PCB 기술 - 디지털 무선 수신기의 고성능 ADC 및 무선 장치

기지국 시스템 (BTS) 은 다양한 표준과 함께 신호 링크의 지표 요구 사항을 충족해야합니다.본고는 디지털 무선 주파수 수신기에서 동적 고성능 ADC와 무선 주파수 부품의 일부 신호 체인 부품, 예를 들어 고동적 성능 ADC, 가변 이득 증폭기, 혼합 주파수와 네이티브 발진기를 소개하고 전형적인 기지국에서의 응용을 상세하게 소개하여 기지국 시스템의 고동적 성능, 높은 절취 성능과 낮은 소음에 대한 요구를 만족시켰다.

대부분의 디지털 수신기는 고성능 아날로그 변환기 (ADC) 와 시뮬레이터에 대한 요구가 높다.예를 들어, 셀룰러 기지국 디지털 수신기는 낮은 레벨의 유용한 신호를 변조하기 위해 큰 간섭 신호를 처리하기에 충분한 동적 범위가 필요합니다.Maxim의 15비트 65msps 모드 변환기 max1418 또는 12비트 65msp 모드 변환기 max1211은 2GHz max9993 또는 900MHz max9982 통합 믹서와 결합하여 수신기의 2단계 핵심 회로에 뛰어난 동적 특성을 제공합니다.또한 Maxim의 중간 주파수 (if) 디지털 변조 가능 이득 증폭기 (DVGA) max2027 및 max2055는 많은 시스템에서 높은 3 단계 출력 마감 지점 (OIP3) 을 제공하고 시스템에 필요한 이득 조절 범위를 충족 할 수 있습니다.

Max1418 ADC 칩 및 회로

셀룰러 기지국(BTS: 기지국 트랜시버)은 RF 수신(Rx) 및 송신(TX) 기능을 수행하는 트랜시버(TRX) 모듈 중 하나로 다양한 하드웨어 모듈로 구성돼 있다.구형 아날로그 증폭기 및 TACs BTS에서는 트랜시버가 전이중 RX 및 TX RF 캐리어 하나만 처리하는 데 사용될 수 있습니다.필요한 호출 커버리지를 실현하기 위해서는 많은 송수신기가 충분한 반송파를 제공해야 한다.오늘날 세계적으로 시뮬레이션 기술은 CDMA와 WCDMA로 대체되었으며 GSM은 10 년 전에 유럽에서 채택되었습니다.CDMA에서는 여러 명의 주 호출 사용자가 동일한 RF 주파수를 사용하기 때문에 하나의 트랜시버가 여러 주 호출 사용자의 신호를 동시에 처리할 수 있습니다.지금까지 다양한 CDMA와 GSM의 설계안이 있었다.BTS 제조사들도 비용과 전력 소비를 줄일 방법을 모색하는 데 주력해왔다.단일 반송파 솔루션을 최적화하거나 다중 반송파 수신기를 개발하는 것이 효과적입니다.그림 1은 BTS 기기에서 흔히 사용하는 샘플링 수신기의 구조 상자도이다.

그림 1.샘플링 수신기가 부족한 구조 상자도

그림 1에서 Maxim의 2GHz max9993 및 900MHz max9982 믹서는 많은 설계에 필요한 이득과 선형을 제공하고 매우 낮은 결합 노이즈를 가질 수 있으므로 더 이상 고손실의 소스 믹서가 필요하지 않습니다.Max2027 및 max2055는 수신기의 첫 번째 및 두 번째 중간 주파수 수준에서 작동합니다.이 두 부품의 OIP3는 전체 이득 조절 범위 내에서 +40dbm에 도달할 수 있다.그림 1에 표시된 회로에서는 max1418(15비트, 65msps)과 max1211(12비트, 65ms)을 데이터 변환기로 사용합니다.또한 Maxim의 데이터 변환기 제품은 대부분의 설계 요구 사항을 충족할 수 있는 샘플링 비율을 갖춘 다른 장치도 있습니다.그림 1에서 두 번째 언더레이를 생략하면 (점선 참조) 그림 1에 표시된 회로가 단일 언더레이로 바뀝니다.Maxim의 저소음 ADC: max1418.

