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數(shù)字下變頻器的發(fā)展和更新——第一部分

時(shí)間:2018-04-12 10:58:59來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

導(dǎo)語(yǔ):?很多現(xiàn)代無(wú)線電架構(gòu)包含下變頻級(jí),可將RF或微波頻段向下轉(zhuǎn)換至中頻,以便進(jìn)行基帶處理。無(wú)論最終應(yīng)用是通信應(yīng)用、航空航天與國(guó)防應(yīng)用,或是儀器儀表應(yīng)用,目標(biāo)頻率都越來(lái)越高,并進(jìn)入了RF和微波頻譜。

圖1.帶下變頻級(jí)的典型接收器模擬信號(hào)鏈

將DDC功能集成至RFADC中便不需要額外的模擬下變頻級(jí),并允許RF頻率域中的頻譜直接向下變頻至基帶進(jìn)行處理。RFADC處理GHz頻率域中頻譜的能力放寬了模擬域中進(jìn)行多次下變頻的要求。DDC的這種功能使頻譜得以保留,同時(shí)允許通過(guò)抽取濾波進(jìn)行過(guò)濾,這樣還能提供改善帶內(nèi)動(dòng)態(tài)范圍(增加SNR)的優(yōu)勢(shì)。有關(guān)該話題的更詳細(xì)討論可參見(jiàn):"祖父時(shí)代的ADC已成往事,"以及"千兆采樣ADC確保直接RF變頻."這些文章進(jìn)一步討論了AD9680和AD9625,以及它們的DDC功能。

圖2.使用RFADC(集成DDC)的接收器信號(hào)鏈

本文主要關(guān)注AD9680(以及AD9690,AD9691和AD9684)中的DDC功能。為了理解DDC功能,并了解當(dāng)ADC中集成了DDC時(shí)如何分析輸出頻譜,我們將以AD9680-500為例。ADI網(wǎng)站上的折折頻工具將作為輔助工具使用。這款使用簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)大的工具可用來(lái)幫助理解ADC的混疊效應(yīng),這是分析集成了DDC的RFADC(比如AD9680)中輸出頻譜的第一步。

本例中,AD9680-500工作時(shí)的輸入時(shí)鐘為368.64MHz,模擬輸入頻率為270MHz。首先,理解AD9680中數(shù)字處理模塊的設(shè)置很重要。AD9680將設(shè)為使用數(shù)字下變頻器(DDC),其輸入為實(shí)數(shù),輸出為復(fù)數(shù),數(shù)控振蕩器(NCO)調(diào)諧頻率設(shè)為98MHz,半帶濾波器1(HB1)使能,6dB增益使能。由于輸出是復(fù)數(shù),因此復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)實(shí)數(shù)模塊禁用。DDC的基本原理圖如下所示。以下內(nèi)容對(duì)于了解如何處理輸入信號(hào)音很重要:信號(hào)首先通過(guò)NCO,使輸入信號(hào)音的頻率偏移,然后通過(guò)抽取模塊,并可選擇性通過(guò)增益模塊,之后再選擇性通過(guò)復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)實(shí)數(shù)模塊。

圖3.AD9680中的DDC信號(hào)處理模塊

從宏觀上把握信號(hào)流過(guò)AD9680也很重要。信號(hào)進(jìn)入模擬輸入,通過(guò)ADC內(nèi)核,進(jìn)入DDC,通過(guò)JESD204B串行器,然后通過(guò)JESD204B串行輸出通道輸出??梢詤⒁?jiàn)圖4中的AD9680功能框圖。

圖4.AD9680功能框圖

輸入采樣時(shí)鐘為368.64MHz,模擬輸入頻率為270MHz,因此輸入信號(hào)將混疊進(jìn)入位于98.64MHz處的第一奈奎斯特區(qū)。輸入頻率的二次諧波將混疊進(jìn)入171.36MHz處的第一奈奎斯特區(qū),而三次諧波混疊至72.72MHz。這可以從圖5中折頻工具曲線看出。

