Новые радиочастотные ЦАП расширяют горизонты программно-определяемых радиосистем

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2017

Daniel E. Fague, Analog Devices

Analog Dialogue

Высокоскоростные преобразователи данных, используемые в коммуникационных приложениях на протяжении многих лет, можно найти в большей части оборудования, которое составляет основу нашего коммуникационного мира – от базовых станций сотовой телефонной связи до оконечного кабельного оборудования радаров и специализированных систем связи. Благодаря последним технологическим достижениям тактовая частота таких преобразователей данных постоянно смещалась в область все более высоких частот. В сочетании с высокоскоростным последовательным интерфейсом JESD204B, обеспечивающим возможность практического управления и передачи выходных данных, эти преобразователи с увеличенной тактовой частотой образуют новый класс приборов, называемых РЧ (радиочастотными) преобразователями данных. Они способны непосредственно синтезировать или обрабатывать РЧ сигналы без обычных повышающих или понижающих преобразователей в цепи прохождения аналогового радиосигнала.

В этой статье основное внимание будет уделено новому семейству РЧ цифро-аналоговых преобразователей (РЧ ЦАП) AD9162 и AD9164 и их возможности расширить круг устройств, попадающих под определение программно-определяемых радиосистем. AD9164 поднимает на новый уровень функциональность РЧ ЦАП и позволяет делать традиционные радиосистемы более эффективными, чем с ЦАП РЧ класса или ПЧ класса предыдущих поколений. Сочетание лучших в мире характеристик и богатого набора функций делает AD9164 естественным выбором для переключения контекста с одной системы радиосвязи на другую и на шаг приближает нас к миру настоящего программно-определяемого радио.

Введение

В качестве одних из основных строительных блоков проводных или беспроводных каналов связи в стандартном радиооборудовании использовались высокоскоростные преобразователи данных в сочетании с квадратурными модуляторами. На пути от цифровой обработки до аналоговых сигналов реального мира и обратно в радиосистемах классической архитектуры – гетеродинных, супергетеродинных и прямого преобразования – и передатчику, и приемнику необходимы преобразователи данных. Усовершенствования в области преобразования данных, наряду с технологиями фильтрации и усиления мощности, задают темпы развития в сфере проектирования радиосистем.

Классический передатчик содержит набор показанных на Рисунке 1 высокоскоростных ЦАП, обрабатывающих сигналы основной полосы частот. Цифровые данные основной полосы передаются через два синхронизированных высокоскоростных преобразователя данных, при этом синфазная составляющая сигнала проходит через I ЦАП, а квадратурная – через Q ЦАП. Выходные сигналы этих ЦАП направляются в квадратурный модулятор. В зависимости от типа модулятора, его выходным сигналом могут быть колебания на низкой промежуточной частоте, например, от 200 МГц до 400 МГц, на высокой промежуточной частоте, скажем, от 500 МГц до 1 ГГц, или даже на радиочастоте в диапазоне от 1 ГГц до 5 ГГц. На Рисунке 1 показана последовательность этапов преобразования с повышением до окончательной частоты. Полученный сигнал фильтруют с помощью полосового фильтра, а затем пропускают через усилитель мощности и другой полосовой фильтр, который может быть, например, частью антенного переключателя.

Рисунок 1.	Иллюстрация классического супергетеродинного передатчика, основанного на высокоскоростных преобразователях данных.

Мгновенная ширина полосы частот сигналов, обрабатываемых радиоустройствами такой архитектуры, составляет от десятков до нескольких сотен МГц, и ограничивается в основном полосами пропускания преобразователя, усилителя мощности и фильтров. Этого недостаточно для некоторых систем, таких, например, как новые СВЧ ретрансляторы E-диапазона, которым требуются каналы шириной 500 МГц, 1 ГГц, или даже 2 ГГц. В случае многодиапазонного радио, подобного тому, которое часто используется в беспроводной инфраструктуре базовых станций, для поддержки некоторых комбинаций каналов могут потребоваться полосы одинаковой ширины 500 МГц или 700 МГц, а иногда и 1 ГГц. В обычных радиосистемах эта проблема решается объединением двух радиостанций, по одной для каждой полосы. Возможно, с точки зрения стоимости, размеров или каких-либо других критериев, более целесообразным решением было бы объединение радиостанций в одну радиочастотную цепь. В этом случае необходим новый подход.

