PCB科技 - 數位射頻接收機中的高動態效能模數轉換器和射頻器件

Base station system (BTS) needs to meet the index requirements of signal link while meeting various standards. 本文介紹了數位射頻接收機中用於動態高性能模數轉換器的訊號連結器件和射頻器件, 例如 高動態效能ADC, 可變增益放大器, 混頻器和本地振盪器, 並詳細介紹了它們在典型基站中的應用, 能够滿足 高動態效能基站系統, 高截獲效能和低雜訊.

大多數數位接收機對 高性能模數轉換器（ADC） 和模擬器. 例如, 蜂窩基站數位接收機需要足够的動態範圍來處理大的干擾訊號, 從而解調出低電平的有用訊號. Maxim的15比特65msps模數轉換器max1418或12比特65msps模數轉換器max1211, 與2GHz max9993或900MHz max9982集成混頻器耦合, 可為接收機的兩級關鍵電路提供優良的動態特性. 此外, 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, 並滿足系統要求的增益調節範圍.

Max1418 ADC晶片及電路

蜂窩基站（BTS：基站收發器）由多個不同的硬體模塊組成，其中一個是執行射頻接收（Rx）和發射（TX）功能的收發器（TRX）模塊。 在舊的類比amps和TACs BTS中，一個收發器只能用於處理一個全雙工RX和TX RF載波。 為了實現所需的呼叫覆蓋，許多收發器需要提供足够的載波。 今天，在全球範圍內，模擬技術已被CDMA和WCDMA所取代，而GSM在10年前已在歐洲採用。 在CDMA中，多個主叫用戶使用相同的射頻頻率，囙此一個收發器可以同時處理多個主叫用戶的訊號。 到目前為止，已有多種CDMA和GSM設計方案。 基站製造商也致力於探索降低成本和功耗的方法。 優化單載波解決方案或開發多載波接收機是有效的解決方案。 圖1是BTS設備中常用的欠採樣接收機的結構框圖。

圖1：。 欠採樣接收機結構框圖

在圖1中, Maxim的2GHz max9993和900MHz max9982混頻器可以為許多設計提供所需的增益和線性度, 耦合雜訊非常低, 這樣就不再需要那些高損耗的無源混頻器. Max2027和max2055在接收機的第一和第二中頻級工作. OIP3 of these two devices can reach + 40dbm in the whole gain adjustment range. 在圖1所示的電路中, max1418 (15 bit, 65msps) and max1211 (12 bit, 65msps) are used as data converters. 此外, Maxim的資料轉換器產品還具有其他具有取樣速率的設備, 可滿足大多數設計要求. 如果圖中的第二個下變頻器. 1 is omitted (shown in the dotted line), 電路如圖所示. 1變為單個下變頻器結構. Maxim低雜訊ADC：max1418.

圖1所示的欠採樣接收機的結構對ADC的雜訊和失真有嚴格的要求。 在接收機中，有用的低電平訊號被單獨數位化，或者伴隨著無用的大幅度訊號，需要引起更多的關注。 囙此，為了使接收機正常工作，ADC的有效雜訊係數應根據這兩個訊號的極端條件（即最小有用訊號和最大無用訊號）來計算。 對於較小的類比輸入信號，熱雜訊和量化雜訊是ADC的雜訊基礎，决定了ADC的雜訊係數（NF）。

事實上, 確定了小訊號條件下ADC的有效雜訊係數, and the cascade noise coefficient of analog circuit (RF or if) is determined accordingly. 這個 ADC的最小功率增益 前級電路應滿足接收電路的雜訊係數要求. 通常地, 功率增益值是ADC超載前接收機允許的最大阻塞電平或最大干擾電平的上限. 在BTS中, 如果未使用AGC, the dynamic range of ADC can not meet the requirements of circuit noise coefficient (receiver sensitivity) and maximum blocking. AGC電路可以置於RF或if電平電路中，也可以置於兩級電路中.

max1418系列的其他產品特別適用於feinput=fclock/2的基帶應用。 當轉換器在這個頻率範圍內工作時，使用這些具有優良基帶特性的器件將獲得最佳的動態範圍。 這些產品包括用於65msps時鐘速率的max1419和用於80msps時鐘速率的max1427。 其基帶SFDR（無雜散動態範圍）可達到94.5dbc。

錶1列出了max1418的主要技術參數

當LSB未連接時，max1418還可以與14比特介面設備配合使用。 這樣，SNR會略有損失，而SFDR不會受到影響。

圖2顯示了無阻塞ADC的雜訊分佈。 這裡，假設ADC之前所有類比電路的總級聯雜訊係數為3.5db，設計目標是ADC引起的總雜訊係數劣化不超過0.2db，以滿足CDMA基站接收機的靈敏度要求。 這樣的雜訊系數值應該為空中介面留有足够的餘量，但最終結果取決於末級探測器的EB/no（比特能量與雜訊功率譜密度之比）的要求。 基於錶1中max1418的熱雜訊+量化雜訊基板，當器件時鐘為61.44msps（50x碼片速率）時，其等效雜訊係數為26.9db。 由於過程增益控制，1.23mhz CDMA通道頻寬的ADC雜訊比Nyquist寬帶低14dB。 一般來說，為了獲得3.7dB接收機的級聯雜訊係數，總增益應達到36dB。

