RF采樣ADC在系統(tǒng)設(shè)計中具有優(yōu)勢

幾十年來，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器一直是模擬現(xiàn)實世界和數(shù)字世界之間的橋梁。從占用多個機架空間并消耗大量功率的分立元件開始（如 11 W 的 DATRAC 50 位 500 kSPS 真空管 ADC），它們已經(jīng)演變成高度集成的單片硅 IC [1]。自從第一個商用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器問世以來，對更快數(shù)據(jù)速率的永不滿足的需求意味著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的開發(fā)必須跟上步伐。ADC的最新化身是RF采樣ADC，采樣速度在GHz范圍內(nèi)。

架構(gòu)開發(fā)的進步加上半導體技術(shù)的快速發(fā)展，使單片硅形式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）得以實現(xiàn)。自1990年代以來，CMOS技術(shù)已經(jīng)能夠與構(gòu)成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)建模塊的分立模擬電路的質(zhì)量保持同步。將構(gòu)建模塊集成到單片硅片中可實現(xiàn)更節(jié)能和節(jié)省空間的設(shè)計?，F(xiàn)在，摩爾定律不僅適用于數(shù)字IC設(shè)計，也適用于模擬設(shè)計[2]。人們只需要觀察過去二十年（1990年代中期至今）就能看到技術(shù)的快速增長。技術(shù)的這種增長刺激了對更快數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的需求，從而開發(fā)了帶寬越來越高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

多年來，硅技術(shù)已經(jīng)足夠先進，現(xiàn)在可以經(jīng)濟地設(shè)計具有更強大數(shù)字處理功能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。早期ADC設(shè)計使用的數(shù)字電路很少，主要用于糾錯和數(shù)字驅(qū)動器。新的GSPS（每秒千兆采樣）轉(zhuǎn)換器（也稱為RF采樣ADC）采用先進的65 nm CMOS技術(shù)，可以提供更多的數(shù)字處理能力，以增強ADC的性能。這使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器能夠從1990年代中期和2000年代的ADC（大A，小D轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC（小A，大D轉(zhuǎn)換器）。這并不意味著模擬電路及其性能已經(jīng)縮小，但數(shù)字電路的數(shù)量急劇增加，以補充模擬性能。這些附加功能允許ADC在ADC芯片中快速進行大量數(shù)字處理，并占用FPGA的部分數(shù)字處理負載。這為系統(tǒng)設(shè)計人員開辟了許多其他可能性?，F(xiàn)在，使用這些新型先進GSPS ADC，系統(tǒng)設(shè)計人員只需為多個平臺設(shè)計一個硬件，并有效地使用軟件重新配置相同的硬件以適應新應用。

高速增強的數(shù)字處理

CMOS工藝中不斷縮小的幾何尺寸與先進的設(shè)計架構(gòu)相結(jié)合，意味著ADC首次可以使用數(shù)字處理技術(shù)來提高其性能。這一突破是在1990年代初實現(xiàn)的，ADC設(shè)計人員自[1]以來就沒有回頭。隨著硅工藝的改進（從0.5 μm，0.35 μm，0.18 μm和65 nm），轉(zhuǎn)換速度提高。但是，隨著幾何形狀的縮小，晶體管雖然越來越快（導致更高的帶寬），但在模擬設(shè)計（如GM（跨導））的性能方面提供了略差的特性。這可以通過添加越來越多的校正邏輯來補償。然而，硅仍然足夠昂貴，以至于ADC內(nèi)部的數(shù)字電路數(shù)量仍然相對適中。一個示例的框圖如圖 1 所示。

圖1.具有最少數(shù)字糾錯邏輯的早期單芯片ADC。

隨著硅技術(shù)向 65 nm 等深亞微米幾何形狀的進步，規(guī)模經(jīng)濟使得在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中添加大量數(shù)字處理成為可能，此外還可以更快地運行內(nèi)核（1 GSPS 或更高）[2]。這是二次檢查的突破性進展。通常，數(shù)字信號處理由ASIC或FPGA處理，具體取決于系統(tǒng)性能和成本要求。ASIC是針對特定應用的，需要大量資金進行開發(fā)。因此，設(shè)計人員通常會長時間運行ASIC設(shè)計，以延長ASIC開發(fā)的投資回報。FPGA是ASIC的更便宜的替代品，不需要龐大的開發(fā)預算。然而，由于FPGA試圖成為每個人的一切，其信號處理能力受到速度和功率效率的阻礙。這是可以理解的，因為它們提供了ASIC無法提供的靈活性和可重構(gòu)性。圖2顯示了具有可配置數(shù)字處理模塊的RF采樣ADC（也稱為GSPS ADC）的框圖。

