電路功能與優(yōu)勢(shì)

該電路是靈活的頻率捷變中頻至基帶接收機(jī)。中頻和基帶上的可變?cè)鲆嬗糜谡{(diào)整信號(hào)電平。 ADRF6510 基帶ADC驅(qū)動(dòng)器還包括可編程低通濾波器，可消除通道外阻塞和噪聲。

此濾波器的帶寬可隨著輸入信號(hào)帶寬變化而動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)。這樣可以確保由本電路驅(qū)動(dòng)的ADC的可用動(dòng)態(tài)范圍得到充分使用。

電路內(nèi)核是IQ解調(diào)器。 ADL5387 基于2×LO的相位分離架構(gòu)支持寬頻率范圍工作。精確的正交平衡和低輸出直流失調(diào)確保了對(duì)誤差矢量幅度(EVM)的影響極小。

本電路內(nèi)所有元件間的接口均采用全差分式。如果不同級(jí)間需要直流耦合，相鄰級(jí)的偏置電平彼此兼容。

圖1. 直接變頻接收機(jī)原理示意圖(所有連接和去耦均未顯示)

電路描述

接收機(jī)架構(gòu)

本電路筆記中描述了接收機(jī)的直接變頻(也稱為零差或零中頻)架構(gòu)。與可以執(zhí)行多次頻率轉(zhuǎn)換的超外差式接收機(jī)相比，直接變頻無(wú)線電只能執(zhí)行一次頻率轉(zhuǎn)換。一次頻率轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢(shì)如下：

降低接收機(jī)復(fù)雜性，減少所需級(jí)數(shù);提高性能和降低功耗

避免鏡像抑制問(wèn)題和不需要的混頻產(chǎn)物;只需要基帶上的一個(gè)LPF

高靈敏度(相鄰?fù)ǖ酪种票萚ACRR])

圖1顯示了該系統(tǒng)的基本原理示意圖，包括集成自動(dòng)增益控制(AGC)環(huán)路的級(jí)聯(lián)中頻可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)，以及緊隨其后的正交解調(diào)器、具有可變基帶增益的可編程低通濾波器。圖1中以灰色顯示的元件( ADF4350和 AD9248) 是為清楚起見(jiàn)，并不包括在系統(tǒng)級(jí)測(cè)量中(有關(guān)這些器件的詳情請(qǐng)參見(jiàn)“常見(jiàn)變化”部分)。

理想情況下，第一級(jí)的輸入和最后級(jí)的輸出應(yīng)設(shè)置系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍(信噪比)。實(shí)際上，情況可能并非如此。在正交解調(diào)器之前放置級(jí)聯(lián)VGA不僅會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)更多增益，而且有利于整體系統(tǒng)噪聲性能，只要VGA的噪聲系數(shù)低于正交解調(diào)器，只要VGA仍具有增益，且未發(fā)生衰減。后續(xù)級(jí)的噪聲系數(shù)通過(guò)初始VGA的增益進(jìn)行分頻處理。提供VGA (相對(duì)于僅提供固定增益放大器)的另一優(yōu)點(diǎn)是AGC環(huán)路可經(jīng)設(shè)計(jì)以調(diào)平正交解調(diào)器的輸入信號(hào)。這一限制施加于正交解調(diào)器和任何后續(xù)級(jí)的信號(hào)電平的能力非常重要。

中頻VGA和AGC環(huán)路

中頻VGA和AGC環(huán)路功能可通過(guò) ADL5336來(lái)實(shí)現(xiàn)。它具有兩個(gè)可級(jí)聯(lián)VGA，每個(gè)VGA具有24 dB的模擬動(dòng)態(tài)范圍，并且可以通過(guò)SPI端口以數(shù)字方式改變每個(gè)VGA上的最大增益。

為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)平AGC功能，每個(gè) ADL5336 VGA具有平方律檢波器，通過(guò)可編程衰減器連接到輸出。檢波器將衰減器的輸出與63 mV rms的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果衰減器輸出與63 mV rms基準(zhǔn)電壓間有差異，誤差電流便會(huì)產(chǎn)生并集成到CAGC電容內(nèi)。AGC環(huán)路通過(guò)將DTO1/DTO2引腳連接到GAIN1/GAIN2引腳關(guān)閉。為了使AGC環(huán)路正常工作，將MODE引腳拉至低電平，從而產(chǎn)生負(fù)VGA增益斜率。

