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引言
在當今這個數(shù)字內(nèi)容、互聯(lián)網(wǎng)用戶和物聯(lián)網(wǎng)設備大爆炸的世界，人們對擴展通信網(wǎng)絡能力的需求越來越高。為了滿足這種需要，Teledyne e2v一直探索數(shù)字微波采樣的前沿技術，最近已在實驗套件上成功驗證。它可支持K波段的直接數(shù)字下變頻。這是今年的早些時候在ESA MTT workshop提出的使用EV12DS480寬帶DAC實現(xiàn)直接K波段綜合的工作的后續(xù)進展，在技術論文1和最近的網(wǎng)絡研討會2上有進一步的描述。
項目目的
這個項目的目標是實現(xiàn)24GHz的模擬前端，支持微波K 波段（即頻率范圍18到27GHz）信號能量的直接數(shù)字化。目標的無雜散動態(tài)范圍（SFDR）優(yōu)于50 dBc。
微波前端板（FEB）的開發(fā)和兩個現(xiàn)有的GHz的高速器 件相關，這兩個器件由Teledyne Scientific和Teledyne e2v分別開發(fā)。測試實驗運行在高性能FEB上，整合了12位寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器EV12AQ600和超高頻雙路追蹤保持放大器（THA）RTH120。
前者的采樣率高達6.4 Gsps，全功率輸入信號帶寬高達6.5 GHz。而追蹤保持器的帶寬高達24 GHz，并且擁有優(yōu)異的線性度性能。因此，通過應用奈奎斯特定理并選擇合適的采樣頻率，這套設備可直接從K波段下變頻到 基帶，從而使ADC直接采集有用的信號，無需額外的下變頻電路。這一方案的指導原則是用途廣泛的軟件定義微波接收器，它提高了射頻系統(tǒng)設計的敏捷度，同時簡化了射頻信號采集系統(tǒng)的設計，并潛在地降低了功耗。另外，我們也希望通過這個項目，在未來確實降低實際應用的功耗。
器件的核心參數(shù)
EV12AQ600 ADC
? 四核ADC，支持
1、2或4通道工作
? 交織模式的采樣率高達6.4 Gsps
? 6.5 GHz 輸入帶寬（-3dB）
? 集成的寬帶交叉點開關
? 支持多通道同步的同步鏈特性
RTH120 THA
? 24 GHz 輸入帶寬
? 雙THA使得輸出可保持超過半個時鐘周期
? 全差分設計
這篇文檔描述了研究的狀態(tài)和最新的發(fā)現(xiàn)，并提出了需改進的部分。
我們將進行的一系列測試的目的是找出當今K波段（18到27GHz）直接下變頻技術的不足。從下列初始的無雜散動態(tài)范圍測試中可以發(fā)現(xiàn)三個問題：
? 輸入信號功率對THA性能的影響
? 當工作在高奈奎斯特域時，低頻校準對ADC交織性能的影響
? 在高奈奎斯特域采樣時，ADC內(nèi)部積分非線性（INL）錯誤的影響
最后，Teledyne e2v希望這個項目得出的結(jié)論對下一代K波段產(chǎn)品的設計有一些指導意義。
項目開始
前端板（FEB）的基本框圖如圖1所示。FEB被設計成包含寬帶ADC和用作輸入級的THA。仔細觀察圖2的FEB，會發(fā)現(xiàn)它包含了一些額外的支持器件，包括一個功分器、一個移相器和一些巴倫。板子還提供了兩路獨立的輸入：一路繞過RTH120，優(yōu)化第一和第二奈奎斯特域采樣高達6GHz的性能（圖中未畫出）；另一路用于6 到24GHz的寬帶操作。在項目開始時，RTH120還是一 款正在經(jīng)歷優(yōu)化的試生產(chǎn)產(chǎn)品。
這個實驗系統(tǒng)初始的ADC默認配置如下：
? 輸入帶寬 （6.5 GHz）
? 一通道模式，所有四個核心交織成最大采樣率（例如6.4Gsps）
? 采樣頻率設置成5Gsps
? 交織校準按照數(shù)據(jù)手冊中標準默認的設置配置，在下文中都稱之為CalSet0
第一次動態(tài)測試的結(jié)果
FEB的初始測試表現(xiàn)出波動的無雜散動態(tài)范圍
?。⊿FDR）響應（圖3）。在不同的ADC信號滿刻度范圍
?。⊿FSR）進行兩次獨立的掃頻。掃頻覆蓋的信號頻率超過30GHz。圖3放大了17GHz到25GHz的范圍。
檢查初始結(jié)果
SFDR的特性有很大的分析價值，并為未來的動態(tài)性能提升提供了參考。從這些結(jié)果（圖3）可以看出：
? 低輸入信號功率的SFDR平坦度更好（圖3比較了-7dBFS和-13dBFS的結(jié)果）
? 初始的實驗配置難以實現(xiàn)我們預期的50dBc SFDR的目標
提高性能的第一步是找出限制SFDR的信號雜散。下圖（圖4）標出了輸入電平-7dBFS和-13dBFS時主要的雜散，用dBFS表示。
從上圖可以看出，對于不同的頻率范圍和輸入幅度，變化的雜散頻率分量可以看作SFDR波動的原因，請參考圖中最大雜散的曲線。圖中也標注了二次諧波（H2）和三次諧波（H3）以及采樣時鐘（Fc/4）的影響。仔細觀察，您還會發(fā)現(xiàn)：
? 從最大雜散（深色曲線）可以看出，H2是最主要的影響因素，特別是對于-7dBFS。
? 如果H2可以被改進，下一個影響最大的因素顯然是Fc/4 性能，它對小信號曲線（-13dBFS）的影響很大。但 是，對于上面兩種信號功率，F(xiàn)c/4限制SFDR大約在58dBFS（在18GHz到22GHz之間）。如果不改進這個問題，很難進一步提高動態(tài)性能。Fc/4的問題表明多個ADC核心交織可能產(chǎn)生的一些問題。雜散信號的根源是偏置不匹配。
