ADI解決方案助力射頻設(shè)計(jì)

今天，無(wú)論是我們身邊的手機(jī)，還是工廠中的機(jī)器人，抑或是車載信息系統(tǒng)，都擁有越來(lái)越強(qiáng)大的數(shù)字處理器。不過(guò)，如果這些系統(tǒng)之間不能通過(guò)無(wú)線通信互聯(lián)互通，它們就僅僅是一個(gè)個(gè)彼此分離的信息孤島，其價(jià)值將大打折扣。而想要在數(shù)字電路和無(wú)線通信的天線之間，建立起高速可靠的信號(hào)鏈，則少不了射頻（RF）技術(shù)的加持。

所謂射頻技術(shù)，簡(jiǎn)單的理解就是對(duì)高頻信號(hào)（通常指300kHz?300GHz）進(jìn)行處理的技術(shù)，其作用就好似一個(gè)“快遞員”，將電子設(shè)備需要與外界進(jìn)行通信的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)“打包”成無(wú)線信號(hào)并發(fā)送出去，同時(shí)也會(huì)將電子設(shè)備需要從外界獲得的無(wú)線信號(hào)接收下來(lái)并“拆包”成數(shù)字信息，交給后端的數(shù)字電路去做計(jì)算和處理。

由此不難理解，射頻系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端兩個(gè)部分：

發(fā)射端

通常由基帶處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、射頻前端和天線組成，其工作原理是：先由基帶處理器將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，并進(jìn)行調(diào)制、編碼等處理，再由DAC將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并通過(guò)射頻前端對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，而后由天線將處理后的射頻信號(hào)以電磁波的形式發(fā)射出去。

接收端

其可以看做是發(fā)射端的一個(gè)逆過(guò)程：首先由天線接收射頻信號(hào)，再由射頻前端對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，接下來(lái)通過(guò)信號(hào)處理模塊對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、下變頻等處理，然后由ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，之后交給基帶處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼等處理，還原出原始數(shù)據(jù)。

眾所周知，射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不簡(jiǎn)單。射頻工程師需要使用放大器、濾波器、衰減器、調(diào)制解調(diào)器、收發(fā)器、頻率合成器、時(shí)鐘、RF開(kāi)關(guān)等各類射頻元器件，綜合考慮高頻信號(hào)處理、射頻前端設(shè)計(jì)、無(wú)線傳輸、多路復(fù)用、噪聲和干擾等諸多課題，往往需要反復(fù)的迭代優(yōu)化，才能完成設(shè)計(jì)。因此射頻設(shè)計(jì)往往會(huì)成為整個(gè)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的痛點(diǎn)。

不過(guò)好消息是，為了幫助工程師消除射頻設(shè)計(jì)這個(gè)“痛點(diǎn)”，今天的射頻技術(shù)供應(yīng)商通常會(huì)從三個(gè)方面提供支持：

1通過(guò)豐富的產(chǎn)品組合，提供一站式的解決方案，更大限度地減少工程師在整合不同品牌產(chǎn)品之間的工作量和風(fēng)險(xiǎn)。

2配套豐富的設(shè)計(jì)資源，如設(shè)計(jì)工具、原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)和參考設(shè)計(jì)等，為射頻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供更大的便利。

3提供深度優(yōu)化的解決方案，在性能、集成度、小型化、靈活性等方面為客戶帶來(lái)獨(dú)特的價(jià)值，建立差異化優(yōu)勢(shì)。

圖1：射頻系統(tǒng)示意圖

（圖源：Analog Devices）

作為射頻和微波領(lǐng)域的知名技術(shù)供應(yīng)商，Analog Devices（以下簡(jiǎn)稱ADI）公司憑借先進(jìn)的射頻技術(shù)能力、系統(tǒng)知識(shí)與工藝技術(shù)，不僅提供涵蓋整個(gè)RF信號(hào)鏈的全系列RF IC產(chǎn)品組合，以及豐富的設(shè)計(jì)資源，而且還聚焦射頻開(kāi)發(fā)領(lǐng)域“痛點(diǎn)”問(wèn)題，給出針對(duì)性的解決方案。

