LQFP中IF數(shù)字化子系統(tǒng)簡化的高性能窄帶接收機(jī)設(shè)計(jì)

移動(dòng)無線電用于公共安全和緊急服務(wù) - 例如警察，消防和救護(hù)車 - 以及私人服務(wù)，例如車隊(duì)管理。為了提供增強(qiáng)的服務(wù)，以及更高的頻譜效率和覆蓋范圍，這些無線電的設(shè)計(jì)越來越多地從傳統(tǒng)的基于模擬的調(diào)制方案（如FM和PM）轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字調(diào)制方法。

這些無線電的接收器必須能夠在存在大干擾信號(hào)的情況下準(zhǔn)確地?cái)?shù)字化低電平高頻信號(hào)。在使用某些窄帶移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的無線電中，干擾信號(hào)可比所需信道大70 dB，頻率偏移小至25 kHz。由于這些系統(tǒng)通常不是蜂窩式的，因此移動(dòng)無線電的地理覆蓋范圍也是一個(gè)重要特征 - 它們必須具有出色的靈敏度，以恢復(fù)源自覆蓋范圍邊緣的用戶的低電平信號(hào)。作為進(jìn)一步的復(fù)雜性，這些無線電通常是便攜式的，具有高使用率;他們要求使用體積更小，壽命更長的電池來降低功耗。

為了幫助設(shè)備設(shè)計(jì)人員，ADI公司推出了AD9870 IF數(shù)字化子系統(tǒng)，這是一款專為滿足移動(dòng)無線電和類似設(shè)備的苛刻要求而設(shè)計(jì)的IC采用模擬和/或數(shù)字調(diào)制方案的超外差架構(gòu)的窄帶無線電應(yīng)用。 AD9870集成了整個(gè)IF條帶，外部元件極少。它可以接受頻率高達(dá)300 MHz的IF信號(hào)，帶寬高達(dá)150 kHz，并提供包含16位I和Q數(shù)據(jù)的串行數(shù)據(jù)輸出，然后可以使用主機(jī)處理器進(jìn)行解調(diào)。 AD9870適用于基站和用戶單元，將基站所需的動(dòng)態(tài)范圍與便攜式無線電所需的低功耗相結(jié)合。

所有接收器的主要問題是動(dòng)態(tài)范圍

接收器的動(dòng)態(tài)范圍決定了它在存在較大信號(hào)時(shí)恢復(fù)低電平信號(hào)的能力，稱為阻斷器和干擾源。圖1顯示了可以降低任何無線電接收器有效動(dòng)態(tài)范圍的各種信號(hào)源。

假設(shè)當(dāng)前頻譜中存在的唯一信號(hào)是“小目標(biāo)信號(hào)”。最小可檢測信號(hào)或靈敏度將由信號(hào)帶寬（B），接收器的檢測閾值（SNRMIN），接收器的噪聲系數(shù)（NF）決定。 ）和固有的熱噪聲限制（kTB）。在290 K的溫度下，可以使用以下等式估算靈敏度：

靈敏度=SNRMIN+ 10log（B）+NF+（ - 174 dBm / Hz）

以下是一些潛在的噪聲源：

如果在下變頻之前對(duì)目標(biāo)信號(hào)應(yīng)用的增益不足，則低頻1 / f噪聲成為一個(gè)問題低于工藝技術(shù)1 / f角落的頻率。由偏移和二階失真引起的直流分量也可能存在問題。

大型干擾源的能量可以通過接收器LO的相位噪聲在很寬的頻率范圍內(nèi)擴(kuò)展，通過稱為“互惠混合”的過程。干擾信號(hào)越大，它越接近目標(biāo)信號(hào)，目標(biāo)信號(hào)越有可能被這種噪聲傳遞機(jī)制破壞。此外，如果此干擾源足夠大以在接收器的前端電路中引起非線性，則雜散分量可能會(huì)混合回目標(biāo)信號(hào)的通帶。 “半中頻”問題是困擾二階線性度較差的接收機(jī)的特殊情況，其中在LO和目標(biāo)信號(hào)之間的中間干擾產(chǎn)生二階分量，其與LO的二次諧波混合以產(chǎn)生刺激落在目標(biāo)信號(hào)上。接收器的IIP2規(guī)范允許接收器設(shè)計(jì)者量化“半中頻”雜散。干擾水平，PIN與產(chǎn)生的二階雜散之間的差異或Δ是IIP2-PIN。由于IIP2為45 dBm，AD9870幾乎不受這種“半中頻”問題的影響。