Новейшие технологии

На протяжении долгого времени основное внимание в развитии технологии высокоскоростных преобразователей уделялось повышению скорости преобразования данных при сохранении неизменного уровня комплексного показателя качества. Комплексный показатель качества включает в себя такие элементы, как спектральная плотность шума и динамический диапазон без паразитных составляющих. Столь же важны и интермодуляционные искажения, как однотональных, так и модулированных сигналов, используемых, например, в распространенных системах беспроводной связи GSM, 3G (WCDMA) и 4G (OFDM), а также в кабельных приложениях, где применяется квадратурная модуляция 256 QAM.

Более высокая скорость преобразования данных дает разработчику радиосистем целый ряд преимуществ. Во-первых, образ сигнала смещается выше по частоте, что упрощает реализацию аналогового восстанавливающего фильтра. Кроме того, более высокие частоты обновления расширяют первые зоны Найквиста, что, в свою очередь, позволяет преобразователю непосредственно синтезировать более высокие выходные частоты. При достаточно большой частоте сигнала весь аналоговый каскад повышающего преобразователя частоты может быть исключен из радиосистемы, что упрощает частотное планирование, а также снижает энергопотребление и размеры устройства. Помимо этого, более высокие частоты обновления, расширяя, полосу пропускания, предоставляют больше возможностей для разнесения шума квантования преобразователя данных, давая при обработке выигрыш в спектральной плотности шума передатчика.

С развитием КМОП-технологии добавление возможностей обработки сигналов в преобразователи данных стало обычным делом. Реализация с помощью ЦАП генераторов с цифровым управлением (ГЦУ) и интерполяторов освободила ПЛИС или специализированные микросхемы от бремени решения этих энергозатратных функций, позволив ЦАП работать с меньшей частотой выдачи данных. Более низкие скорости обмена сокращают общее энергопотребление системы, а в некоторых случаях делают это возможным и для цифровых микросхем, заданная производителем скорость которых может находиться в диапазоне от 300 МГц до 400 МГц, что позволяет им работать синхронно с преобразователем. Наличие в микросхеме ГЦУ позволяет выполнять первое преобразование частоты в цифровой области, и поэтому в современных радиоустройствах нередко можно найти промежуточные частоты в сотни МГц, поддержка которых стала возможной благодаря ГЦУ и интерполяторам на преобразователях данных.

Обработка сигналов в РЧ ЦАП

Главное, что изменилось с появлением РЧ преобразователей данных – это частота обновления, с которой способен работать преобразователь, а также добавление функций обработки сигналов, способных выполняться на таких скоростях. Такое мощное сочетание функций и скорости может существенно изменить подход к проектированию архитектуры радиосистем и открыть новые возможности реконфигурируемого и программно-определяемого радио.

Хорошим примером могут служить РЧ ЦАП серий AD9162 и AD9164. Блок-схема AD9162 и AD9164 показана на Рисунке 2. 16-разрядный РЧ ЦАП AD9162 преобразует входной код со скоростью 6 Гвыб/с с несколькими вариантами интерполяции – от однократного транзитного режима до 24-кратной интерполяции. Для расширения мгновенной полосы пропускания ценой незначительного повышения мощности интерполяторы работают в традиционной полосе 80% или более широкой полосе 90%. Информационный тракт содержит также конечный полуполосный интерполирующий фильтр с цифровым ослаблением 85 дБ (FIR85), представленный на Рисунке 2 блоком, предшествующим ГЦУ и обозначенным «HB 2×». Этот фильтр эффективно удваивает частоту обновления ЦАП до 12 Гвыб/с, сдвигая положение зеркального канала и упрощая требования к фильтрации. За отключаемым FIR85 следует 48-битный ГЦУ, работающий на скорости либо 6 Гвыб/с, либо 12 Гвыб/с при включенном FIR85. Далее на диаграмме располагается обозначенный как «INV SINC» обратный фильтр, корректирующий спад выходной частотной характеристики ЦАП путем предыскажений сигнала на входе его ядра.