圖5.折頻工具中的ADC輸出頻譜

圖5中顯示的折頻工具曲線給出了信號(hào)通過(guò)AD9680中的DDC之前,位于ADC內(nèi)核輸出端的信號(hào)狀態(tài)。信號(hào)通過(guò)AD9680中的第一個(gè)處理模塊是NCO,它會(huì)將頻譜在頻域中向左偏移98MHz(記住調(diào)諧頻率是98MHz)。這會(huì)將模擬輸入從98.64MHz下移至0.64MHz,二次諧波將下移至73.36MHz,而三次諧波將下移至–25.28MHz(記住我們觀察的是復(fù)數(shù)輸出)。這可以從VisualAnalog的FFT曲線中看出,如下文圖6所示。

圖6.經(jīng)過(guò)DDC后的FFT復(fù)數(shù)輸出(NCO=98MHz,2倍抽?。?/p>

從圖6中的FFT曲線中可以清楚地看到NCO如何偏移我們?cè)谡垲l工具中觀察到的頻率。有意思的是,我們可以在FFT中看到一個(gè)未經(jīng)表達(dá)的信號(hào)音。然而,這個(gè)信號(hào)音真的沒(méi)有經(jīng)過(guò)表達(dá)嗎?NCO并不偏移所有頻率。本例中,它將98MHz的基頻輸入信號(hào)音混疊向下偏移至0.64MHz,并將二次諧波偏移至73.36MHz,將三次諧波偏移至–25.28MHz。此外,還有另一個(gè)信號(hào)音也發(fā)生了偏移,并出現(xiàn)在86.32MHz。這個(gè)信號(hào)音的來(lái)源是哪里?它是否由于DDC或ADC的信號(hào)處理而產(chǎn)生的?答案是:對(duì),也不對(duì)。

讓我們更加細(xì)致地看一下這個(gè)場(chǎng)景。折頻工具不包含ADC的直流失調(diào)。該直流失調(diào)導(dǎo)致直流(或0Hz)處存在信號(hào)音。折頻工具假設(shè)ADC是理想器件,無(wú)直流失調(diào)。在AD9680的實(shí)際輸出中,0Hz處的直流失調(diào)信號(hào)音向下偏移至–98MHz。由于復(fù)數(shù)混頻和抽取,直流失調(diào)信號(hào)音折回實(shí)數(shù)頻域中的第一奈奎斯特區(qū)。對(duì)于信號(hào)音偏移進(jìn)入第二奈奎斯特區(qū)的復(fù)數(shù)輸入信號(hào)而言,它將會(huì)繞回至實(shí)數(shù)頻域中的第一奈奎斯特區(qū)。由于使能了抽取,并且抽取率等于2,我們的抽取奈奎斯特區(qū)寬度為92.16MHz(回憶一下:fs=368.64MHz,抽取采樣速率為184.32MHz,奈奎斯特區(qū)為92.16MHz)。直流失調(diào)信號(hào)音偏移至–98MHz,為92.16MHz奈奎斯特區(qū)邊界以外5.84MHz。當(dāng)該信號(hào)音繞回至第一奈奎斯特區(qū)時(shí),它的失調(diào)和實(shí)數(shù)頻域中的奈奎斯特區(qū)邊界相同,即92.16MHz–5.84MHz=86.32MHz。這正是我們?cè)谏衔腇FT曲線中看到的信號(hào)音!因此,技術(shù)上而言,ADC產(chǎn)生信號(hào)(因?yàn)樗侵绷魇д{(diào)),而DDC略微移動(dòng)它。這時(shí)候就需要進(jìn)行良好的頻率規(guī)劃。適當(dāng)?shù)念l率規(guī)劃有助于避免此類情形。

