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GSPS ADC開拓多頻段接收機的新疆域 —— 第一部分

發布時間:2020-07-03 來源:Umesh Jayamohan 責任編輯:wenwei

【導讀】模數轉換器(ADC)很久以來一直是通信接收機設計的基本器件。隨著通信技術的不斷發展,消費者要求更快的數據速率和更低的服務價格。提供這項技術的回程服務供應商面臨著兩難的處境。更高的數據速率意味著更多帶寬,這也就表示更快的數據轉換器,將模擬無線電波轉換為數字處理。然而,更快的數據轉換器(GSPS,或稱每秒千兆采樣轉換器)——廣為人知的有RF采樣ADC——同樣產生大量數據,而這些DSP芯片必須以高得多的速度進行處理。這無疑增加了無線電接收機的運營成本。
 
解決方案是對組成RF采樣ADC的硅芯片進行更優化設計。得益于硅芯片工藝的進步(感謝摩爾定律),定制型數字處理模塊中的RF采樣ADC在功耗和尺寸方面的效率相比現有FPGA要更高。使用這些數字信號處理模塊還能獲得更低的數據速率,從而可以使用成本更低的FPGA。這對于運營商來說是雙贏的局面,因為他們可以使用這些GSPS ADC以高頻率進行采樣、使用內部數字下變頻器(DDC)以所需速度處理數據,并以能實現的(低)數據速率將其發送至更為廉價的FPGA(或者現有的ASIC產品)進行進一步的基帶處理。
 
使用帶有DDC的RF采樣ADC的另一個優勢是,這樣可以通過更靈活、更緊湊、性價比更高的方式實現雙頻段無線電系統。雙頻段無線電系統的應用已有多年歷史?;鞠到y設計人員以前通過使用兩個獨立的無線電路徑(每頻段一個)來實現雙頻段無線電系統。本文討論一種利用多頻段無線電接收機——使用RF采樣ADC,比 如AD9680——對兩個獨立而使用廣泛的頻段進行數字化和處理。本文第一部分解釋了功能框圖級別的實現,并討論了雙頻段無線電系統中使用GSPS ADC的優勢。本文第二部分將討論TDD LTE頻段34和39(亦分別稱為頻段A和頻段F)的實現和數據分析,并通過數據分析來揭示顯示器性能。
 
傳統雙頻段無線電接收機
 
為了迎合客戶對于雙頻段無線電的需求,同時滿足總系統級性能要求,基站設計人員拿出了他們的看家本領:復制兩次無線電設計,然后每頻段調諧一個設計。這意味著針對客戶的選擇,設計人員必須將兩個獨立的無線電硬件設計調諧至兩個頻段。
 
例如,如果需要構建能支持TDD LTE頻段34(頻段A:2010 MHz至2025 MHz)以及頻段39(頻段F:1880 MHz至1920 MHz)1的無線電接收機,則設計人員就會打包兩個無線電接收機設計。TDD LTE頻段的頻率規劃如圖1所示。
 
GSPS ADC開拓多頻段接收機的新疆域 —— 第一部分
圖1. TDD LTE頻段34和39的頻率規劃。
 
設計雙頻段無線電接收機以支持這些頻段的傳統方法是部署兩個獨立的接收機鏈路,每頻段一個。下文圖2顯示了雙頻段無線電接收機的框圖。2
 
GSPS ADC開拓多頻段接收機的新疆域 —— 第一部分
圖2. 雙頻段無線電接收機設計的傳統方法。
 
圖2顯示了雙頻段無線電的傳統實現。該方案的實現成本較高,因為它實際上是一個系統中的兩個無線電接收機。每一個處理元件都是重復的,以便支持對應頻段。FPGA資源也是如此。每一個處理元件都是重復的,以便支持對應頻段,這導致FPGA資源重復,增加系統成本和復雜性,導致功耗上升。就FPGA接口來說,FPGA資源也將是兩倍,以支持兩個ADC數據流。圖3顯示了FPGA I/O資源要求或雙頻段無線電接收機系統設計的框圖。該圖同時顯示了LVDS和JESD204B ADC接口。LVDS數據速率較低,但FPGA需要更高的I/O數。JESD204B接口需要較少的FPGA I/O資源,但通道速率可能更高,因此FPGA也許更為昂貴。
 
GSPS ADC開拓多頻段接收機的新疆域 —— 第一部分
圖3. 傳統雙頻段無線電接收機的FPGA接口要求。
 
使用RF采樣(GSPS) ADC的雙頻段無線電接收機
 
RF采樣或GSPS ADC能夠提供系統設計靈活性。利用深亞微米工藝技術,GSPS ADC可以集成數字處理模塊,且相比FPGA以低得多的功耗進行特定速度下的數據操作。RF采樣ADC的核心是一個高帶寬模擬采樣內核,以GHz速度進行采樣。模擬內核之后是各種各樣的數字信號處理元件。這些數字下變頻器可以用來提取相應頻段。針對雙頻段接收機設置的RF采樣ADC內部框圖如圖4所示。DDC除了處理信號,還可降低JESD204B通道數據的通道速率。
 