그림 1에 표시된 샘플링 수신기의 구조는 ADC의 소음과 왜곡에 대한 엄격한 요구가 있다.수신기에서 저전평의 유용한 신호는 단독으로 디지털화되거나 더 많은 관심을 필요로 하는 무용한 대폭적인 신호를 수반한다.따라서 수신기가 정상적으로 작동하도록 ADC의 유효 소음 계수는 이 두 신호의 극단적인 조건 (즉, 최소 유용 신호와 최대 무용 신호) 에 따라 계산되어야 한다.작은 아날로그 입력 신호의 경우 열 노이즈와 계량화 노이즈는 ADC의 노이즈 베이스이며 이는 ADC의 노이즈 계수를 결정합니다.

실제로 작은 신호 조건에서 ADC의 유효 소음 계수는 결정되며 아날로그 회로 (RF 또는 if) 의 종속 연결 소음 계수도 그에 따라 결정됩니다.ADC 전급 회로의 최소 전력 이득은 수신 회로의 소음 계수 요구를 만족시켜야 한다.일반적으로 전력 이득은 ADC가 과부하되기 전에 수신기가 허용하는 최대 차단 레벨 또는 최대 간섭 레벨의 상한입니다.BTS에서 AGC를 사용하지 않으면 ADC의 동적 범위가 회로 노이즈 계수(수신기 감도) 및 최대 차단 요구 사항을 충족하지 못합니다.AGC 회로는 RF 또는 if 레벨 회로 또는 AGC 회로의 2단계 회로에 배치할 수 있습니다.

max1418 시리즈의 다른 제품은 feinput=fclock/2의 베이스밴드 응용프로그램에 특히 적합합니다.변환기가 이 주파수 범위 내에서 작동할 때, 이러한 우수한 베이스밴드 특성을 가진 부품을 사용하면 가장 좋은 동적 범위를 얻을 수 있다.이들 제품에는 65msps 클럭 속도의 max1419와 80msps 클럭 속도의 max1427이 포함됩니다.이러한 베이스밴드 SFDR(잡다한 동적 범위 없음)은 94.5dbc에 도달할 수 있습니다.

표 1에는 max1418의 주요 기술 매개 변수가 나와 있습니다.

LSB가 연결되어 있지 않으면 max1418도 14비트 인터페이스 장치와 함께 작동합니다.이렇게 하면 SNR이 약간 손실되고 SFDR은 영향을 받지 않습니다.

그림 2는 막힘 없이 ADC의 노이즈 분포를 보여줍니다.여기서 ADC 이전의 모든 아날로그 회로의 총 캐스케이드 노이즈 계수를 3.5db로 가정하고, CDMA 기지국 수신기의 감도 요구를 충족시키기 위해 ADC로 인한 총 노이즈 계수의 악화가 0.2db를 넘지 않도록 설계되었다.이러한 소음계 수치는 공중 인터페이스에 충분한 여유를 남겨야 하지만, 최종 결과는 마지막 레벨 검출기의 EB/no(비트 에너지와 소음 파워 스펙트럼 밀도의 비율) 요구에 달려 있다.표 1에서 max1418의 열소음 + 계량화 소음 기저를 기반으로 부품 시계가 61.44msps(50배 코드 슬라이스 속도)일 때 그 동등한 소음 계수는 26.9db이다. 프로세스 이득 제어로 인해 1.23mhz CDMA 채널 대역폭의 ADC 소음은 나이퀴스트 대역폭의 ADC보다 14dB 낮다.일반적으로 3.7dB 수신기의 종속 연결 노이즈 계수를 얻기 위해 총 이득은 36dB에 달해야 합니다.