每個(gè) ADL5336 VGA具有允許的輸入功率范圍，AGC將在此范圍內(nèi)調(diào)平至特定設(shè)定點(diǎn)。在該范圍以外，VGA輸出隨輸入一起按dB遞增或遞減(假定VGA未處于壓縮狀態(tài)或信號(hào)不在噪底內(nèi))。

IQ解調(diào)器

信號(hào)從 ADL5336 路由至 ADL5387，在此接受解調(diào)并將頻率轉(zhuǎn)換為零中頻。 ADF4350 頻率合成器可向ADL5387提供所需的2×LO信號(hào)(參見(jiàn)“常見(jiàn)變化”部分);但實(shí)際測(cè)試使用信號(hào)發(fā)生器代替 ADF4350 。

ADL5387 使用兩個(gè)雙平衡混頻器，一個(gè)用于I通道，一個(gè)用于Q通道。提供給混頻器的LO使用2分頻正交分相器生成。這為I和Q通道提供了0°和90°信號(hào)。 ADL5387在RF輸入至基帶I和Q輸出之間提供約4.5 dB的轉(zhuǎn)換增益。

低通濾波器、基帶VGA和ADC驅(qū)動(dòng)器

低通濾波、基帶增益和ADC驅(qū)動(dòng)器功能全部使用 ADRF6510來(lái)實(shí)現(xiàn)。施加于 ADRF6510 的信號(hào)現(xiàn)在具有獨(dú)立的I和Q路徑，信號(hào)首先通過(guò)前置放大器放大，然后進(jìn)行低通濾波，以抑制任何不需要的帶外信號(hào)和/或噪聲，最后通過(guò)VGA放大。

ADRF6510 的每個(gè)通道可分為三個(gè)級(jí)：

前置放大器

可編程低通濾波器

VGA和輸出驅(qū)動(dòng)器

通過(guò)GNSW引腳，前置放大器具有6dB或12dB的用戶可選增益。低通濾波器可通過(guò)SPI端口設(shè)置為1MHz至30MHz的轉(zhuǎn)折頻率，步進(jìn)為1MHz。VGA具有50dB增益范圍，增益斜率為30mV/dB。VGA增益通過(guò)GAIN引腳控制，GNSW引腳被拉低時(shí)范圍可為0.5dB至+45dB，GNSW引腳被拉高時(shí)范圍可為+1dB至+51dB。輸出驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)?.5Vpp差分電壓驅(qū)動(dòng)至1k負(fù)載內(nèi)，同時(shí)保持高于60dBc的HD2和HD3。

可施加于低通濾波器同時(shí)仍在 ADRF6510內(nèi)保持可接受的HD電平的最大CW信號(hào)為2Vpp。如果存在較大帶外干擾源且可能造成 ADL5387 和/或ADRF6510的輸入過(guò)載，帶外干擾源(及所需的帶內(nèi)信號(hào))可通過(guò) ADL5336VGA予以衰減。 一旦帶外干擾源被ADRF6510的低通濾波器抑制，所需信號(hào)可使用XAMPVGA(緊隨 ADRF6510的濾波器)放大。

ADRF6510發(fā)出的IQ信號(hào)可施加于適當(dāng)?shù)哪?shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，例如AD9248。

測(cè)量結(jié)果

4-QAM、5 MSPS調(diào)制信號(hào)被施加于ADL5336的輸入。有關(guān)測(cè)試設(shè)置的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)“電路評(píng)估和測(cè)試”部分。

EVM衡量數(shù)字發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的性能質(zhì)量，反映幅度和相位誤差所導(dǎo)致的實(shí)際星座點(diǎn)與理想位置的偏差。如圖2所示。