來自目標(biāo)信號(hào)的等間隔頻率偏移（即f0+Δ和f0+2Δ）的兩個(gè)大干擾通過互調(diào)過程導(dǎo)致雜散成分落在目標(biāo)信號(hào)之上。在這種情況下，接收器的線性度在其IIP3規(guī)范中被捕獲，較高的數(shù)字表示對(duì)三階互調(diào)的較高容差。兩個(gè)相等干擾源PIN之間的差值或Δ，以及得到的三階互調(diào)分量，是2×（IIP3-PIN）。 AD9870具有-1 dBm的可觀IIP3，因此可以在降低接收器靈敏度之前容忍高達(dá)-45 dBm的干擾。

超外差架構(gòu)

應(yīng)對(duì)大干擾，否則降低接收機(jī)恢復(fù)目標(biāo)低電平信號(hào)的能力，超外差架構(gòu)用于將RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)或多個(gè)中頻（IF），其中相鄰干擾信號(hào)的濾波以及相鄰干擾信號(hào)的放大和增益控制。目標(biāo)信號(hào)更實(shí)用。超外差方案自第一次世界大戰(zhàn)以來一直在使用，直到今天仍是最受歡迎的無線電接收機(jī)架構(gòu)。采用這種架構(gòu)的通用版本，在窄帶數(shù)字接收器中很常見，如圖2中的信號(hào)鏈所示。

在RF到IF下變頻之前，頻段選擇濾波器（雙工器）和/或鏡像抑制濾波器選擇目標(biāo)信號(hào)在其中工作的整個(gè)RF頻帶。低噪聲放大器（LNA）在降頻轉(zhuǎn)換之前提供預(yù)期RF頻段的放大，對(duì)于確定接收機(jī)的靈敏度至關(guān)重要。 RF混頻器之后的下變頻IF頻譜通常包含除目標(biāo)信號(hào)之外的不同強(qiáng)度的信號(hào)陣列。信道選擇和放大發(fā)生在IF：通過一個(gè)或多個(gè)晶體或SAW型無源濾波器從其他信號(hào)中選擇目標(biāo)信號(hào)。在濾波之后，目標(biāo)信號(hào)經(jīng)歷進(jìn)一步放大，其信號(hào)強(qiáng)度通過AGC環(huán)路穩(wěn)定在預(yù)設(shè)水平，以優(yōu)化正交解調(diào)過程。在許多數(shù)字接收機(jī)中，IF模擬正交調(diào)制器將IF信號(hào)分離為其正交基帶I和Q分量，然后由雙ADC進(jìn)行數(shù)字化。在這種情況下，解調(diào)信號(hào)的調(diào)制精度對(duì)于正交調(diào)制器和雙ADC中的模擬失調(diào)，正交LO失配和I / Q增益失配非常敏感。

AD9870架構(gòu)

AD9870 IF數(shù)字化子系統(tǒng)通過集成大部分IF，基帶和一些數(shù)字后處理功能模塊，降低了典型超外差接收器的復(fù)雜性，如圖3所示。 / p>

AD9870與典型的超外差架構(gòu)不同之處在于采用寬動(dòng)態(tài)范圍帶通Σ-ΔADC來采樣第二IF信號(hào)以及任何相鄰信號(hào)干擾。目標(biāo)IF信號(hào)的解調(diào)以數(shù)字精度和穩(wěn)定性進(jìn)行，而附近的干擾源可以通過數(shù)字濾波得到抑制。

圖4顯示了AD9870的功能框圖。與超外差結(jié)構(gòu)的RF部分類似地起作用，使用LNA和混頻器將以第一中頻的中心頻率的目標(biāo)信號(hào)放大和下變頻到適合于數(shù)字化的較低的第二IF。帶通ADC。

