通信SoC中模擬前端性能的快速評估方法

作者：時間：2018-08-08 來源：網(wǎng)絡(luò)

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本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201808/385961.htm

為了滿足系統(tǒng)芯片(SoC)中通訊收發(fā)器中寬帶信號處理的要求，選擇模擬前端(AFE) IP及其組件(模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和鎖相環(huán)路(PLL))十分復雜。優(yōu)化各組件性能要求是避免額外功耗(超過指標要求)或系統(tǒng)性能損失的關(guān)鍵。

AFE IP組件一般從其電氣特性方面說明，而系統(tǒng)設(shè)計師則用不同的指標體系評價系統(tǒng)性能。因此，系統(tǒng)設(shè)計師必須理解AFE IP組件的電氣規(guī)格以及它們影響系統(tǒng)總體性能的方式。

這本白皮書描述了一種判斷任何指定AFE的電氣特性是否適合目標應用的簡化方法，如無線或有線連接環(huán)境中的寬帶信號收發(fā)器、蜂窩通訊和數(shù)字電視及無線電廣播。此外，這本白皮書還圖解說明了一種研究不同組件相對性能與工作模式之間取舍、從而找到性能、功耗、面積和成本最佳的SoC的方法。

模擬前端

在寬帶信號收發(fā)器SoC中，AFE把模擬信號轉(zhuǎn)換為需要進一步數(shù)字處理的數(shù)字域，對于模擬傳輸過程則剛好相反。AFE還作為數(shù)字SoC與模擬RF收發(fā)器芯片之間的模擬通訊接口。

圖1表示數(shù)字基帶新IP中的AFE實例。這個AFE之間包括：

接收路徑中的一個或多個雙通道(IQ) ADC

發(fā)射路徑中的一個或多個雙通道(IQ) DAC

一個為AFE中所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生取樣時鐘的 PLL

其他組件，如輔助和內(nèi)務(wù)功能用的通用ADC和DAC

AFE規(guī)格挑戰(zhàn)

發(fā)射信號使用復雜調(diào)制方法的通訊系統(tǒng)如正交頻分復用(OFDM)，其對性能的要求通常用誤差矢量幅度(EVM)參數(shù)來定義。

OFDM調(diào)制是在非理想信道上傳遞數(shù)據(jù)使用的一種有效和可靠的方法，這種信道容易衰減和受無線通訊系統(tǒng)中常見的多路徑干擾影響。在OFDM中，數(shù)據(jù)在多個相隔緊密的正交載波頻率上編碼，每個載波頻率使用正交調(diào)幅(QAM)方案調(diào)制。

EVM參數(shù)一般用于衡量數(shù)字收發(fā)器的質(zhì)量。當收發(fā)器發(fā)射特定調(diào)制信號時，無論信號來源如何，EVM參數(shù)是匯集了影響收發(fā)器性能的所有不同組件貢獻大小的一個綜合性能參數(shù)。EVM參數(shù)表示星座圖中每個QAM符號位置相對于其理想位置的偏差。圖2給出了一個QAM16調(diào)制實例。

圖2左側(cè)表示EVM較高的理想星座(每個黑色圓點代表一個符號)。右側(cè)表示EVM較低的真實不完美星座，其中符號(灰色圓點)在一個較大區(qū)域中擴散。如果灰色區(qū)域是分離的，那么就能解調(diào)。如果它們互相重疊，就會出現(xiàn)解調(diào)錯誤。

另一方面，AFE的電氣性能經(jīng)常通過參照其組件的本征特性來定義，如：

ADC和DAC的信噪比(SNR)、諧波失真、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)、IQ匹配

PLL的相位噪聲、長期抖動、頻率精度

這些本征特性是針對具體每個組件的，傳統(tǒng)上使用單音信號或最多幾個音信號獲得。所以，調(diào)制信號的特性沒有考慮在內(nèi)。

為了確認AFE(及其組件)性能是否符合具體系統(tǒng)要求，系統(tǒng)設(shè)計師必須使用AFE電氣規(guī)格確定AFE系統(tǒng)級性能(如EVM貢獻)，同時考慮信號特點和很多其他因素。

不幸的是，這種分析十分復雜且難以理解，因為影響它的因素很多。不過，只要作出幾個假設(shè)，就可以在系統(tǒng)上實現(xiàn)這種分析的簡化方法,而通常高斯噪聲源是影響系統(tǒng)性能的主要因素。

對于具有這種特點的系統(tǒng)，總SNR與EVM關(guān)系密切：

因此，只要確定AFE對總系統(tǒng)SNR的貢獻就足以確認AFE性能是否滿足系統(tǒng)要求。

AFE性能貢獻

以下部分將討論一種確定AFE性能對收發(fā)器總體SNR性能貢獻大小的方法。這種方法考慮了被處理信號的關(guān)鍵特性(輸入信號帶寬和振幅、調(diào)制方案)和AFE之間的性能(ADC SNR、PLL時鐘抖動等)。

盡管這里討論的方法以ADC(接收)影響為主，但同樣適合DAC(發(fā)射)。

ADC SNR規(guī)格(SNRnyq)是確定AFE對系統(tǒng)EVM貢獻的起點。SNRnyq規(guī)格(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器本征SNR)是指信號功率(假設(shè)信號是滿幅純正弦波)與ADC所有噪聲貢獻功率之比。它包括熱噪聲和在完整ADC奈奎斯特帶上積分的量化噪聲。

不過，考慮信號特點，如信號帶寬和輸入信號振幅以及PLL時鐘的貢獻，就能改善轉(zhuǎn)換器有效SNR。

輸入信號帶寬

運用現(xiàn)代頻域數(shù)字信號處理技術(shù)解調(diào)ADC輸出上的信號。不過，通常我們只考慮具有關(guān)注帶內(nèi)的信號成分，從而有效濾除所有帶外噪聲成分。

提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器SNR性能的一個簡單辦法是通過一個更大的頻譜分散它產(chǎn)生的總噪聲功率，藉此增大轉(zhuǎn)換器采樣率，超過最小奈奎斯特極限。這降低了任何指定頻帶上的噪聲功率密度，從而提高了SNR(當只考慮帶內(nèi)信號時)。如圖3所示，這種方法稱過采樣。

右側(cè)上的ADC使用的采樣率比左側(cè)ADC使用的采樣率高，因此落入關(guān)注頻帶內(nèi)的總噪聲(用數(shù)字濾波器識別)較小，而有效轉(zhuǎn)換器SNR較大。