圖2. EVM圖

圖3顯示了系統(tǒng)EVM與ADL5336輸入功率的關(guān)系，VGA上的最大增益針對(duì)VGA1和VGA2分別設(shè)置為15.2dB和19.5dB。

測(cè)試了數(shù)個(gè)AGC設(shè)定點(diǎn)組合。圖4也是系統(tǒng)EVM與ADL5336輸入功率的關(guān)系;不過(guò)VGA的增益分別設(shè)置為9.7dB和13.4dB。測(cè)試了相同的AGC設(shè)定點(diǎn)組合。

圖3. 系統(tǒng)EVM，數(shù)字VGA增益=11

圖4. 系統(tǒng)EVM，數(shù)字VGA增益=00

圖3和圖4說(shuō)明，施加于 ADRF6510 的信號(hào)電平必須保持足 夠低以免壓縮輸入級(jí)和/或?yàn)V波器。在最高AGC設(shè)定點(diǎn) (500mVrms和707mVrms)， ADL5387IQ解調(diào)器的輸入開(kāi)始?jí)嚎s并給EVM造成額外下降。當(dāng)AGC設(shè)定點(diǎn)位于最低點(diǎn) (88mVrms)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳EVM。當(dāng)設(shè)定點(diǎn)為250mVrms 時(shí)，EVM已經(jīng)開(kāi)始下降。

圖5比較了 ADL5336VGA上的最小和最大數(shù)字增益設(shè)置(VGA 均設(shè)置為增益代碼11或增益代碼00)間的EVM，此時(shí)VGA1 和VGA2設(shè)定點(diǎn)分別為250 mVrms和88 mVrms。

圖5. 系統(tǒng)EVM，VGA1設(shè)定點(diǎn)=250MVRMS，VGA2設(shè)定點(diǎn)=88MVRMS

對(duì)于給定AGC設(shè)定點(diǎn)，當(dāng)最大增益代碼為11時(shí)，從VGA2 至VGA1的切換在VGA2超出增益范圍后發(fā)生;因此，施加于 ADRF6510 的信號(hào)電平繼續(xù)增加(同時(shí)EVM下降)，直至 VGA1到達(dá)設(shè)定點(diǎn)。一旦VGA1到達(dá)設(shè)定點(diǎn)，EVM再次變平;因此施加于 ADRF6510 的信號(hào)電平在大約5 dBm的輸入功率下不會(huì)變化，除非VGA1超出增益范圍。當(dāng)最大增益代碼設(shè)置為00時(shí)，VGA均可提供更多衰減，因此允許VGA2偏移動(dòng)態(tài)范圍，以免在輸入功率低至與最大增益代碼為11時(shí)相同的情況下到達(dá)設(shè)定點(diǎn)。這樣VGA2可在較高輸入功率下保持在設(shè)定點(diǎn)，使VGA2至VGA1的切換可發(fā)生在VGA2超出增益范圍之前。這樣就能確保施加于 ADRF6510的信號(hào)電平保持在恒定值，直至到達(dá)輸入功率范圍最高點(diǎn)。

圖6比較了 ADL5336 VGA上的最小和最大數(shù)字增益設(shè)置(VGA 均設(shè)置為增益代碼11或增益代碼00)間的EVM;不過(guò)VGA1 和VGA2設(shè)定點(diǎn)分別為707mVrms和88mVrms。

圖6. 系統(tǒng)EVM，VGA1設(shè)定點(diǎn)=707MVRMS，VGA2設(shè)定點(diǎn)=88MVRMS

圖6中的動(dòng)態(tài)特性與圖5相同，只不過(guò)更為夸張。當(dāng)最大增益代碼為00時(shí)，VGA2在約-40dBm的輸入功率下到達(dá)設(shè)定點(diǎn)。其保持設(shè)定點(diǎn)至約-10dBm，此時(shí)VGA1尚未到達(dá)707mVrms的設(shè)定點(diǎn)。除非輸入功率約為0dBm，并且EVM開(kāi)始略微變平，否則VGA1不會(huì)到達(dá)設(shè)定點(diǎn)。當(dāng)最大增益設(shè)置為11時(shí)，相同情況再次發(fā)生;不過(guò)，VGA2僅保持設(shè)定點(diǎn)至大約-20dBm，因?yàn)樵贌o(wú)更多增益可用于獲得規(guī)定的設(shè)定點(diǎn)。