今天，我們就一起來(lái)看看面對(duì)RF和微波開(kāi)發(fā)領(lǐng)域三個(gè)痛點(diǎn)問(wèn)題，ADI是如何巧妙化解的。

靈活的數(shù)字可調(diào)諧濾波器

在射頻系統(tǒng)中，為了解決信號(hào)干擾問(wèn)題，濾波器是必不可少的組件，其通過(guò)在通帶內(nèi)傳輸頻率和在阻帶內(nèi)抑制頻率來(lái)減少干擾信號(hào)并保留目標(biāo)信號(hào)。

為射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，有很多技術(shù)路徑可供選擇，比如：帶有表面貼裝元件的分立式集總元件濾波器、包含PCB傳輸線的分布式元件濾波器、體聲波（BAW）和表面聲波（SAW）濾波器、低溫共燒陶瓷（LTCC）濾波器、腔體濾波器以及陶瓷諧振器等。這些濾波器各具特色，需要在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行細(xì)致的權(quán)衡取舍。

值得注意的是，近年來(lái)，基于半導(dǎo)體工藝的濾波器技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，支持的頻率范圍也越來(lái)越寬，其允許使用精確的溫度穩(wěn)定無(wú)功元件，品質(zhì)系數(shù)得到了改善，而且支持使用開(kāi)關(guān)和可調(diào)諧無(wú)功元件，這也是一個(gè)優(yōu)于分立式集總元件濾波器的優(yōu)勢(shì)，為射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種兼具高性能和高集成度的解決方案。

表1：不同類型濾波器的比較

（資料來(lái)源：Analog Devices）

更進(jìn)一步，如果將數(shù)字控制元件集成到半導(dǎo)體濾波器中，則可以打造出更具靈活性的數(shù)字調(diào)諧濾波器。簡(jiǎn)單地講，數(shù)字調(diào)諧濾波器是一種基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的濾波器，其通過(guò)數(shù)字濾波算法實(shí)現(xiàn)對(duì)一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行選擇性地濾波，而且通過(guò)控制調(diào)諧電路的參數(shù)，還可根據(jù)設(shè)計(jì)需要對(duì)濾波性能進(jìn)行調(diào)整。

這一特性，對(duì)于射頻系統(tǒng)的優(yōu)化十分有利。比如設(shè)計(jì)寬帶接收器的射頻前端時(shí)，要求處理難以預(yù)測(cè)的阻塞情況，同時(shí)還要檢測(cè)低電平信號(hào)，這就需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整前端濾波性能，這時(shí)數(shù)字控制的可調(diào)諧濾波器IC產(chǎn)品就是一個(gè)理想的解決方案。

為此，ADI公司開(kāi)發(fā)了全新的數(shù)字調(diào)諧濾波器產(chǎn)品系列，這些濾波器通過(guò)SPI接口進(jìn)行配置，具有快速的RF開(kāi)關(guān)速度，每個(gè)芯片內(nèi)加入了一個(gè)128種狀態(tài)的查詢表，以便快速改變?yōu)V波器狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)快速跳頻應(yīng)用。這種高抑制快速調(diào)諧與寬頻率覆蓋的特性，使得接收器能夠在不利的頻譜環(huán)境中運(yùn)行。

圖2：ADMV8818數(shù)字可調(diào)諧濾波器

（圖源：Analog Devices）

其中，一個(gè)代表性的產(chǎn)品就是ADMV8818數(shù)字可調(diào)諧濾波器，這是一款單片式微波集成電路，配有4個(gè)獨(dú)立控制的高通濾波器（HPF）和4個(gè)獨(dú)立控制的低通濾波器（LPF），工作頻率范圍為2GHz至18GHz。

ADMV8818采用靈活的架構(gòu)，可以獨(dú)立控制高通和低通濾波器的3dB截止頻率 (f3dB)，以產(chǎn)生高達(dá)4GHz帶寬。每個(gè)濾波器的數(shù)字邏輯控制的寬度為4位（16種狀態(tài)），通過(guò)控制片內(nèi)電抗元件來(lái)調(diào)節(jié)f3dB。該濾波器典型插入損耗為9dB，寬帶抑制為35 dB，可較大限度地降低系統(tǒng)諧波。