圖2.帶數(shù)字處理模塊的 GSPS ADC。

新一代GSPS ADC將徹底改變無線電設(shè)計，因為它們?yōu)樵O(shè)計表帶來了很大的靈活性，其中一些將在下文中討論：

高速數(shù)字處理

早期的無線電將使用模擬混頻器和級聯(lián)數(shù)字下變頻器（DDC）的混合，以便將信號降低到基帶進行處理。這涉及許多硬件（模擬混音）和電源（在ASIC/FPGA中的模擬和DDC中）。借助新一代RF采樣ADC，DDC可以使用完全自定義的數(shù)字邏輯在ADC內(nèi)部以一定速度運行。這意味著處理更加節(jié)能。

通過 JESD204B 實現(xiàn) I/O 靈活性

新一代RF采樣ADC不僅具有GSPS采樣能力，而且還避開了高速串行接口的過時的LVDS輸出。新的JEDEC JESD204B規(guī)范允許通過CML（電流模式邏輯）以每通道高達12.5 Gbps的高通道速率傳輸數(shù)字輸出數(shù)據(jù)。這提供了高水平的 I/O 靈活性。例如，ADC可以在全帶寬模式下工作，并在多個通道上傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，或者使用一個可用的DDC并在一個通道上傳輸抽取和處理的數(shù)據(jù)，只要輸出通道速率保持在每通道12.5 Gbps以下。

可擴展的硬件設(shè)計

DDC 的使用在硬件設(shè)計方面提供了新的靈活性。系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在可以凍結(jié)ADC和FPGA的硬件設(shè)計，只需進行最少的更改，就可以將系統(tǒng)重新配置為不同的帶寬，只要ADC能夠支持它。例如，無線電可以設(shè)計為全帶寬ADC（RF采樣ADC），或者使用可用的DDC設(shè)計為IF采樣ADC（中頻帶ADC）。系統(tǒng)中唯一的變化是在RF側(cè)，IF ADC可能需要一些最小的額外混頻。大部分更改將發(fā)生在為新帶寬配置ADC所需的軟件中。但是，ADC + FPGA硬件設(shè)計幾乎可以保持不變。這提供了一種參考硬件設(shè)計，可以滿足許多平臺及其要求，軟件是唯一的變量。

其他附加功能

深亞微米CMOS工藝允許的高集成度迎來了一個時代，越來越多的功能被內(nèi)置到ADC中。其中一些特性包括快速檢測CMOS輸出，可實現(xiàn)高效的AGC（自動增益控制）和信號監(jiān)控（如峰值檢波器）。所有這些特性都有助于減少外部元件和設(shè)計時間，從而有助于系統(tǒng)設(shè)計。

通信接收器設(shè)計靈活

ADC的一個非常常見的用例是通信接收器系統(tǒng)設(shè)計。關(guān)于軟件定義無線電（SDR）和使用ADC的通信接收器已經(jīng)有許多出版物，這超出了本次討論的范圍。老一代無線電接收器的框圖如圖3所示[1]。

圖3.用于蜂窩無線電的寬帶數(shù)字接收器。

GSM 無線電接收器的正常規(guī)格要求 ADC 中的噪聲頻譜密度 （NSD） 至少為 153 dBFS/Hz 或更高。眾所周知，NSD通過以下公式[3]連接到ADC的SNR：

其中：
信噪比以dBFS
f為單位s= ADC 采樣速率

傳統(tǒng)軟件無線電設(shè)計

在寬帶無線電應用中，一次采樣和轉(zhuǎn)換高達50 MHz的頻段的情況并不少見。為了正確數(shù)字化50 MHz頻段，ADC需要對至少五倍的帶寬或至少~250 MHz進行采樣。 將這些數(shù)字代入上述公式，ADC達到–153 dBFS/Hz的NSD規(guī)范所需的SNR約為72 dBFS。

圖4顯示了使用50 MSPS ADC對250 MHz頻段進行有效采樣的頻率規(guī)劃。該圖還顯示了第二和第三諧波帶的位置。

圖4.使用 50 MSPS ADC 的 250 MHz 寬帶無線電的頻率規(guī)劃。

ADC的任何采樣頻率都將落在ADC的第一奈奎斯特（DC – 125 MHz）頻段。這種現(xiàn)象稱為混疊，因此包括目標頻段在內(nèi)的頻率，其二次和三次諧波有效地折返或混疊到第一奈奎斯特頻段。如圖 5 所示，如下所示：

圖5.第一奈奎斯特所示的可用頻段，具有二次和三次諧波。

除NSD規(guī)范外，GSM、LTE和LTE-A等蜂窩通信標準對SFDR（無雜散動態(tài)范圍）也有其他嚴格的要求。該規(guī)范給前端設(shè)計帶來了很大的壓力，因為前端設(shè)計能夠在對目標頻帶中的信號進行采樣時衰減不需要的信號。