常見(jiàn)變化

系統(tǒng)和頻率合成器

為 ADL5387提供2XLO的信號(hào)發(fā)生器可被寬帶頻率合成器取 代，例如 ADF4350，該器件集成了VCO。 ADF4350 屬于一個(gè)頻率合成器系列，該系列具有135MHz至4350MHz的寬頻率范圍，且具有變化的相位噪聲和輸出功率指標(biāo)，因此很容易找到符合應(yīng)用所需規(guī)格的器件。

系統(tǒng)和ADC

為系統(tǒng)添加ADC以對(duì) ADRF6510的I和Q信號(hào)進(jìn)行采樣正是完善模擬信號(hào)鏈自然演化的結(jié)果。雙通道ADC，例如AD9248，提供14位分辨率，且采用20MSPS、40MSPS或65MSPS采樣速率。建議在 ADRF6510 和 AD9248 的輸出之間放置抗混疊濾波器?？够殳B濾波器設(shè)計(jì)示例請(qǐng)參考 ADRF6510 數(shù)據(jù)手冊(cè)。

ADRF6510 輸出共模電壓考慮因素

ADRF6510 輸出共模電壓可在1.5V至3.0V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且不會(huì)損失驅(qū)動(dòng)能力。許多現(xiàn)代ADC的輸入共模電壓小于1.5V。將VOCM引腳驅(qū)動(dòng)至小于1.5 V的輸出共模電壓使 ADRF6510 的失真性能開(kāi)始下降;但器件在小于1.5 V的共模電平下仍可工作。為了保持失真性能，可能需要直流電平轉(zhuǎn)換電路，或者可使用具有較低共模電壓的集成式濾波器和VGA器件，例如ADRF6516。

電路評(píng)估與測(cè)試

需要/使用的設(shè)備

信號(hào)發(fā)生器包括：

Agilent E4438C vector signal generator

AgilentE4438C矢量信號(hào)發(fā)生器

基帶信號(hào)捕獲器件有

AgilentDSO90604A示波器

EVM運(yùn)算器件包括：

Agilent89600VSA軟件

運(yùn)行WindowsXP的PC，通過(guò)USB電纜連接到示波器

電源包括：

±5V電源除 AD8130電路板需要±5V外，所有電路板均需要+5V

評(píng)估板包括：

ADL5336-EVALZ (需要一個(gè))

ADL5387-EVALZ (需要一個(gè))

ADRF6510-EVALZ (需要一個(gè))

AD8130-EBZ (需要兩個(gè))

開(kāi)始使用

要使用 ADL5336和 ADRF6510，需要評(píng)估軟件來(lái)控制每個(gè)器件的各個(gè)方面。此軟件可在工具、軟件和仿真模型鏈接中的各個(gè)產(chǎn)品網(wǎng)頁(yè)上找到。

下載和安裝軟件后，將USB電纜從電腦連接到評(píng)估板，然后針對(duì)需要控制的器件運(yùn)行軟件。

功能框圖

圖7顯示了用于測(cè)試接收鏈的測(cè)試設(shè)置的功能框圖。 ADL5336評(píng)估板僅允許單端輸入和輸出。 ADL5387板上的RF輸入也是如此。矢量信號(hào)發(fā)生器上的RF輸出端口僅為單端;因此，發(fā)生器與 ADL5336的輸入之間需要巴倫。如圖7 所示，直至 AD8130差動(dòng)放大器的其余信號(hào)路徑均為差分。 由于示波器僅允許對(duì)單端信號(hào)進(jìn)行采樣，同時(shí)受VSA軟件控制，因此需要差分轉(zhuǎn)單端轉(zhuǎn)換。

設(shè)置與測(cè)試

接收機(jī)測(cè)試設(shè)置的第一步是開(kāi)啟所有測(cè)試設(shè)備。測(cè)試設(shè)備預(yù)熱時(shí)，電路板必須正確配置以便在信號(hào)鏈內(nèi)正常使用。

