem AGC standhalten. Produkte der Serie Max1211 ADC eignen sich für die Empfangsstruktur der Primärfrequenzkonversion, und seine erste, wenn Eingangsfrequenz 400MHz erreichen kann. Darüber hinaus, Maxims Mischer max9993 und max9982 bieten die erforderliche Linearität, Geringe Rauschzahl und hohe Leistungsverstärkung, So kann der passive Filter beim Empfängerdesign entfallen. The typical value of OIP3 of max2027 and max2055 DVGA in the whole gain adjustable range is about + 40dbm. Der Empfänger, der aus diesen Elementen besteht, kann die Leistung von Low-Cost-Lösungen auf ein höheres Niveau verbessern. Dieses Papier stellt einige Signalverbindungsgeräte vor, die hohe dynamische Leistung ADC und HF-Geräte in digitalen HF-Empfängern, Wenn Sie Fragen haben, können Sie gerne mit uns kommunizieren. iPCB.