基站射頻卡時鐘樹需要注意的問題

簡化網(wǎng)絡(luò)部署和升級
為了支持簡化且經(jīng)濟的網(wǎng)絡(luò)部署和升級，OEM都在尋求支持軟件重新配置并可以在多個類似設(shè)計中重復(fù)使用的射頻卡元件。

由于偶爾需要支持遠程射頻頭內(nèi)的射頻卡，大多數(shù)射頻卡會采用一個基于鏈路到基站的恢復(fù)時鐘作為輸入時鐘。這些單輸入時鐘的質(zhì)量很差，可能需要清理明顯的抖動，為的是有效生成射頻卡上的其他時鐘。
因此，射頻卡時鐘樹的核心必須是一個具有可編程輸出頻率的抖動衰減器。本文的其余部分將討論性能屬性和需要這些性能屬性的原因，以及其他時鐘樹要求。

射頻卡架構(gòu)注意事項
當(dāng)今，大多數(shù)基站射頻卡設(shè)計執(zhí)行的許多操作都需要在數(shù)字域中建立或終止LTE或多載波GSM等協(xié)議信號。這是處理錯誤校正、信道映射和數(shù)字分割I(lǐng)、Q數(shù)據(jù)流的更簡單方法。這種復(fù)合信號的復(fù)雜數(shù)據(jù)流還需要在發(fā)送和接收兩個方向進行非常小心的濾波/信號處理。在數(shù)字域這樣做可以避免像精密元件值匹配的代價。

盡管數(shù)字操作多種多樣，在某些時候信號必須調(diào)制成一個載波，它可以在824MHz～2.62GHz范圍內(nèi)并以模擬信號傳輸。大多數(shù)基站架構(gòu)的地址多信道協(xié)議包括LTE、WiMax和多載波GSM使用的單級模擬轉(zhuǎn)換方法，如圖1所示。

圖1 典型的LTE射頻卡架構(gòu)

在發(fā)送端，除第一次調(diào)制外，各子載波都合并成一個數(shù)字流。這個基帶信號隨后由DAC轉(zhuǎn)換為移相偏移模擬I、Q數(shù)據(jù)流，然后通過正交模擬混頻器向上轉(zhuǎn)換為傳輸頻率?？勺兒凸潭ㄔ鲆娣糯笃饕约半p工濾波器用于將有用信號沿著路徑提高到其傳輸頻段的所需強度，而只增加了少量噪聲及失真，同時最大限度減少了傳輸頻段以外的能量，以防止對其他射頻信道的干擾。

在接收端，射頻信號通常經(jīng)過放大、濾波，然后通過一個混頻器轉(zhuǎn)換為75～250MHz范圍的較低中頻（IF），在該范圍內(nèi)射頻信號通過一個可變數(shù)量、經(jīng)過濾波并最后由一個流水線ADC根據(jù)奈奎斯特準則采樣進一步放大。然后，在數(shù)字域中處理子載波的下變頻和解調(diào)。接收器的目標是在ADC獲得最小附加噪聲和互調(diào)失真之前，完成這個信號調(diào)理，同時避免超過ADC的最大范圍。

射頻卡架構(gòu)師更愿意盡可能地集成時鐘樹。不僅是上述理由，而是由于每個時鐘樹元件都有自己的抖動貢獻，它可以推動時鐘信號超出規(guī)范。有了這種集成，不僅可產(chǎn)生射頻與中頻調(diào)制時鐘，而且可以產(chǎn)生ADC和DAC的采樣時鐘及其他數(shù)字元件時鐘，如CPU、ASIC和FPGA。