牢記SFDR規(guī)范，傳統(tǒng)無線電前端設(shè)計的抗混疊濾波器要求變得非常難以滿足。滿足SFDR規(guī)范的最佳抗混疊濾波器（AAF）解決方案是實現(xiàn)帶通濾波器。通常，這些帶通濾波器的數(shù)量級為五個或更高。能夠滿足此類應用的SNR（或NSD）和SFDR要求的合適ADC是AD9467，16位、250 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器[4]。使用AD9467的蜂窩無線電應用的前端設(shè)計如圖6所示。

圖6.前端設(shè)計顯示放大器、抗混疊濾波器和250 MSPS時的ADC。

滿足SFDR要求的AAF的頻率響應如圖7所示。該系統(tǒng)的實現(xiàn)并非不可能，但帶來了許多設(shè)計挑戰(zhàn)。帶通濾波器是最難實現(xiàn)的濾波器之一，因為它涉及許多組件。在這種情況下，元件選擇是關(guān)鍵，因為元件之間的任何不匹配都會導致ADC輸出中出現(xiàn)不必要的雜散（SFDR）。除了復雜性之外，任何阻抗不匹配都會影響濾波器的增益平坦度。為了優(yōu)化該濾波器設(shè)計以滿足通帶平坦度和阻帶抑制要求，需要進行大量的設(shè)計工作。

圖7.前端的帶通響應如圖6所示。

雖然這種無線電設(shè)計的前端實現(xiàn)可能很復雜，但確實可以工作，如跨頻率圖的SNR/SFDR性能所示（如圖8所示）。205 MHz時的FFT如圖9所示。但是，系統(tǒng)實現(xiàn)因以下原因而變得復雜：

過濾器設(shè)計。

FPGA必須專用I/O端口來捕獲LVDS數(shù)據(jù)（16對），這使得PCB設(shè)計變得復雜。

在FPGA中留出額外的處理能力用于數(shù)字信號處理。

圖8.圖16所示的250位、6 MSPS ADC設(shè)計的SNR/SFDR與頻率的關(guān)系。

圖9.205 MHz 時的 FFT，適用于圖 16 所示的 250 位、6 MSPS ADC 設(shè)計。

RF采樣ADC簡化并加快設(shè)計

RF采樣ADC方法使用過采樣然后抽取數(shù)據(jù)以改善動態(tài)范圍的技術(shù)[5]。深亞微米CMOS技術(shù)提供的速度優(yōu)勢與密集的數(shù)字集成能力相結(jié)合，催生了RF采樣ADC的新時代，它可以完成比普通模數(shù)轉(zhuǎn)換更多的繁重工作。這些ADC具有更多的數(shù)字電路，可以快速處理信號。

對于系統(tǒng)設(shè)計人員來說，這意味著易于實施和其他靈活性，而這些靈活性迄今為止一直是ASIC/FPGA領(lǐng)域的一部分。上述相同的無線電設(shè)計示例可以使用RF采樣ADC實現(xiàn)。AD9680（14位、1 GSPS JESD204B、雙通道ADC）是新一代RF采樣ADC之一，還具有額外的數(shù)字處理能力[6]。該ADC在全采樣速率（1 GSPS）下的NSD為~67 dBFS [3]。這個信噪比還不是一個問題，因為它將在后面變得明顯。目標頻段與以前相同，但RF采樣ADC奈奎斯特區(qū)的頻率規(guī)劃要簡單得多，如圖10所示。這是因為與前面描述的示例（1 MHz）相比，該ADC的采樣頻率為250倍（<> GHz）。

圖 10.使用 50 GSPS ADC 的 1 MHz 寬帶無線電的頻率規(guī)劃。

從頻率規(guī)劃中可以明顯看出，這是一個比圖4所示方案更簡單的計劃。AAF 要求也放寬了，如圖 11 所示。在這種方法中，其思路是使用簡單的模擬前端設(shè)計，并將數(shù)字處理模塊留在RF采樣ADC內(nèi)，以進行繁重的信號處理。

圖 11.用于 1 GSPS ADC 的 AAF 植入。

過采樣的好處基本上是將頻率規(guī)劃分散到奈奎斯特區(qū)，比250 MSPS奈奎斯特區(qū)大四倍。這極大地放寬了濾波要求，與250 MSPS ADC實現(xiàn)中使用的帶通濾波器相反，一個簡單的三階低通濾波器就足夠了。使用RF采樣ADC的簡化AAF實現(xiàn)如圖12所示。