現(xiàn)在,我們討論了一個(gè)使用NCO和HB1濾波器的示例,其抽取率等于2;讓我們?cè)谶@個(gè)示例中再加入一點(diǎn)東西。現(xiàn)在,我們將增加DDC抽取率,以便觀察頻率折疊效應(yīng)以及采用較高抽取率和NCO頻率調(diào)諧時(shí)的轉(zhuǎn)換情況。

本例中,我們觀察采用491.52MHz輸入時(shí)鐘和150.1MHz模擬輸入頻率的AD9680-500工作情況。AD9680將設(shè)為使用數(shù)字下變頻器(DDC),并采用實(shí)數(shù)輸入、復(fù)數(shù)輸出、NCO調(diào)諧頻率為155MHz、半帶濾波器1(HB1)和半帶濾波器2(HB2)使能(總抽取率等于4)、6dB增益使能。由于輸出是復(fù)數(shù),因此復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)實(shí)數(shù)模塊禁用。回顧圖3中的DDC基本原理圖,該圖表示信號(hào)流過(guò)DDC。同樣,信號(hào)首先通過(guò)NCO,偏移輸入信號(hào)音的頻率,然后通過(guò)抽取、增益模塊,以及在本例中旁路復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)實(shí)數(shù)模塊。

我們將再次使用折頻工具來(lái)幫助理解ADC的混疊效應(yīng),以便評(píng)估模擬輸入頻率和諧波在頻域中的位置。本例中,我們有個(gè)實(shí)數(shù)信號(hào),采樣速率為491.52MSPS,抽取率設(shè)為4,輸出復(fù)數(shù)。在ADC的輸出端,采用折頻工具顯示的信號(hào)如圖7所示。

圖7.折頻工具中的ADC輸出頻譜

輸入采樣時(shí)鐘為491.52MHz,模擬輸入頻率為150.1MHz,因此輸入信號(hào)將殘留在第一奈奎斯特區(qū)。位于300.2MHz的輸入頻率二次諧波將混疊進(jìn)入191.32MHz處的第一奈奎斯特區(qū),而450.3MHz處的三次諧波混疊進(jìn)入41.22MHz處的第一奈奎斯特區(qū)。這是信號(hào)通過(guò)DDC之前ADC輸出端上的信號(hào)狀態(tài)。

現(xiàn)在,讓我們看一下信號(hào)如何通過(guò)DDC內(nèi)部的數(shù)字處理模塊。我們將查看進(jìn)入每一級(jí)的信號(hào),并觀察NCO如何偏移信號(hào),而抽取過(guò)程隨后又是如何折疊信號(hào)的。我們將保持曲線的輸入采樣速率(491.52MSPS),fs項(xiàng)與此采樣速率有關(guān)。讓我們觀察一般過(guò)程,如圖8所示。NCO將向左偏移輸入信號(hào)。一旦復(fù)數(shù)(負(fù)頻率)域中的信號(hào)偏移超過(guò)–fs/2,就會(huì)折回第一奈奎斯特區(qū)。接下來(lái),信號(hào)通過(guò)第一抽取濾波器HB1,抽取率為2。在圖中顯示了抽取過(guò)程,但沒(méi)有顯示濾波器響應(yīng),雖然這兩個(gè)操作是同時(shí)發(fā)生的。這是為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)。完成第一次2倍抽取之后,fs/4至fs/2的頻譜轉(zhuǎn)換為–fs/4至DC的頻率。類似地,–fs/2至–fs/4的頻譜轉(zhuǎn)換為DC至fs/4的頻率。信號(hào)現(xiàn)在通過(guò)第二抽取濾波器HB2,它也是2倍抽?。偝槿‖F(xiàn)在等于4)。fs/8至fs/4的頻譜將轉(zhuǎn)換為–fs/8至DC的頻率。類似地,–fs/4至–fs/8的頻譜將轉(zhuǎn)換為DC至fs/8的頻率。雖然圖中顯示了抽取,但沒(méi)有顯示抽取濾波操作。