Рисунок 2.	Блок-схема микросхем РЧ ЦАП семейства AD9162 и AD9164.

Ядро ЦАП основано на запатентованной Analog Devices архитектуре Quad Switch, обеспечивающей превосходный динамический диапазон без паразитных составляющих и отличную спектральную плотность шума, что дает лучший в отрасли динамический диапазон, предоставляя также привычные возможности декодера: режим кодирования без возврата к нулю, с возвратом к нулю и смешанный режим. FIR85 добавляет декодеру ЦАП новую функцию, называемую режимом 2×NRZ, которая ниже будет описана более подробно.

По набору базовых возможностей AD9164 не отличается от AD9162, но в него добавлена функция прямого цифрового синтеза в виде механизма быстрой скачкообразной перестройки частоты (БСПЧ) ГЦУ. БСПЧ ГЦУ имеет несколько уникальных особенностей, которые делают его весьма привлекательным для рынков высокоскоростной испытательной аппаратуры, замены гетеродинов, защищенной радиосвязи и возбудителей радаров. Механизм БСПЧ ГЦУ состоит из тридцати двух 32-битных ГЦУ, каждый из которых имеет собственный аккумулятор фазы, а также из блока выбора, обеспечивающего быстрый скачок частоты.

Для специализированных рынков на основе AD9162 созданы два производных продукта. 11-битный РЧ ЦАП AD9161 работает на скорости 6 Гвыб/с с не менее чем двукратной интерполяцией. Динамический диапазон без паразитных составляющих и спектральная плотность шума AD9161 удовлетворяют спецификациям стандарта DOCSIS 3.0 и подходят для оконечного оборудования кабельных сетей и приложений Remote PHY. Сокращенная ширина спектра сигнала и динамический диапазон снимают ограничения на получение экспортной лицензии для AD9161. 16-битный РЧ ЦАП AD9163 с быстродействием 6 Гвыб/с и не менее чем шестикратной интерполяцией сохранил полный динамический диапазон основного продукта AD9162. Полный динамический диапазон устройства и мгновенная ширина полосы пропускания 1 ГГц, а также широкодиапазонный ГЦУ хорошо подходят для использования этой микросхемы в одно- или двухдиапазонных базовых станциях инфраструктуры беспроводной связи, а также в работающих в традиционных диапазонах СВЧ системах точка-точка, опять же, при отсутствии необходимости получения экспортной лицензии. Продукты этого семейства и их основные характеристики приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Характеристики семейства РЧ ЦАП AD9162 и AD9164 и их целевые рынки

Компонент Разрядность Минимальный коэффициент интерполяции Быстрая скачкообразная перестройка частоты Целевой рынок Примечания AD9161 11 2× Нет Кабельное оборудование 11-битная версия для потребителей услуг кабельной передачи данных AD9162 16 1× Нет Кабельное оборудование, WIFR, измерительные приборы Полнофункциональный ЦАП для глобальных кабельных средств передачи данных, WIFR, измерительных приборов AD9163 16 6× Нет WIFR Версия с полосой пропускания 1 ГГц для клиентов WIFR или потребителей услуг кабельных данных, передаваемых в неполном диапазоне AD9164 16 1× Есть Измерительное, военное и кабельное оборудование, WIFR Полнофункциональный ЦАП с прямым цифровым синтезом для измерительного, военного и кабельного оборудования, а также WIFR; имеет функцию быстрой фазово-когерентной скачкообразной перестройки частоты

Основные характеристики цифрового канала данных

Данные в AD9162 и AD9164 поступают по 8-канальному интерфейсу JESD204B со скоростью 12.5 Гвыб/с. Сокращая количество проводников, необходимых для подключения к ЦАП цифрового модулятора, этот высокоскоростной последовательный интерфейс упрощает разводку печатной платы. Подробное руководство по работе с интерфейсом приведено в документации на микросхемы, а полное описание интерфейса JESD204B есть на сайте Analog Devices.

