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 | ||||||||||||||||||||||||||||||
|
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×fDAC – fOUT смещается до fDAC – fOUT, 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.