GSPS ADC開拓多頻段接收機的新疆域 —— 第一部分
圖4. 顯示內部DDC的RF采樣ADC框圖。
 
加入數字信號處理模塊后,GSPS ADC便可以獨立方便地提供兩個處理頻段。這對于運營商來說是雙贏的局面,因為他們可以使用這些RF采樣ADC以高頻率進行采樣、使用內部數字下變頻器(DDC)以所需速度處理數據,并以能實現的(低)數據速率將其發送至更為廉價的FPGA(或者現有的ASIC產品)進行進一步的基帶處理。這些ADC提供高帶寬前端,讓系統設計人員能夠捕捉寬頻率范圍(比如兩個無線電頻段)并對其數字化,以便進行信號處理。下文圖5顯示了一個雙頻段接收機系統,使用RF采樣ADC和內部DDC來提取頻段。顯然,與圖2中的方案進行對照后發現,使用RF采樣ADC的雙頻段接收機在實現上要簡單得多。在本方案中,RF向下混頻至高中頻,其寬度為幾百MHz,而不是傳統雙頻段應用的幾十MHz寬度。BPF和VGA級為可選,取決于所需的系統性能等級。
 
GSPS ADC開拓多頻段接收機的新疆域 —— 第一部分
圖5. 使用RF采樣ADC和內部DDC來提取頻段的雙頻段無線電接收機。
 
在雙頻段無線電系統中使用RF采樣ADC的部分優勢如下所述:
 
更簡單的前端設計
 
使用RF采樣ADC的雙頻段無線電系統設計大幅簡化了前端網絡。對于剛接觸的用戶來說,只需進行一次前端設計,而不是兩次(每頻段一次)。這樣可以大幅降低系統板的物料清單。接下來是AAF(抗混疊濾波器)要求,它是用于兩個中頻轉換器的帶通濾波器(BPF)——相比用于GSPS ADC的低通濾波器(LPF)而言。這是因為GSPS ADC對輸入信號進行過采樣。3, 4數據過采樣后,數字下變頻器就能進行抽取和濾波。如果頻率規劃使二次和三次諧波落在頻段外,那么就可放寬AAF要求。
 
更低的系統功耗,更小的尺寸
 
RF采樣只需一個前端(如圖5所示),而不是兩個LNA、兩個混頻器和兩個IF ADC(如圖2所示)。從系統級功耗角度來看,這樣可以大幅降低功耗。較低的系統功耗以及更簡單的前端設計縮小了系統的尺寸。
更高的FPGA利用率
 
使用RF采樣ADC來實現雙頻段無線電系統時,通過DDC來提取各頻段。由于DDC抽取數據,因而降低了輸出采樣速率。這使JESD204B接口的配置非常靈活。例如,某個雙通道ADC以1GSPS速率采樣,并且工作在全帶寬模式,則四個通道的線路速率計算值為每通道10Gbps。ADI公司的JESD204B轉換器線路速率可以計算如下:
 
GSPS ADC開拓多頻段接收機的新疆域 —— 第一部分
 
其中
 
M = 轉換器數(本例中為2)
 
N'''' = 每個樣本的轉換器位數(本例中為16)
 
10/8 = 8B10B 開銷
 
FOUT = 輸出采樣速率; 本例中, Decimation_Ratio = 1 針對全帶寬)
 
L = 通道數(本例中為4)
 
舉例而言,如果同樣的雙通道ADC使用總共4個DDC的8抽取配置,則ADC可支持很多配置,具體取決于通道數。輸出采樣速率變為125 MSPS (1 GSPS ÷ 8)。各種配置如表1所示:
 
表1
GSPS ADC開拓多頻段接收機的新疆域 —— 第一部分
 
這些靈活的配置為系統設計人員提供了以下選擇自由:使用具有較高通道速率但更佳I/O通道密度使用率的昂貴FPGA,或者使用存在線路速率限制的現有FPGA/ASIC。
 
結論
 
GSPS ADC深亞微米硅工藝的出現迎來了無線電架構討論與設計的新紀元。GSPS ADC具有高帶寬采樣內核以及數字下變頻器選項,提供重新思考和重新定義無線電架構的靈活思路,從而滿足消費者不斷增長的需要。這些GSPS ADC具有更低的功耗和更小的尺寸,可降低這些無線電產品的擁有成本。集成JESD204B接口的當代ADC具有靈活的輸出選項,它們并不妨礙系統設計人員使用昂貴的高線路速率FPGA或數字邏輯。
 
本文第二部分將討論TDD LTE頻段34和39相關的使用場景,并分析它在采用AD9680的多頻段無線電接收機中的應用。5
 
 
參考電路
 
1 E-UTRA頻段.
 
2 Walt Kester. 數據轉換手冊 。ADI公司,2005年。
 
3 Umesh Jayamohan. "祖父時代的ADC已成往事:RF采樣ADC給系統設計帶來諸多好處。"ADI公司,2015年。
 
4 過采樣。.
 
5 AD9680. ADI 公司。
 
 
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