LNA和混頻器提供大約10.5 dB的增益，同時(shí)保留系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，輸入噪聲系數(shù)為9 dB，三階截距為0 dBm。高輸入阻抗（360歐姆）簡化了與晶體或SAW濾波器的接口。片上LO PLL合成器可與外部環(huán)路濾波器和VCO結(jié)合使用，以產(chǎn)生可調(diào)LO頻率。

第二中頻信號(hào)正好以1為中心/ 8帶通ADC采樣率（即IF2=?CLK/ 8）允許簡單的?s < / sub> / 8數(shù)字正交解調(diào)方案。在向下轉(zhuǎn)換到第二個(gè)IF時(shí)，信號(hào)由可調(diào)（可編程）有源三階抗混疊濾波器（AAF）處理，以抑制可能的信號(hào)出現(xiàn)在采樣ADC的別名帶內(nèi)（即N×?CLK/ 8±?CLK/ 8.AAF調(diào)諧電路可以支持ADC采樣率介于13和18 MHz之間，通常將3 dB截止頻率設(shè)置并調(diào)整為略高于第2 IF（即，?-3dB =?CLK/3.2）。

在AAF中嵌入一個(gè)可變增益放大器（VGA），可提供高達(dá)26 dB的增益范圍（圖5）。增益可以擴(kuò)展AD9870的動(dòng)態(tài)范圍，可以直接編程或通過自動(dòng)增益控制（AGC）環(huán)路控制。通常在強(qiáng)信號(hào)條件下調(diào)用AGC環(huán)路，以防止A /的“過載”或削波通過在ADC輸入端保持可編程固定信號(hào)電平來實(shí)現(xiàn)D轉(zhuǎn)換器.AD9870實(shí)現(xiàn)了AGC的樂趣采用高效混合方法，如圖5所示：模擬和數(shù)字域在信號(hào)估計(jì)和控制中協(xié)同工作。

在強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)或干擾信號(hào)落入第一級(jí)20抽取數(shù)字濾波器的帶寬內(nèi)的情況下，數(shù)字估計(jì)信號(hào)并與編程參考電平（AGCR）進(jìn)行比較。兩個(gè)電平之間的差異被饋送到數(shù)字積分器，數(shù)字積分器更新控制DAC以調(diào)整VGA的模擬電壓。由于無法準(zhǔn)確估計(jì)落在第一級(jí)數(shù)字濾波器通帶之外的強(qiáng)干擾信號(hào)，因此基于簡單差分比較器的模擬環(huán)路監(jiān)視ADC的輸入，并在任何超量程條件下控制環(huán)路，以減少VGA增益。

外部電容用于平滑DAC的轉(zhuǎn)換，其時(shí)間常數(shù)由其電容和DAC的內(nèi)部源電阻確定。 R-C截止頻率通常設(shè)置在控制系統(tǒng)的環(huán)路帶寬之外，以確保對(duì)環(huán)路動(dòng)態(tài)的連續(xù)數(shù)字控制?？刂骗h(huán)路帶寬可進(jìn)行數(shù)字編程，可在很寬的范圍內(nèi)改變攻擊和衰減時(shí)間，并能夠?qū)θ魏芜^載情況作出反應(yīng)。

包含VGA的任何窄帶接收器信號(hào)鏈的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍取決于VGA的特定增益設(shè)置，因?yàn)樾盘?hào)路徑中每個(gè)級(jí)所貢獻(xiàn)的噪聲與“整體”輸入?yún)⒖荚肼暤谋嚷孰S著前一級(jí)的增益的增加而減小。這意味著由其噪聲系數(shù)NF描述的輸入噪聲通常由前幾個(gè)階段（即LNA和混頻器）控制，并且信號(hào)鏈末端的噪聲源（即ADC）對(duì)系統(tǒng)的影響最小。 NF，提供這些塊之間有足夠的增益。

