數字接收機中高性能ADC和射頻器件的動(dòng)態(tài)性能要求
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摘要：基站系統(BTS)需要在符合各種不同標準的同時(shí)滿(mǎn)足信號鏈路的指標要求。本文介紹了一些信號鏈路器件，例如：高動(dòng)態(tài)性能ADC，可變增益放大器，混頻器和本振，詳細介紹了它們在典型的基站中的使用，能夠滿(mǎn)足基站對高動(dòng)態(tài)性能、高截點(diǎn)性能和低噪聲的要求。
大多數字接收機對其采用的高性能模-數轉換器(ADC)及模擬器件的要求都較高。例如，蜂窩基站數字接收機要求有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，以處理較大的干擾信號，從而把電平較低的有用信號解調出來(lái)。Maxim的15位65Msps模數轉換器MAX1418或12位65Msps模數轉換器MAX1211配以2GHz的MAX9993或900MHz的MAX9982集成混頻器，即可為接收機的兩級關(guān)鍵電路提供出色的動(dòng)態(tài)特性，此外，Maxim的中頻(IF)數字可調增益放大器(DVGA) MAX2027和MAX2055能夠在許多系統中提供較高的三階輸出截點(diǎn)(OIP3)，并滿(mǎn)足系統所需要的增益調節范圍。
蜂窩基站(BTS：基站收發(fā)器)由多個(gè)不同的硬件模塊組成，其中之一就是完成RF接收(Rx)及發(fā)送(Tx)功能的收發(fā)器(TRx)模塊。在老式模擬AMPS及TACS BTS中，一個(gè)收發(fā)器只能用于處理一路全雙工Rx和Tx RF載波，若要實(shí)現要求的呼叫覆蓋率就需要很多個(gè)收發(fā)器才能提供足夠的載波。如今在全球范圍內，模擬技術(shù)已被CDMA和WCDMA所取代，歐洲也已在10年前就采用了GSM。在CDMA中，多個(gè)主叫用戶(hù)使用同一個(gè)RF頻率，這樣一個(gè)收發(fā)器就可同時(shí)處理多個(gè)主叫用戶(hù)的信號。截至目前已有多種CDMA和GSM的設計方案，BTS制造商也一直致力于探索可降低成本和功耗的方法，對單載波解決方案進(jìn)行優(yōu)化或開(kāi)發(fā)多載波接收機就是行之有效的方案。圖1是BTS設備常用的欠采樣接收機的結構框圖。 
圖1. 欠采樣接收機結構框圖
圖1中，Maxim的2GHz MAX9993和900MHz MAX9982混頻器可為許多設計提供所需的增益和線(xiàn)性度，而且具有極低的耦合噪聲，這樣就不再需要那些損耗較高的無(wú)源混頻器。MAX2027和MAX2055工作在接收機的第一、二中頻級，此兩款器件在其整個(gè)增益調節范圍內OIP3均可達到+40dBm。在圖1電路中數據轉換器采用的是MAX1418 (15位、65Msps)和MAX1211 (12位、65Msps)，此外Maxim的數據轉換器產(chǎn)品還有其它采樣速率的器件，可滿(mǎn)足大多數設計要求。若將圖1中的第二下變頻器省去(虛線(xiàn)中所示)，那么圖1所示電路就變成了單路下變頻器結構。
Maxim的低噪聲ADC： MAX1418
圖1所示的欠采樣接收機結構對ADC的噪聲和失真有著(zhù)嚴格的要求。在接收機中，電平較低的有用信號單獨被數字化或同時(shí)伴隨有無(wú)用的、需要倍加關(guān)注的大幅度信號，因此要想使接收機正常工作，ADC的有效噪聲系數要按這兩種信號的極端情況(即有用信號最小、無(wú)用信號達到最大值)來(lái)計算。對于小的模擬輸入信號，ADC的噪聲基底中占支配地位的是熱噪聲和量化噪聲，決定了ADC的噪聲系數(NF)。
實(shí)際上，小信號條件下的ADC有效噪聲系數一經(jīng)確定，模擬電路(RF或IF)的級聯(lián)噪聲系數也就隨之確定。ADC前級電路的最小功率增益應滿(mǎn)足接收電路的噪聲系數要求，通常該功率增益值以ADC過(guò)載前接收機所能容許的最大阻塞電平或最高干擾電平為上限。在BTS中，如果不采用自動(dòng)增益控制(AGC)，ADC的動(dòng)態(tài)范圍一般無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足電路噪聲系數(接收機靈敏度)和最大阻塞兩方面的要求，AGC電路可以放在RF級或IF級電路中，也可在兩級電路中同時(shí)包含AGC電路。
MAX1418系列的其它產(chǎn)品對fINPUT = fCLOCK/2的基帶應用特別適用。當轉換器工作在這個(gè)頻率范圍內，采用這些基帶特性極佳的器件，將具有最佳的動(dòng)態(tài)范圍。這些產(chǎn)品中包括針對65Msps時(shí)鐘速率的MAX1419及針對80Msps時(shí)鐘速率的MAX1427，它們的基帶SFDR (無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍)均可達到94.5dBc。
表1所列是MAX1418的主要技術(shù)參數：
表1. MAX1418電特性
| Parameter | Condition | Symbol | Typ Value | Units |
| Resolution | N | 15 | Bits | |
| Analog Input Range | VID | 2.56 | VP-P | |
| Differential Input Resistance | RIN | 1 | kΩ | |
| AC Specifications | fCLK = 65Msps | |||
| Thermal + Quantization Noise Floor | Analog input = -35dBFS | Nfloor | -78.2 | dBFS |