圖2：。 無阻塞ADC雜訊分佈

ADC前端增益為36dB時, 天線端超過-30dBm的單音阻塞電平將超過ADC的輸入範圍. cdma2000®蜂窩基站標準規定，天線端允許的最大阻塞電平為-30dBm. 此時, 前端增益需要降低6dB, 囙此，允許添加到ADC的最大阻塞訊號在標準規範允許的裕度範圍內更大. 假設剩餘2dB的裕度, 天線端的最大阻塞電平將變為-26dbm ADC最大允許輸入信號 will become + 4dbm when the front-end gain is reduced by 6dB (see Fig. 3). 發生單音阻塞時, the cellular standard allows the total interference (noise + distortion) to deteriorate by 3dB relative to the reference sensitivity, 但如何在雜訊和失真之間分配3dB則留給了設計者.

假設：在阻塞訊號的情况下，AGC增益為6dB，設計允許射頻前端級聯雜訊加上失真，以减少1dB的NF（標稱值為3.5db）。 當ADC前端增益僅為30dB時，ADC的信噪比確定其有效雜訊係數為29.4db，“阻塞條件”下級聯接收機的雜訊係數為5.7db，比根據接收機靈敏度計算的3.7db雜訊係數低2dB。 由於此計算中未考慮雜散特性，囙此ADC的無雜散動態範圍（SFDR）允許額外减少1dB。 當存在阻塞訊號時，SINAD可用於計算有效NF，不再分別計算雜訊和SFDR基值。

圖3：。 阻塞情况下的ADC雜訊響應

MAX111211允許下變頻結構

如果在較高的中頻段可以獲得足够的信噪比和SFDR名額，則可以在主下變頻結構中使用欠採樣電路。 採用這種結構設計了MAX111211 12比特和65msps轉換器。 其引脚與即將推出的80msps和95msps轉換器相容。 該系列設備可直接對輸入信號進行中頻採樣，頻率可達400MHz。 此外，它還具有其他先進效能，如時鐘輸入可以是差分訊號或單端訊號，時鐘占空比可以在20%-80%之間，此外，它還具有數據有效指示器（簡化時鐘和數據序列），並採用小型40針QFN（6mm x 6mm x 0.8mm）封裝、二進位補數和格雷碼數位輸出格式。 錶2列出了類比輸入頻率為175mhz的MAX111211的典型交流特性。

圖2.MAX1211電力特性

與二次變頻結構相比，一次變頻具有明顯的優勢。 由於消除了第二下變頻混頻器、第二中頻增益電路和第二LO合成器，電路板的組件數量和空間可以减少大約10%，並且可以節省10到20美元的成本。

考慮不同結構的雜散。 如果需要進一步節省元件數量、板空間、功耗和成本，可以採用下麵給出的一次變頻結構。 假設設計的CDMA2000接收機工作在PCs頻段，取樣速率為61.44msps，合成器參攷頻率為30.72mhz，第一中頻的中心選擇在第六個Nyquist頻段169MHz，頻寬約為1.24mhz。 對於DDS結構，相同的169MHz第一中頻和第二中頻中心頻率為二階奈奎斯特頻帶的46.08mhz。

SDC和DDC體系結構的假設雜散特性

錶3列出了 射頻載波雜散 單載波時在PCs頻段上端附近蒐索, primary down conversion (SDC) and two down frequency (DDC) structures are used. 對於SDC結構, 射頻接收頻率中有134個諧波分量, 接收鏡頻帶, 中頻波段和中頻鏡像頻段. 這些雜散訊號大多階數較高，不會降低接收效能. 對於DDC結構, 雜散蒐索將發現2400多個諧波, 是SDC結構下的18倍多. 這些諧波分佈在射頻接收頻段, 接收鏡頻帶, 一級中頻頻段, 一級中頻鏡像頻段, 二級中頻頻段和二級中頻鏡像頻段. 對於來自高階時鐘諧波和合成器參攷頻率的雜散訊號, 可以通過仔細考慮電路板的佈局或在設計中添加濾波來抑制. 然而, 大量低階雜散分量難以抑制.