圖3：ADMV8818功能框圖

（圖源：Analog Devices）

因此，ADMV8818可調(diào)諧濾波器可作為大型開(kāi)關(guān)濾波器組和腔體調(diào)諧濾波器的小型替代方案，在射頻通信應(yīng)用中提供動(dòng)態(tài)可調(diào)的濾波功能。

圖4：ADMV8818配置為6GHz至9GHz帶通濾波器

（圖源：Analog Devices）

集成VCO的PLL頻率合成器

在射頻系統(tǒng)中，精準(zhǔn)、可靠的頻率產(chǎn)生器件是不可或缺的要素。比如，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)會(huì)利用振蕩器和頻率合成器實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)及上/下變頻本地振蕩器頻率的生成、對(duì)頻率調(diào)諧的輔助以及其他功能，可以說(shuō)是整個(gè)射頻系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基石。

其中，頻率合成器的作用是從單個(gè)基準(zhǔn)頻率生成多個(gè)頻率，其通常利用倍頻/分頻、混頻或鎖相環(huán)等不同技術(shù)，生成信號(hào)或?qū)?lái)自振蕩器的信號(hào)進(jìn)行“加工”，輸出所需的頻率。

PLL（鎖相環(huán)）頻率合成器是一種常見(jiàn)的頻率合成器類型，PLL包含鑒相器，可將VCO（壓控振蕩器）頻率的N分頻與參考頻率進(jìn)行比較，并使用該差值輸出信號(hào)調(diào)節(jié)施加于VCO調(diào)諧線路的DC控制電壓，由此即時(shí)校正頻率漂移，確保輸出頻率的穩(wěn)定性。

為了進(jìn)一步提升集成度和簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，目前集成VCO的頻率合成器在射頻系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，這種器件將PLL和VCO組合在單個(gè)封裝中，因此只需要外部參考和環(huán)路濾波器就能實(shí)現(xiàn)所需的功能，可以為通信、測(cè)試與測(cè)量和航空航天等應(yīng)用提供高性能的本振和時(shí)鐘源。

圍繞集成VCO的PLL頻率合成器，ADI提供了一系列產(chǎn)品組合，包括窄帶和寬帶器件，支持高達(dá)13.6 GHz的頻率，它們都具有出色的相位噪聲、抖動(dòng)和雜散性能，并且采用小尺寸封裝以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)集成度。

圖5：ADF4437低抖動(dòng)微波寬帶合成器

（圖源：Analog Devices）

ADF4377低抖動(dòng)微波寬帶合成器就是該產(chǎn)品家族中的一員，這是一款高性能、超低抖動(dòng)、雙輸出集成N相PLL，集成有VCO，其中高性能PLL具有-239dBc/Hz的品質(zhì)因數(shù)、超低1/f噪聲和高相位頻率檢測(cè)器（PFD）頻率，可以實(shí)現(xiàn)超低的帶內(nèi)噪聲和集成抖動(dòng)。基本VCO和輸出分頻器可生成800MHz至12.8GHz頻率。此外，ADF4377合成器還集成了電源旁路電容器，可有效節(jié)省占板面積，十分適合于空間緊湊的應(yīng)用。

ADF4377還大大簡(jiǎn)化了對(duì)齊和校準(zhǔn)程序，允許多組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以彼此精確對(duì)齊的時(shí)序進(jìn)行信號(hào)采樣，這對(duì)新一代超寬帶多通道系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。這些特性使得ADF4377非常適用于測(cè)試測(cè)量、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施和高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。

圖6：ADF4437功能框圖

（圖源：Analog Devices）

緊湊的高性能VNA前端

眾所周知，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)是射頻工程師案頭必不可少的工具。VNA通過(guò)發(fā)送一系列頻率和幅度可變的測(cè)試信號(hào)到被測(cè)設(shè)備中，并測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)該設(shè)備時(shí)的幅度和相位變化，來(lái)評(píng)估信號(hào)在不同頻率下的反射和傳輸特性，包括幅度衰減、相位變化、頻率響應(yīng)等，藉此了解電路或系統(tǒng)的性能，診斷問(wèn)題并進(jìn)行優(yōu)化。因此，VNA在無(wú)線通信、雷達(dá)系統(tǒng)、天線設(shè)計(jì)、微波電路等射頻應(yīng)用開(kāi)發(fā)中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