그림 2:차단되지 않는 ADC 노이즈 분포

ADC 프런트엔드 이득이 36dB이면 안테나 끝에서 -30dBm를 초과하는 단음 차단 레벨이 ADC의 입력 범위를 초과합니다.cdma2000® 셀룰러 기지국 표준에 따르면 안테나 끝에서 허용되는 최대 차단 레벨은 -30dBm이다.이때 프런트엔드 이득은 ADC에 추가할 수 있는 최대 차단 신호가 표준 사양에서 허용되는 허용 한도 내에서 더 클 수 있도록 6dB를 낮춰야 합니다.2dB의 여유가 남는다고 가정하면 현재 끝의 이득이 6dB를 낮출 때 안테나 끝의 최대 차단 레벨은 -26dbm, ADC의 최대 허용 입력 신호는 +4dbm가 된다(그림 3 참조).단음 차단이 발생하면 셀룰러 표준은 총 간섭 (소음 + 왜곡) 을 허용합니다. 그러나 노이즈와 왜곡 사이에 3dB를 설계자에게 할당하는 방법은 참조 감도에 비해 3dB를 악화시킵니다.

가설: 신호가 차단된 상황에서 AGC 이득은 6dB이며, RF 프런트엔드 캐스케이드 노이즈 왜곡을 허용하여 NF를 1dB(공칭 3.5db) 낮출 수 있도록 설계되었습니다. ADC 프런트엔드 이득이 30dB에 불과할 때 ADC의 노이즈 비율은 유효 노이즈 계수를 29.4db로 결정하며, 캐스케이드 수신기는"차단 조건"에서의 노이즈 계수를 5.7db로 결정합니다.이는 수신기 감도에 따라 계산된 3.7dB 노이즈 계수보다 2dB 낮다.이 계산에서 잡다한 특성을 고려하지 않았기 때문에 ADC의 무잡다한 동적 범위(SFDR)는 1dB를 추가로 줄일 수 있습니다.차단 신호가 있는 경우 SINAD를 사용하여 유효한 NF를 계산할 수 있으며 노이즈 및 SFDR 베이스 값은 더 이상 별도로 계산되지 않습니다.

그림 3.차단된 ADC 노이즈 응답

Max11211 허용 다운스트림 패브릭

더 높은 If 세그먼트에서 충분한 SNR 및 SFDR 지표를 얻을 수 있는 경우 기본 하위 인버터 구조에서 샘플링 회로를 사용할 수 있습니다.이 구조로 Max11211 12비트 65msps 동글을 설계했습니다.이 핀은 곧 출시될 80msps 및 95msps 동글과 호환됩니다.이 일련의 장치는 숫자의 주파수가 400MHz에 달하는 경우 입력 신호를 직접 샘플링할 수 있습니다.또한 클럭 입력은 차등 신호 또는 단일 신호가 될 수 있으며 클럭의 점유율은 20% 에서 80% 사이일 수 있으며 데이터 유효 표시기 (시계 및 데이터 시퀀스 단순화) 와 작은 40 핀 QFN (6mm x 6mm x 0.8mm) 패키지, 이진 보정 및 그레코드 디지털 출력 형식이 있습니다.표 2에는 아날로그 입력 주파수가 175mhz인 max11211의 전형적인 교류 특성이 나열되어 있다.

차트 2. MAX1211 전기 특성

2차 주파수의 구조에 비해 1차 주파수는 뚜렷한 장점을 가지고 있다.두 번째 하단 인버터 믹서, 두 번째 중주파 이득 회로 및 두 번째 LO 합성기를 제거하기 때문에 회로 기판의 부품 수와 공간은 약 10% 감소할 수 있으며 비용은 10~20달러 절감될 수 있습니다.

서로 다른 구조의 잡산을 고려하다.컴포넌트 수, 보드 공간, 전력 소비량 및 비용을 추가로 절감해야 하는 경우 아래에 제시된 인버터 구조를 사용할 수 있습니다.설계된 CDMA2000 수신기가 PC 주파수 대역에서 작동한다고 가정하면 샘플링 속도는 61.44msps, 합성기 참조 주파수는 30.72mhz이며, 첫 번째 중주파의 중심은 169MHz의 여섯 번째 나이퀴스트 대역으로 대역폭은 약 1.24mhz이다. DDS 구조의 경우동일한 169MHz 1 중주파와 2 중주파 중심 주파수는 2 단계 나이퀴스트 대역의 46.08mhz입니다.