Первый интерполятор в тракте прохождения данных AD9162 и AD9164 может представлять собой либо полу-, либо третьполосный фильтр с коэффициентом интерполяции 2× или 3×, соответственно. Рабочую полосу каждого из этих фильтров можно выбрать равной 80% или 90% полосы пропускания сигнала. Оба фильтра имеют подавление в полосе заграждения не менее 85 дБ. Фильтры 90% работают на большей мощности из-за более резкого среза их характеристики и, следовательно, большего количества отводов. Оставшиеся полуполосные фильтры для согласования с любым из первых интерполяторов работают в полосе 90%. FIR85 также работает в полосе 90%. Поскольку все последующие фильтры еще больше снижают уровень интерполяции, они могут работать в полосе 90% с почти незаметным увеличением мощности.

FIR85, во включенном состоянии поддерживающий режим 2×NRZ, в отличие от других интерполяционных фильтров реализуется иначе. Основанный на архитектуре Quad Switch, для выборки данных он использует фронты и спады импульсов синхронизации ЦАП. При таком методе выборка новых данных производится по каждому фронту тактирующего импульса, поэтому частота выборки ЦАП удваивается и может достигать 12 Гвыб/с. Благодаря этому сигнал зеркального канала с частоты 2×f_DAC – f_OUT смещается до f_DAC – f_OUT, что облегчает его фильтрацию с помощью более простых в реализации аналоговых фильтров. Такой метод выборки и интерполяции делает выходной сигнал ЦАП более чувствительным к согласованию тактового входа, однако в схеме предусмотрены средства подстройки тактового входа ЦАП, которые можно использовать для улучшения характеристик. Эти подстройки производятся путем программирования регистров через последовательный периферийный интерфейс (SPI). Подробности приведены в документации.

48-разрядный квадратурный ГЦУ реализует свободное от зеркальных составляющих смещение частоты сигнала входных данных или прямой цифровой синтез одного тона. ГЦУ может работать в двух режимах переключения частот: с сохранением непрерывной фазы или с разрывом фазы. При синфазном непрерывном переключении слово настройки частоты (СНЧ) обновляется, но аккумулятор фазы не сбрасывается, в результате чего с изменением частоты фаза изменяется непрерывно. В дискретном режиме при обновлении СНЧ фазовый аккумулятор сбрасывается. Последовательный периферийный интерфейс (SPI) гарантирует скорость обмена до 100 МГц, что позволяет быстро обновлять СНЧ.

В AD9164 к ГЦУ добавлена важная особенность – режим быстрой скачкообразной перестройкой частоты (БСПЧ ГЦУ). БСПЧ ГЦУ реализован на основе тридцати одного дополнительного 32-разрядного ГЦУ, каждый из которых имеет собственный аккумулятор фазы. Каждому ГЦУ выделено свое СНЧ, так что в общей сложности в устройстве могут быть запрограммированы 32 СНЧ. Регистр выбора СНЧ работает таким образом, что записью в него одного байта через SPI перестройку на новую частоту можно произвести с точностью до 32 бит. При работе SPI на скорости 100 МГц новое СНЧ может быть выбрано за 240 нс записью одного байта.