圖8.抽取濾波器對(duì)ADC輸出頻譜的影響—一般示例

記得上一個(gè)示例中,我們討論了491.52MSPS輸入采樣速率以及150.1MHz輸入頻率。NCO頻率為155MHz,抽取率等于4(由于NCO分辨率,實(shí)際NCO頻率為154.94MHz)。因此,輸出采樣速率為122.88MSPS。由于AD9680配置為復(fù)數(shù)混頻,我們需要在分析中包含復(fù)數(shù)頻率域。圖9顯示了頻率轉(zhuǎn)換非常繁忙,但如果仔細(xì)研究的話可以看到信號(hào)流。

圖9.抽取濾波器對(duì)ADC輸出頻譜的影響—實(shí)際示例

NCO偏移后的頻譜:

1.基頻從+150.1MHz下移至–4.94MHz。

2.基頻鏡像從–150.1MHz開(kāi)始偏移,并繞回至186.48MHz。

3.二次諧波從191.32MHz下移至36.38MHz。

4.三次諧波從+41.22MHz下移至–113.72MHz。

2倍抽取后的頻譜:

1.基頻停留在–4.94MHz。

2.基頻鏡像向下轉(zhuǎn)換至–59.28MHz,并由HB1抽取濾波器衰減。

3.二次諧波停留在36.38MHz。

4.三次諧波由HB1抽取濾波器大幅衰減。

4倍抽取后的頻譜:

1.基頻停留在–4.94MHz。

2.基頻鏡像停留在–59.28MHz。

3.二次諧波停留在-36.38MHz。

4.過(guò)濾三次諧波,并由HB2抽取濾波器幾乎完全消除。圖9.

現(xiàn)在,來(lái)看看AD9680-500的實(shí)際測(cè)量??梢钥吹交l位于–4.94MHz?;l鏡像位于–59.28MHz,幅度為–67.112dBFS,意味著鏡像衰減了大約66dB。二次諧波位于36.38MHz。注意,VisualAnalog無(wú)法正確找到諧波頻率,因?yàn)樗唤馕鯪CO頻率和抽取率。

圖10.信號(hào)經(jīng)過(guò)DDC后的FFT復(fù)數(shù)輸出曲線(NCO=155MHz,4倍抽?。?/p>

如果DDC設(shè)為實(shí)數(shù)輸入和復(fù)數(shù)輸出,并且NCO頻率為155MHz(實(shí)際是154.94MHz),那么從FFT中可以看出AD9680-500的輸出頻譜,而抽取率為4。我鼓勵(lì)大家了解信號(hào)流程圖,理解頻譜是如何偏移和轉(zhuǎn)換的。我還鼓勵(lì)大家詳細(xì)了解本文中的示例,以便理解DDC對(duì)于ADC輸出頻譜的影響。我建議打印圖8并隨時(shí)參考,供分析AD9680、AD9690、AD9691和AD9684的輸出頻譜時(shí)使用。支持這些產(chǎn)品時(shí),我遇到了很多人們認(rèn)為無(wú)法解釋的ADC輸出頻譜相關(guān)的頻率問(wèn)題。然而一旦完成了分析,并通過(guò)NCO和抽取濾波器分析了信號(hào)流,之前認(rèn)為無(wú)法解釋的頻譜雜散便可以證明它們實(shí)際上是確實(shí)應(yīng)當(dāng)存在的信號(hào)。我希望,通過(guò)閱讀和學(xué)習(xí)本文,下次碰到集成DDC的ADC時(shí),您可以更有準(zhǔn)備地處理問(wèn)題。敬請(qǐng)關(guān)注第二部分—我們將從其它方面繼續(xù)討論DDC,以及如何仿真它的行為。我們將討論ADC混疊導(dǎo)致的抽取濾波器響應(yīng),將會(huì)提供更多示例,并使用VirtualEval來(lái)觀察AD9680中的DDC工作情況及其對(duì)ADC輸出頻譜的影響。

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