SDC 및 DDC 아키텍처의 가상 분산 기능

표 3에는 단일 반송파, 기본 하향 주파수(SDC) 및 두 개의 하향 주파수(DDC) 구조를 사용할 때 PC 대역 상단 부근에서 RF 반송파 분산 검색을 수행하는 가정 조건이 나열되어 있습니다.SDC 구조의 경우 RF 수신 주파수, 수신 미러링 대역, if 대역 및 if 미러링 대역에서 134개의 고조파 컴포넌트를 찾을 수 있습니다.이러한 분산 신호의 대부분은 더 높은 단계를 가지며 수신 성능을 저하시키지 않습니다.DDC 구조의 경우 잡산 검색에서 SDC 구조의 18배가 넘는 2400여 개의 고조파를 발견할 수 있다.이러한 고조파는 RF 수신 대역, 수신 미러링 대역, 주파수 대역이 첫 번째 레벨, 미러링 대역이 한 레벨, 주파수 대역이 두 번째 레벨, 미러링 대역이 두 번째 레벨인 경우 두 번째 레벨에 분포됩니다.고급 클럭 고조파 및 합성기 참조 주파수의 잡다한 신호의 경우 회로 기판의 레이아웃을 신중하게 고려하거나 설계에 필터를 추가하여 억제할 수 있습니다.그러나 낮은 계수를 가진 대량의 잡산분량을 억제하기 어렵다.

맥심 중주파 증폭기: max2027 및 max2055

Maxim은 또한 각 레벨 1dB의 디지털 제어 이득 및 고성능 if 증폭기를 제공합니다.Max2027은 디지털 제어 이득 증폭기(DVGA)입니다.단일 입력 / 단일 출력 모드로 50MHz ~ 400MHz의 주파수 범위에서 작동할 수 있으며 최대 이득 노이즈 계수는 5dB에 불과합니다.Max2055는 단일 입력/차동 출력을 갖춘 DVGA로, 30MHz~300MHz 주파수 범위의 고성능 ADC를 구동할 수 있다.max2055의 차동 출력과 ADC 차동 입력 사이에 승압 변압기를 사용할 수 있습니다.변압기는 차동 구동을 제공하여 출력 신호 사이의 균형에 유리하다.두 DVGA는 5V 편압에서 작동하며 전체 이득 설정 범위에 +40dbm의 OIP3가 있습니다.자세한 내용은 미심 홈페이지(china.maxmantegrade.com)에서 관련 정보를 참조하십시오. 미심의 고선 혼합기: max9993 및 max9982.

수신 회로에서 믹서기는 종종 비교적 큰 입력 신호를 견디기 때문에 성능에 대한 요구가 더 높다.이상적인 상태에서 믹서 출력 신호의 폭과 위상은 입력 신호의 진폭과 위상에 비례하며 이 비례 관계는 LO 신호와 무관하다.이 가정에 따르면 믹서의 폭 응답은 RF 입력과 선형 관계이며 Lo 입력 신호와는 관련이 없습니다.

그러나 혼합 주파수의 비선형은 불필요한 혼합 주파수 신호를 생성하는데, 이를 잡산 응답이라고 하는데, 이는 신호가 혼합 주파수의 RF 포트에 도달하여 발생하는 중간 주파수 대역의 응답으로 나타나지 않을 것으로 예상된다.쓸모없는 잡산 신호는 유용한 무선 주파수 신호의 작업을 방해할 수 있다.믹서의 주파수를 다음 공식으로 지정할 수 있습니다.

= ±MFRF ±nflo의 경우 RF와 lo는 각 포트의 신호 주파수이고 m와 N은 RF와 lo 신호를 혼합한 후의 고조파 계수이다.

max9993 및 max9982와 같은 통합 (또는 소스) 밸런싱 믹서는 소스 없는 믹서 시나리오보다 성능이 우수하여 주목을 받고 있습니다.m 또는 n이 짝수일 때 평형 혼합기는 일부 잡산 응답을 억제할 수 있으며 2차 고조파 성능이 비교적 좋다.이상적인 듀얼 밸런싱 믹서는 짝수 M 또는 n (또는 둘 다) 의 모든 응답을 억제합니다.듀얼 밸런싱 믹서에서 if, RF 및 lo 포트는 서로 분리됩니다.믹서는 합리적으로 설계된 불균형 변압기를 사용하여 if, RF 및 LO 대역에서 중첩 될 수 있습니다.맥스9993과 맥스9982의 특징은 저소음계수, LO 버퍼, 저LO 구동, 2개의 LO 입력이 가능한 LO 스위치, 우수한 LO 소음 특성 등이다. 또한 RF 불균형 변압기는 RF와 LO 포트에도 통합된다.