БСПЧ ГЦУ имеет дополнительный режим быстрой фазово-когерентной скачкообразной перестройки частоты, что делает его привлекательным для измерительных и военных приложений. Фазово-когерентная скачкообразная перестройка частоты важна как для испытательных приборов, так и для радиолокационных систем, в которых необходимо отслеживать фазу сигнала возбуждения для последующего использования. Такая перестройка позволяет переходить с одной частоты на другую и обратно, не теряя накопленной фазы исходной частоты. Иначе говоря, она позволяет менять одну частоту на другую, а потом восстанавливать исходную так, как будто эта частота никогда не менялась.

Области применения и измеренные характеристики

Функции обработки сигналов и высокая частота дискретизации AD9162 и AD9164 позволяют упростить архитектуру радиоустройства, показанную на Рисунке 1. Измененная структура показана на Рисунке 3. Поскольку радиочастотный преобразователь данных может непосредственно синтезировать сигналы на требуемой выходной частоте, необходимости в квадратурном модуляторе или повышающем преобразователе частоты больше нет. Сигнал формируется в цифровом процессоре и просто выходит из РЧ преобразователя. В результате объем аппаратных средств, необходимых для создания передатчика, значительно уменьшается. Кроме того, такое радиоустройство проще в реализации и не требует настройки входов гетеродина и ЦАП на квадратурный модулятор для подавления утечки гетеродина и нежелательных зеркальных составляющих сигнала, поскольку модулятор реализуется в цифровом виде внутри РЧ преобразователя.

Рисунок 3.	Архитектура радиопередатчика с радиочастотным преобразователем данных.

Рисунок 4.	Двухдиапазонный сигнал WCDMA в полосах частот 1.8 ГГц и 2.1 ГГц.

Архитектура такого вида, где единственным аналоговым элементом является ФНЧ для фильтрации зеркальных составляющих, открывает возможности создания реконфигурируемых или программно-определяемых радиосистем. Одна и та же цифровая часть, РЧ преобразователь данных и восстанавливающий фильтр нижних частот, лишь с заменой усилителя мощности и полосового фильтра, могут быть использованы для создания множества различных радиосистем. На Рисунке 4 изображен вид выходного сигнала двухдиапазонного передатчика беспроводной базовой станции с пятью 5-мегагерцовыми несущими WCDMA на частоте 1800 МГц и тремя 5-мегагерцовыми несущими WCDMA на частоте 2100 МГц. На Рисунке 5 показан пример выходного сигнала кабельного передатчика со 194 несущими 256 QAM шириной 6 МГц в полосе 50 МГц … 1.2 ГГц стандарта DOCSIS 3.0. На Рисунке 6 представлен пример быстрого скачка частоты с временем перестройки 260 нс, которое включает в себя 240 нс на программирование регистра (запись одного байта) и 20 нс собственно на смену частоты. Рисунок 7 подтверждает отличные характеристики фазового шума AD9164 со значением лучше –125 дБн/Гц при смещении 10 кГц, когда устройство, синхронизируемое термостатированным кварцевым генератором 4 ГГц, синтезирует синусоиду 3.9 ГГц.

Рисунок 5.	194 6-мегагерцовых сигнала с многопозиционной амплитудной модуляцией 256 QAM в полосе частот DOCSIS 3.1 (от 50 МГц до 1.2 ГГц).

Рисунок 6.	Быстрая скачкообразная перестройка частоты AD9164. Время переключения – 260 нс.

Рисунок 7.	Суммарный фазовый шум AD9164. Источник тактового сигнала ЦАП: термостатированный кварцевый генератор 4 ГГц со смещением до 600 кГц, затем генератор сигнала со смещением более 600 кГц.

Заключение

Радиочастотные преобразователи данных могут упростить проектирование архитектуры радиосистем и уменьшить их размеры за счет исключения множества компонентов из сигнальной цепи. В РЧ преобразователях AD9162 и AD9164 уникальный набор функций сочетается с великолепными радиочастотными характеристиками, которые могут найти применение в самых различных радиопередающих приложениях, доказывая, тем самым, что полностью программно-определяемые радиосистемы стали реальнее, чем когда-либо.

Материалы по теме