正是因?yàn)閂NA的重要性和必要性，簡(jiǎn)化VNA的設(shè)計(jì)，在確保高性能的前提下盡可能拉低VNA的成本就成了一個(gè)重要的課題。

圖7：ADL5960寬帶矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀前端

（圖源：Analog Devices）

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，ADI推出了一款高集成度的解決方案——ADL5960寬帶矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀前端，其包括電阻雙向橋、下變頻混頻器、可編程IF放大器和濾波器以及高度靈活的本振 (LO) 接口。該電橋在高達(dá)17 GHz的頻率下提供>10 dB的方向性，且電橋的主傳輸線路在RFIN至RFOUT范圍內(nèi)其寬帶阻抗匹配至50Ω，并具有平坦的頻率響應(yīng)和<2.5dB的典型插入損耗。

圖8：ADL5960功能框圖

（圖源：Analog Devices）

ADL5960支持幾種不同的LO接口配置，可簡(jiǎn)化VNA解決方案的時(shí)鐘設(shè)計(jì)并將該器件接口至模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。LO接口中的分頻器和倍頻器可以在驅(qū)動(dòng)（LOP和LOM）引腳的電源工作頻率范圍外實(shí)現(xiàn)測(cè)量掃描。這樣，ADL5960可在整個(gè)20 GHz帶寬內(nèi)進(jìn)行操作，同時(shí)將6 GHz頻率合成器用作LO源。通過(guò)（OFP和OFM）接口驅(qū)動(dòng)的IF頻率偏移混頻器通過(guò)同一頻率源驅(qū)動(dòng)（掃描的）RF和LO信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步簡(jiǎn)化。然后IF輸出信號(hào)頻率由驅(qū)動(dòng)（OFP和OFM）接口的低頻源確定。在使能4分頻的情況下，以ADC采樣頻率驅(qū)動(dòng)此接口可自動(dòng)居中第一奈奎斯特區(qū)中的IF輸出信號(hào)。

ADL5960中具有可編程帶寬的IF濾波器以及具有可單獨(dú)編程增益的IF放大器，可對(duì)入射通道（IFFP和IFFM）和反向通道（IFRP和IFRM）IF接口上的IF信號(hào)進(jìn)行同步動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)化。IF放大器具有可調(diào)輸出共模電平以及足夠的驅(qū)動(dòng)能力，可直接與各種ADC進(jìn)行接口。

ADL5960中的所有配置和功能均可通過(guò)3線式SPI并使用ADI-SPI接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完全編程。

總的來(lái)說(shuō)，ADL5960將VNA中極具挑戰(zhàn)性的電橋、RF、IF等部分都集成于其中，開(kāi)發(fā)者只需要外接ADC和PLL本振就可以實(shí)現(xiàn)較為完整的功能，大大減小了VNA系統(tǒng)的尺寸，也簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作，為開(kāi)發(fā)多樣化的VNA產(chǎn)品提供更大的空間。

本文小結(jié)

對(duì)于電子工程師來(lái)說(shuō)，射頻設(shè)計(jì)往往是“痛點(diǎn)中的痛點(diǎn)”。想要有效應(yīng)對(duì)射頻設(shè)計(jì)中的諸多挑戰(zhàn)，除了工程師自身不斷積累知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，充分利用知名射頻技術(shù)供應(yīng)商所提供的資源，無(wú)疑是“站在巨人的肩膀上”，事半功倍。

從本文的三個(gè)實(shí)例中，你一定可以體會(huì)到，ADI豐富的產(chǎn)品線、設(shè)計(jì)資源，以及深度優(yōu)化的解決方案，可以助力工程師一站式解決射頻設(shè)計(jì)中的諸多痛點(diǎn)問(wèn)題。