Maxim中頻放大器：max2027和max2055

Maxim還提供每級1dB的數位控制增益和高性能中頻放大器。 Max2027是一種數位控制增益放大器（DVGA）。 它採用單輸入/單輸出模式，可在50MHz至400MHz的頻率範圍內工作，最大增益雜訊係數僅為5dB。 Max2055是一種具有單輸入/差分輸出的DVGA，可在30MHz至300MHz的頻率範圍內驅動高性能ADC。 在max2055的差分輸出和ADC差分輸入之間可以使用升壓變壓器。 變壓器提供差動驅動，有利於輸出信號之間的平衡。 兩個DVGA在5V偏置下工作，在整個增益設定範圍內，OIP3為+40dbm。 欲瞭解更多詳情，請參閱maxim網站（china.MaximanteGrade.com）上的相關資訊。 Maxim的高線性混頻器：max9993和max9982。

在接收電路中，混頻器往往承受較大的輸入信號，這對效能有更嚴格的要求。 在理想狀態下，混頻器輸出信號的振幅和相位與輸入信號的振幅和相位成正比，並且比例關係與LO訊號無關。 根據這一假設，混頻器的振幅響應與射頻輸入呈線性關係，與本振輸入信號無關。

然而, 混頻器的非線性會產生一些不需要的混頻訊號, 稱為虛假響應, 這是到達混頻器射頻埠的訊號產生的中頻帶的響應，預計不會出現. 無用的雜散訊號會干擾 有用的射頻訊號. 如果混頻器的頻率可以通過以下公式給出：

If=±MFRF±nflo，If、RF和lo是各自埠的訊號頻率，m和N是混合RF和lo訊號後的諧波階數。

集成（或主動）平衡混頻器（如max9993和max9982）因其效能優於被動混頻器而備受關注。 當m或n為偶數時，平衡混頻器可以抑制一些雜散響應，二次諧波效能更好。 理想的雙平衡混頻器可以抑制偶數M或n（或兩者）的所有響應。 在雙平衡混頻器中，if、RF和lo埠相互隔離。 通過使用合理設計的不平衡變壓器，混頻器可以在中頻、射頻和LO頻段重疊。 Max9993和max9982的特點包括：低雜訊係數、LO緩衝、低LO驅動、允許兩個LO輸入的LO開關、優异的LO雜訊特性等。此外，射頻和LO埠中還集成了射頻不平衡變壓器。

這些Maxim混頻器嵌入了lo緩衝器，具有優异的lo雜訊效能，降低了對lo電源的要求。 通常，低雜訊和高電平輸入阻塞訊號的組合將降低接收靈敏度。 Max9993和max9982包含低雜訊Lo緩衝器，可减少阻塞情况下對接收靈敏度的影響。 例如，假設VCO輸入信號的邊帶雜訊為-145dbc/hz，而max9993的典型Lo雜訊特性為-164dbc/hz，囙此複合邊帶雜訊僅下降0.05dbc/hz至-144.95dbc/hz。 這樣，用戶不僅為混頻器提供低電平LO訊號，還確保接收機的混音特性不會因max9993中內寘LO緩衝器的效能而降低。

此外，還有一種棘手的二階雜散響應，也稱為半中頻（1/2中頻）雜散響應。 對於低端注入，混合器的順序為：M=2，n=-2； 對於高端噴射，混合器順序為：M=-2，n=2。 當低注入較低時，導致半中頻寄生響應低於所需射頻頻率的輸入頻率（圖4）。 所需射頻頻率為1909mhz和1740mhz LO頻率，中頻頻率為169MHz。 雖然CDMA的射頻和中頻載波頻寬為1.24mhz，但這裡將其表示為具有中心載波頻率的單頻訊號。 在本例中，1824.5mhz的無用訊號會導致169MHz雜散分量的一半：

由此，我們可以得到：

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

圖4：。 有用FRF、Flo、FIF和無用fhalf if頻率的位置

可以根據混頻器的第二個截止點IP2預測總抑制（也稱為2x2雜散響應）。 圖5顯示了2x2 IMR或雜散值（Maxim的max9993數據）。 注：圖中的信號電平是根據輸入IP2（IIP2）效能計算的混頻器輸入電平。 具體計算公式如下：

由於Maxim max9982 900MHz有源濾波器提供的典型雜散響應2rf-2lo為65dbc，其IIP2的計算方法如下：

圖5：。 計算混頻器輸入信號的第二個截止點IIP2

接收機增益要求不高時, Maxim的15比特ADC max1418具有優异的雜訊效能, 囙此，它可以用最小的AGC承受較大的阻塞電平或干擾電平. Max1211 ADC系列產品適用於一次變頻接收結構, 其第一中頻輸入頻率可達400MHz. 此外, Maxim的max9993和max9982混頻器可以提供所需的線性, 低雜訊係數和高功率增益, 囙此，在接收機設計過程中可以省略無源濾波器. The typical value of OIP3 of max2027 and max2055 DVGA in the whole gain adjustable range is about + 40dbm. 由這些元素組成的接收器可以將低成本解決方案的效能提高到更高的水准. 本文介紹了幾種訊號連結設備 高動態效能ADC 數位射頻接收機中的射頻設備, 如果您有任何問題，歡迎聯繫 iPCB.