對(duì)于AD9870，VGA的增益在25 dB范圍內(nèi)名義上可調(diào)。圖6顯示了AD9870的噪聲系數(shù)如何受VGA增益設(shè)置的影響，因?yàn)槟繕?biāo)信號(hào)（或干擾源）的輸入功率從-85 dBm增加到-23 dBm。在小信號(hào)條件下，VGA設(shè)置為最大增益; AD9870的噪聲系數(shù)由LNA /混頻器以及VGA的輸入噪聲設(shè)置。但是，隨著信號(hào)功率的增加，它會(huì)達(dá)到一個(gè)點(diǎn)（取決于AGC參考電平），VGA的增益開始下降，以防止ADC削波。此時(shí)，隨著信號(hào)功率的進(jìn)一步增加，VGA增益降低，dB為dB。此外，在該區(qū)域中，ADC的輸入信號(hào)電平保持恒定，ADC的噪聲開始占主導(dǎo)地位，因此系統(tǒng)的NF也以每dB 1 dB的速率降低。隨著信號(hào)功率持續(xù)增加，達(dá)到一個(gè)點(diǎn)（即-26 dBm），在該點(diǎn)處VGA的增益被設(shè)置為其絕對(duì)最小值，并且在ADC輸入處看到信號(hào)電平的進(jìn)一步增加，直到發(fā)生削波（即， -24 dBm）。

AD9870的“核心” - 使得低二次IF數(shù)字化方法在用于需要高動(dòng)態(tài)范圍和最小功耗的無線電系統(tǒng)的IC中可行且實(shí)用 - 是帶通Σ-ΔADC（圖7）。該ADC與后端數(shù)字抽取濾波器一起，在10 kHz帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了近14.5-ENOB性能，同時(shí)采樣中心頻率高達(dá)2.25 MHz的信號(hào)。它實(shí)現(xiàn)了這些規(guī)格，同時(shí)從3.0 V電源僅消耗13 mA。

sigma-delta ADC基于4階開關(guān)電容，多位調(diào)制器組成兩個(gè)級(jí)聯(lián)諧振器在噪聲傳遞函數(shù)（NTF）中提供兩對(duì)復(fù)零，落在?CLK/ 8附近。這些復(fù)數(shù)零點(diǎn)在第二IF頻率處的位置以及多位反饋路徑有助于確保在較窄區(qū)域內(nèi)的低本底噪聲（±sub / 8）圍繞第二IF頻率。

來自ADC的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)被送入AD9870的數(shù)字信號(hào)處理部分（圖8）。本節(jié)包含一個(gè)?CLK/ 8復(fù)數(shù)（或正交）解調(diào)器，后面是三個(gè)線性相位FIR濾波器。復(fù)合解調(diào)器在濾波之前將以CLK/ 8為中心的目標(biāo)2nd-IF信號(hào)分離為其I / Q分量。

復(fù)合解調(diào)器的輸出頻譜包括目標(biāo)信號(hào)，現(xiàn)在以“dc”為中心，以及在模擬域中未充分濾除的任何不需要的干擾和/或噪聲。一系列抽取濾波器可以去除這些不需要的組件，同時(shí)根據(jù)目標(biāo)信道的帶寬降低數(shù)據(jù)速率。取決于調(diào)制方案，復(fù)數(shù)據(jù)速率（因此抽取因子）被設(shè)置為比信道帶寬大至少兩倍，以允許進(jìn)一步的后處理。 DEC1和DEC2都使用級(jí)聯(lián)的4階梳狀濾波器拓?fù)? DEC2的抽取系數(shù)是用戶可編程的，以適應(yīng)不同的信道帶寬。 DEC3是一個(gè)抽空3的FIR濾波器;它設(shè)置了復(fù)合濾波器的近端過渡帶特性。 DEC3的16位I-and-Q輸出饋入同步串行接口（SSI）功能，該功能將數(shù)據(jù)格式化為串行比特流并嵌入其他可選信息，如AGC，信號(hào)強(qiáng)度和同步 - 進(jìn)入比特流。

可用性

AD9870于2001年冬季上市。它采用48引腳LQFP封裝，單價(jià)為16.96美元，單位為1,000片。 AD9870數(shù)據(jù)手冊可在ADI公司網(wǎng)站上找到。還提供評(píng)估板和相關(guān)軟件。

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