圖 12.前端設(shè)計顯示放大器、抗混疊濾波器和ADC，速率為1 GSPS。

圖13顯示了低通濾波器響應。帶通響應也顯示為比較。低通濾波器實現(xiàn)了更好的通帶平坦度，并且在元件失配方面更易于管理。在匹配阻抗方面也更容易實現(xiàn)。此外，由于組件數(shù)量較少，系統(tǒng)的成本也降低了。前端設(shè)計的這種簡單性可以縮短設(shè)計時間。

圖 13.250 MSPS ADC 和 1 GSPS ADC 的 AAF 比較。

現(xiàn)代RF采樣ADC具有更多的數(shù)字處理能力，這意味著數(shù)字處理可以在ADC內(nèi)部快速完成。如本文前所述，這可實現(xiàn)高能效和I/O效率設(shè)計?，F(xiàn)在，系統(tǒng)設(shè)計人員可以使用他/她的FPGA中未使用的JESD204B收發(fā)器來處理來自其他RF采樣ADC的數(shù)據(jù)，這些ADC已經(jīng)處理了數(shù)據(jù)（模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波和抽?。＿@樣就可以有效地使用FPGA資源，同時增加無線電設(shè)計中的通道數(shù)量。

利用DDC，ADC可用作數(shù)字混頻器，以調(diào)諧至設(shè)計可能需要的任何IF。在此示例中，使用與上面討論的相同的頻率計劃。因此，使用具有實際混頻的抽取4選項來演示ADC的性能。如圖 14 所示。

圖 14.RF采樣速率為1 GSPS，DDC設(shè)置為抽取4。

在正?；蛉珟捘Ｊ较拢珹D9680的SNR約為66 dBFS至67 dBFS。但是，當DDC運行時，抽取比設(shè)置為4時，可以額外獲得6 dB的處理增益[3]。這可確保保持動態(tài)范圍性能。由于RF采樣ADC的采樣速率為原始采樣速率的4×，因此諧波分散開來（如圖10所示）。RF采樣ADC中的DDC確保抽取濾波器以數(shù)字方式衰減不需要的信號。但是，落在目標頻帶中的諧波（高階或其他）仍將顯示，因為DDC允許它們通過。這可能是由放大器偽像或低通濾波器沒有足夠的衰減引起的。低通濾波器可以根據(jù)系統(tǒng)要求重新設(shè)計，以滿足其他雜散性能。圖15顯示了1 GSPS ADC的SNR/SFDR與輸入頻率的關(guān)系。從數(shù)據(jù)中可以清楚地看出，使用DDC可將SNR提高6 dB（由于處理增益）和SFDR。在全帶寬模式下運行時，SFDR通常受到二次或三次諧波的限制，而在DDC模式下（抽取4），它是最差的其他諧波。

圖 15.圖14所示的1位、12 GSPS ADC設(shè)計的SNR/SFDR與頻率的關(guān)系。

抽取輸出的FFT如圖16所示。使用 DDC 時，必須注意確保正確處理目標頻帶。在這種情況下，NCO被調(diào)諧到200 MHz，以便感興趣的頻段落在抽取的奈奎斯特的中心。這降低了 FPGA 的處理開銷。為了進行比較，AD9680在正常（全帶寬）工作下的FFT如圖17所示。

圖 16.205 GSPS ADC 上的 1 MHz FFT，抽取 4;NCO 調(diào)諧到 200 MHz。

圖 17.全帶寬模式下 205 GSPS ADC 上的 1 MHz FFT。

數(shù)據(jù)顯示，DDC除了改善帶內(nèi)噪聲性能外，還提供無次諧波的干凈頻譜。由于DDC對數(shù)據(jù)進行濾波和抽?。ㄖ?50 MSPS），因此它們還會降低輸出通道速率，從而為JESD204B串行接口提供靈活的選擇。這使系統(tǒng)設(shè)計人員可以在高通道速率（更昂貴）、低 I/O 數(shù) FPGA 或低通道速率（更便宜）、高 I/O 數(shù) FPGA 之間進行選擇。

結(jié)論

RF采樣ADC在系統(tǒng)設(shè)計中具有獨特的優(yōu)勢，這在幾年前是不可能的。業(yè)界正在尋求加速基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計和實施，以應對對更高帶寬的需求。設(shè)計時間和預算正在縮減，對更多軟件驅(qū)動的可擴展、可重新配置架構(gòu)的需求有助于成為新常態(tài)。對帶寬需求的增加也伴隨著對更高容量的需求。這給FPGA I/O帶來了額外的壓力，RF采樣ADC可以通過使用其內(nèi)部DDC來抵消壓力。

審核編輯：郭婷