在 ADL5336上，應(yīng)確保安裝0w跳線電阻，將VGA1輸出連接到VGA2輸入。

在ADL5387電路板上，旁路輸出巴倫以在ADL5387和ADRF6510之間構(gòu)建完整的差分、直流耦合信號(hào)路徑。

在 ADRF6510電路板上，執(zhí)行下列操作：

旁路輸入和輸出巴倫

在輸出信號(hào)線路上放置1k差分輸出負(fù)載(每個(gè)輸出路徑上放置兩個(gè)接地的500電阻就足夠了)

用1μF電容取代普通COFS電容。

圖7. 測(cè)試直接變頻接收機(jī)的功能框圖

收集評(píng)估板并將所有信號(hào)路徑連接在一起，如圖7所示。將所有電路板連接到+5V，同時(shí)將兩個(gè) AD8130板連接到-5V。請(qǐng)確保電源電流與期望值一致。

如圖7所示，完成下列連接：

將矢量信號(hào)發(fā)生器的單端、50輸出連接到 ADL5336評(píng)估板的INPUT1。

將AD8130的I信號(hào)路徑輸出連接到示波器上的輸入1，并將AD8130的Q信號(hào)路徑輸出連接到示波器的輸入3。

將USB電纜從PC連接到示波器。

將信號(hào)發(fā)生器的RF端口連接到ADL5387評(píng)估板的LO輸入。

在AgilentE4438C信號(hào)發(fā)生器上，執(zhí)行下列操作：

將頻率設(shè)置為400MHz

將幅度設(shè)置為0dBm

接通RF端口

在AgilentE4438C矢量信號(hào)發(fā)生器上，執(zhí)行下列操作：

將RF載波頻率設(shè)置為200MHz

接通RF端口

接通RF端口

接通矢量信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部的定制ARB

將信號(hào)設(shè)置為4-QAM，符號(hào)速率設(shè)置為5MSPS，脈沖整形濾波器值設(shè)置為0.35

在PC上，啟動(dòng)Agilent89600VSA軟件。在VSA軟件中，執(zhí)行下列操作：

接通數(shù)字解調(diào)器

將輸入設(shè)置為I+jQ選項(xiàng)

將頻率設(shè)置為0Hz，符號(hào)速率設(shè)置為5MSPS，值設(shè)置為0.35

矢量信號(hào)發(fā)生器上的信號(hào)指標(biāo)必須匹配VSA軟件上的指標(biāo)。軟件啟動(dòng)后，應(yīng)顯示IQ星座圖窗格和頻譜窗格。在VSA軟件中通過(guò)下列步驟添加信息窗口：

1. 點(diǎn)擊顯示

2. 點(diǎn)擊布局

3. 選擇柵格2×2

默認(rèn)情況下，已經(jīng)顯示的其他兩個(gè)窗格應(yīng)為誤差矢量與時(shí)間和信息窗口：符號(hào)/誤差。如果并非如此，執(zhí)行下列操作

1. 雙擊任意窗格的標(biāo)題

2. 在出現(xiàn)的窗口中選擇符號(hào)/誤差

符號(hào)/誤差窗格提供許多結(jié)果，包括EVM。軟件應(yīng)鎖定在信號(hào)上，并報(bào)告EVM數(shù)值。

AGC設(shè)定點(diǎn)、最大增益和濾波器帶寬全部可采用個(gè)別器件的各控制軟件來(lái)設(shè)置。 ADL5336輸入端的功率控制可通過(guò)矢量信號(hào)分析儀上的功率掃描完成。從−80dBm掃描至幾乎+16dBm，以便在此測(cè)試設(shè)置下測(cè)試接收機(jī)。 ADRF6510上的增益始終設(shè)置為實(shí)現(xiàn)1.5Vp-p差分輸出電平，假定有足夠的增益可用。某些情況下，對(duì)于極小的信號(hào)電平， ADRF6510無(wú)足夠的增益來(lái)到達(dá)1.5Vp-p差分電平。

CIRCUITS FROM THE LAB實(shí)驗(yàn)室電路

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