與涉及射頻信號路徑的時鐘相比，這些數(shù)字元件的時鐘通常有更寬泛的規(guī)格；周期抖動是最常見的主要問題。當(dāng)隨著這些更敏感的時鐘在同一個芯片上生成這些時鐘時，會出現(xiàn)兩個問題。首先，數(shù)字時鐘信號很少是射頻卡輸入時鐘信號的整倍數(shù)，所以必須利用分數(shù)反饋或小數(shù)輸出分頻技術(shù)來生成。然而，這兩種技術(shù)要在時鐘芯片內(nèi)和時鐘輸出上引入明顯的寄生含量。其次，數(shù)字時鐘芯片（或生成時產(chǎn)生的任何寄生含量）降至接近射頻、中頻或采樣頻率無法輕易過濾掉，所以必須加以避免。這些響應(yīng)區(qū)域以外的頻率分量可能降低信噪比，無論是否作為寬帶噪聲（如果沒有濾波）還是通過混疊進入臨界頻率范圍都是如此。

混頻器、ADC和DAC的頻率影響
混頻器是一種用來將高頻率信號與低頻率信號相互轉(zhuǎn)換的模擬元件。在大多數(shù)基站射頻卡設(shè)計中，混頻器是將信號從射頻轉(zhuǎn)換到中頻或從基帶轉(zhuǎn)換到射頻。時鐘樹設(shè)計關(guān)注的主要問題是頻率混疊問題。當(dāng)多個頻率通過一個非線性器件時，這些頻率會互相影響。這些相互作用被稱為互調(diào)積?；祛l器的功能是獲得兩個輸入頻率并生成一個輸出頻率，要么是兩個頻率的和（上轉(zhuǎn)換），要么是兩個頻率的（降頻）差。

現(xiàn)今的射頻卡旨在恢復(fù)多載波性質(zhì)的信號。因此，理想的信號不是單音頻線的有用信號，而是包含全系列的音頻線，它均勻分布在整個響應(yīng)頻段。這些線代表被恢復(fù)的各個信道。不幸的是，因為這個多載波信號貫穿于混頻器等非線性元件，這里的每個信道都將彼此互調(diào)。信道的整齊間隔將導(dǎo)致奇數(shù)階積幾乎完全落在被恢復(fù)的信道頂部。放在混頻器前的濾波器將用于減弱噪聲，這將有助于實現(xiàn)偶數(shù)階積。放在混頻器后的濾波器將消除下降到響應(yīng)頻段以外的互調(diào)積，但對于帶內(nèi)奇數(shù)階積什么事也做不了，因為它們下降得過于接近有用信號。

雖然放在混頻器后的帶通濾波器可以省去不想要的潔音線，這還算不錯，但采樣時鐘的任何抖動都會將潔音線轉(zhuǎn)入一個邊緣（skirt），如圖2所示。來自每個不受歡迎積的邊緣的尾巴將對濾波器通帶內(nèi)有一定的影響，這稱為寬帶噪聲。混頻器產(chǎn)生的任何時鐘（或ADC或DAC）必須有一個極低的噪聲層，以減少其寬帶噪聲。

圖2 相互混頻的效果

不需要的信號被稱為“干擾”或“阻斷（blocker）”，進入混頻器的輸入將對時鐘信號的規(guī)格產(chǎn)生影響。它們可能包含通過天線接收的其他信號，或耦合進入接收信號路徑的系統(tǒng)內(nèi)部信號。雖然可將有用信號從廣泛頻率中分離出來的“阻斷”可通過預(yù)濾波器得到明顯抑制，但接近有用信號的頻率仍會通過。此外，在像LTE這樣的協(xié)議中，有用信號具有較低的平均功率，即使是通過濾波器來衰減“阻斷”，可能仍然含有足夠的能量與有用信號競爭。

這種就是進入混頻器的時鐘相位噪聲邊緣必須盡可能“窄”的原因。“阻斷”上相互混頻的相位噪聲的傳播必須保持在最低限度。射頻卡設(shè)計的主要挑戰(zhàn)之一是選擇卡的頻率，著眼于最大限度地從有用信號的頻率中分離“阻斷”及其互調(diào)積。