| Signal-to-Noise Ratio Analog in = -2dBFS | fIN = 70MHz | SNR | 73.6 | dB |
| Spurious-Free Dynamic Range Analog in = -2dBFS | fIN = 70MHz | SFDR | 84 | dB |
| Signal-to-Noise-and-Distortion Analog in = -2dBFS | fIN = 70MHz | SINAD | 73.3 | dB |
不接LSB時(shí)，MAX1418也可以與14位接口器件一起工作，這樣應用時(shí)，SNR會(huì )有輕微的損失，而SFDR則不受影響。
圖2給出了無(wú)阻塞情況下ADC的噪聲分布，這里假定在A(yíng)DC之前的所有模擬電路的總級聯(lián)噪聲系數為3.5dB，同時(shí)假定設計目標是ADC導致的總噪聲系數的惡化不超過(guò)0.2dB，以滿(mǎn)足CDMA基站接收機的靈敏度要求。這樣一個(gè)噪聲系數值應該為空中接口留有足夠的余量，不過(guò)最終結果取決于末級檢波器的Eb/No (比特能量與噪聲功率頻譜密度的比值)的要求?；诒?的MAX1418的熱噪聲 + 量化噪聲基底,當器件時(shí)鐘為61.44Msps (50x碼片率)時(shí)，其等效噪聲系數為26.9dB。由于采用了過(guò)程增益控制，1.23MHz CDMA頻道帶寬下的ADC噪聲比Nyquist寬帶下的ADC噪聲低14dB。一般情況下，為了獲得3.7dB的接收機級聯(lián)噪聲系數,總增益要達到36dB。
圖2. 無(wú)阻塞情況下的ADC噪聲分布
當ADC前端增益為36dB時(shí),天線(xiàn)端超過(guò)-30dBm的單音阻塞電平將超出ADC的輸入量程。cdma2000®蜂窩基站標準規定，天線(xiàn)端允許的最大阻塞電平為-30dBm，此時(shí)，前端增益就需要降低6dB，這樣在標準規范允許的余量范圍之內,允許加到ADC上的最大阻塞信號更大一些。假設留有2dB的余量，前端增益減小6dB就可使天線(xiàn)端的最大阻塞電平變?yōu)?26dBm，ADC的最大允許輸入信號變?yōu)?4dBm (見(jiàn)圖3)。當出現單音阻塞時(shí)，蜂窩標準允許總的干擾(噪聲+失真)相對于參考靈敏度來(lái)說(shuō)惡化3dB，可這3dB在噪聲和失真之間如何分配就留給了設計人員。
假設：出現阻塞信號時(shí)，AGC增益為6dB，設計允許RF前端級聯(lián)噪聲加失真可以使NF下降1dB (標稱(chēng)值為3.5dB)。當ADC前端增益僅為30dB時(shí)，ADC的SNR決定了其有效噪聲系數為29.4dB，級聯(lián)接收機在'阻塞條件'下的噪聲系數為5.7dB，這比根據接收機靈敏度計算出來(lái)的3.7dB的噪聲系數低了2dB。由于在此計算當中未將雜散特性考慮在內，ADC的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)還允許額外降低1dB。當存在阻塞信號時(shí)，SINAD可被用于計算有效NF，不再分別計算噪聲和SFDR基值。
圖3. 出現阻塞情況下的ADC噪聲響應
MAX1211允許一次下變頻結構
如果在較高的IF段能夠獲得足夠的SNR和SFDR指標，欠采樣電路可以用于一次下變頻結構。Maxim的MAX1211 12位、65Msps轉換器就是采用這一結構設計的，它的引腳與即將推出的80Msps及95Msps轉換器兼容，此系列器件可對頻率高達400MHz的輸入信中頻號進(jìn)行直接采樣，此外，它還具有其它先進(jìn)的性能，如時(shí)鐘輸入可以是差分信號也可是單端信號，時(shí)鐘占空比可以在20%到80%之間，另外，還設計有數據有效指示器(以簡(jiǎn)化時(shí)鐘及數據時(shí)序)，采用小型40引腳QFN (6mm x 6mm x 0.8mm)封裝，二進(jìn)制補碼和格雷碼數字輸出格式。表2列出了模擬輸入頻率為175MHz時(shí)MAX1211的典型交流特性。
表2. MAX1211電特性
| Parameter | Condition | Symbol | Typ Value | Units |
| Resolution | N | 12 | Bits | |
| Analog Input Range | VID | 2 | VP-P | |
| Differential Input Resistance | RIN | 15 | kΩ | |
| AC Specifications | fCLK = 65Msps | |||
| Thermal + Quantization Noise Floor | Analog input = -35dBFS | Nfloor | 69.3 | dBFS |
| Signal-to-Noise Ratio Analog in = -0.2dBFS | fIN = 32.5MHz fIN = 175MHz | SNR | 68.3 66.8 | dB |
| Spurious-Free Dynamic Range Analog in = -0.2dBFS | fIN = 32.5MHz fIN = 175MHz | SFDR | 82.4 79.7 | dB |
| Signal-to-Noise-and-Distortion Analog in = -2dBFS | fIN = 32.5MHz fIN = 175MHz | SINAD | 68.1 66.5 | dB |
較之兩次變頻結構，一次變換器具有明顯的優(yōu)勢。由于省去第二級下變頻混頻器、第二級中頻增益電路以及第二級LO合成器，元件數量及電路板空間可減少約10%，節約成本$10至$20。
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