Maxim의 이 믹서는 저소음 성능이 우수한 저소음 버퍼를 내장하여 저소음 전원에 대한 요구를 낮춘다.일반적으로 낮은 노이즈와 높은 레벨의 입력 차단 신호의 조합은 수신 감도를 낮춥니다.Max9993 및 max9982에는 저소음 Lo 버퍼가 포함되어 있어 차단 시 수신 감도에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.예를 들어, VCO 입력 신호의 가장자리 대역 소음이 -145dbc/hz이고 max9993의 일반적인 Lo 소음 특성이 -164dbc/hz라고 가정하면 복합 대역 소음은 0.05dbc/hz에서 -144.95dbc/hz로 감소합니다. 이렇게 하면 사용자는 믹서에 저전력 Lo 신호를 제공할 뿐만 아니라또한 max9993에 내장된 LO 버퍼의 성능으로 인해 수신기의 혼합 특성이 저하되지 않도록 했다.

또한 반 if (1/2 if) 잡산 응답이라고도 하는 까다로운 2 단계 잡산 응답도 있습니다.저단주사의 경우 혼합기의 순서는 M=2, n=-2이다.하이엔드 분사의 경우 혼합기 순서는 M = -2, n = 2입니다.낮은 주입이 낮은 경우 기생 응답이 필요한 RF 주파수보다 낮으면 입력 주파수의 절반이 발생합니다 (그림 4).필요한 RF 주파수는 1909mhz 및 1740mhz LO 주파수이며 IF 주파수는 169MHz입니다.CDMA의 RF 및 if 반송파 대역폭은 1.24mhz이지만 여기에서 중심 반송파 주파수를 가진 단일 주파수 신호로 표시됩니다.이 예에서 1824.5mhz의 쓸모없는 신호는 169MHz의 반중주파 잡산 분량을 초래한다:

이를 통해 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.

2 x 1824.5MHz-2 x 1740MHz=169MHz

그림 4.FRF, Flo, FIF 및 Fhalf가 없는 위치 (주파수의 경우)

총 억제는 믹서의 두 번째 마감 지점인 IP2를 기준으로 예측할 수 있습니다(2x2 잡다한 응답이라고도 함).그림 5는 2x2 IMR 또는 분산 값(Maxim의 max9993 데이터)을 보여줍니다.참고: 그림의 신호 레벨은 입력 IP2 (IIP2) 성능에 따라 계산된 믹서 입력 레벨입니다.구체적인 계산 공식은 다음과 같다.

Maxim max9982 900MHz 액티브 필터가 제공하는 일반적인 잡다한 응답 2rf-2lo는 65dbc이므로 IIP2는 다음과 같이 계산됩니다.

그림 5.믹서 입력 신호를 계산하는 두 번째 마감점 IIP2

수신기의 이득 요구가 높지 않은 상황에서 맥심의 15비트 ADC max1418은 뛰어난 소음 성능을 가지고 있기 때문에 가장 작은 AGC로 큰 차단 레벨이나 간섭 레벨을 견딜 수 있다.Max1211 ADC 시리즈 제품은 한 번의 인버터 수신 구조에 적용되며, 첫 번째 중간 주파수 입력 주파수는 400MHz에 달한다.또한 Maxim의 max9993 및 max9982 믹서는 필요한 선형, 저소음 계수 및 고출력 이득을 제공하므로 수신기 설계 과정에서 소스 없는 필터를 생략할 수 있습니다.전체 이득 조정 가능 범위 내에서 max2027 및 max2055DVGA의 OIP3의 일반값은 약 +40dbm입니다.이러한 컴포넌트로 구성된 수신기는 저비용 솔루션의 성능을 더 높은 수준으로 향상시킬 수 있습니다.이 문서에서는 디지털 무선 주파수 수신기의 일부 고성능 ADC 및 무선 주파수 장치의 신호 링크 장치에 대해 설명합니다. 문제가 있으면 iPCB와 교류하는 것을 환영합니다.