? 通過優(yōu)化，-13dBFS的SFDR有可能達到50到60dBc之間。
根據(jù)產(chǎn)品資料，唯一提升THA性能（通過降低H2）的方法是降低輸入信號電平。這對SFDR受H2限制的場合很有用，例如-7dBFS的SFSR時19.5GHz以下或21.5GHz以上的范圍。
優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能
另一方面，ADC可提供默認工作方式以外的多種自由的配置。初始的測試表明核心交織的精度問題，這并不奇怪。標準的交織校準（ILG）是在工廠的產(chǎn)品測試時完成的。顯然，它按照基帶工作優(yōu)化，并不適用于這種大帶寬的應用。
ADC交織的詳細測試表明，雜散的最大的來源是偏置不匹配。 我們測量了一系列頻率的偏置影響，通過仔細的調(diào)整，大幅地降低了Fc/4雜散（圖5）。對于K波段的應用，21.5GHz的校準得到了非常好的結(jié)果。
校準前和校準后系統(tǒng)的K波段性能如圖5所示。上面的曲線是默認設置（CalSet0）的結(jié)果，下面的曲線是改進的高頻校準的結(jié)果。通過后者的校準，偏置、增益和相位不匹配都得到了補償。在整個K波段，系統(tǒng)的SFDR提高了將近15dB，這是一個巨大的進步。
交織校準之后
對于某些頻點，H2較低而H3變成了主導因素，如圖4中21GHz附近的點。在這種情況下，我們需要通過INL的校準進一步降低ADC的雜散。
圖 6 - INL校準對H3的影響
雖然進一步提升性能的選項不多，但顯然ADC積分非線性（INL）的性能會影響H3。和交織（ILG）類似，產(chǎn)品測試時的INL校準通常是針對基帶工作優(yōu)化的。Teledyne 的測試工程師認為，如果針對高奈奎斯特域重新校準INL，將進一步改善動態(tài)性能。
調(diào)整INL并不是用戶可以通過程序完成的工作，也不應當是。這種調(diào)整極具挑戰(zhàn)性。從原理上說，提升理想轉(zhuǎn)換器模型的INL有可行且有限的方法。工程師需要搭建測試設備以實現(xiàn)這些調(diào)整方法。
通過盡可能降低高頻INL，我們把17到25GHz范圍里的H3優(yōu)化了3到5dB（圖6）。
INL是什么？對ADC而言，INL量化了器件和理想直線轉(zhuǎn)換函數(shù)之間的最大偏差。按照電子器件的精度，轉(zhuǎn)換器全刻度范圍的INL期望達到優(yōu)于0.5LSB。事實上，這對于寬帶交織系統(tǒng)而言是不可能實現(xiàn)的。以EV12AQ600為例，全交織模式的INL在Fin=100MHz時是+/-4.5LSB。
圖 7 - 校準前和校準后的K波段SFDR
測試結(jié)論
如前所述，這個項目的目的是評估是否可以達到K波段的理想的動態(tài)采樣性能。更確切地說，我們能否在18到22GHz之間實現(xiàn)最少50dBc的性能？盡管我們在測試的前期遇到一些硬件問題，初始的測試結(jié)果也不盡如人意， 但我們最終通過合理的方法大幅提升了性能。最終的曲線（圖7）展示了目標輸入頻率范圍內(nèi)的SFDR性能?？梢钥闯觯?/p>
? 在19.2到21.5GHz之間SFDR的顯著提升（最多提升了15到18dBc）
? 在19到21.5GHz之間SFDR超過50dBcFEB上來自20.478GHz下變頻的單音信號的頻譜特性如下圖所示。
圖 8 - 實驗板FEB的下變頻到基帶的20.478GHz的頻譜
這些結(jié)果表明：
? 對于-13dBFS的輸入信號功率，在20.478GHz處能達到大約54dBc的SFDR
? Fc/4和相關的雜散依然是影響采樣頻譜的主要因素（@-67dBFS），其他的雜散（Fc/4±Fin， H2和H3）降低到小于-69dBFS
? 我們已經(jīng)超過預計的目標，即在19到21.75GHz之間實現(xiàn)最小50dBc的SFDR
未來的展望
上述的結(jié)果是從FEB樣機上得出的，而FEB樣機有一些已知的缺陷。顯然，時鐘分配的問題可能降低THA的動態(tài)性能。我們正在研發(fā)一款改進的FEB，預計提供更好的動態(tài)性能，并降低H2雜散。另外，這塊板子會提供直接的輸入并繞過THA，以優(yōu)化基帶性能。預計在2020年，在完成新板子的進一步的測試之后，我們會公布這個實驗的后續(xù)進展。
這個項目是Teledyne e2v邁向整合的K波段直接采樣方案的第一步。除了提供新的能力，這個項目也幫助我們提升了項目的工程經(jīng)驗。這次的工作使我們深入了解了復雜交織模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器核心的高頻優(yōu)化問題，特別是高奈奎斯特域校準的折中方案和INL、ILG的優(yōu)化。Teledyne e2v也提高了其未來高端寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能上限。
參考文獻：
? 1 Teledyne e2v， “Microwave DAC simplifies direct digital synthesis from DC to 26.5 GHz covering X-， Ku-， and K-bands”， 2016.
? 2 IEEE Webinar： “12-bit 8 GSps DAC enabling signal generation up to K-band”， by R. Pilard. 2019
工商網(wǎng)監(jiān)
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