AD6645型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在軟件無(wú)線(xiàn)電中的應(yīng)用

1 引言

軟件無(wú)線(xiàn)電是基于一種通用的硬件平臺(tái)，通過(guò)加載不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的無(wú)線(xiàn)通信功能，它是一種全新的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)體系，其核心設(shè)計(jì)思想是在盡可能靠近天線(xiàn)的地方使用寬帶a/d轉(zhuǎn)換器，在射頻段將信號(hào)數(shù)字化，在dsp中用軟件實(shí)現(xiàn)所有功能，受硬件發(fā)展水平的限制，目前存在二大瓶頸：一是a/d轉(zhuǎn)換器的速率和性能，二是dsp的處理速度。a/d轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中所處的位置是很關(guān)鍵的，因?yàn)樗苯臃从耻浖某潭?，?duì)理想的軟件無(wú)線(xiàn)電而言，a/d轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍必須為100db－120db，最大信號(hào)輸入頻率在1ghz－5ghz之間，目前器件發(fā)展水平很難實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)指標(biāo)，即使實(shí)現(xiàn)了這些指標(biāo)，如此大的數(shù)據(jù)量也是后面的dsp無(wú)法承擔(dān)的，所以折衷的方案就是進(jìn)行中頻采樣。

2 選擇依據(jù)

a/d轉(zhuǎn)換器的選擇既要考慮a/d轉(zhuǎn)換器的性能又要考慮能滿(mǎn)足系統(tǒng)所要求的動(dòng)態(tài)范圍和性能指標(biāo)。評(píng)價(jià)a/d轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)主要有a/d轉(zhuǎn)換位數(shù)、無(wú)寄生動(dòng)態(tài)為（（sfdr）、信噪比（snr）、轉(zhuǎn)換速率、量化靈敏度等。一般來(lái)說(shuō)a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)越多越好，轉(zhuǎn)換位數(shù)越多，其動(dòng)態(tài)范圍就越高。由于本設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)中選用的hsp50214型可編程下變頻器輸入是14位，因此選用14位的a/d轉(zhuǎn)換器。在目前的無(wú)線(xiàn)電中頻方案里，一般都采用欠采樣技術(shù)，采樣頻率一般為幾十赫茲至上百赫茲，若對(duì)中頻為70mhz、帶寬為2mhz的信號(hào)（am或fm）采用40mhz采樣，由a/d轉(zhuǎn)換器的理論snr公式可知：

snr＝6.02b＋1.76＋10log10（fs/2fmax）db ＝6.02×14＋1.76＋10log10（40×106/2×71×106）db ≈81db

式中，b為a/d轉(zhuǎn)換器位數(shù)，fs為采樣速率，fmax為輸入信號(hào)的最高頻率。在實(shí)際測(cè)試中，a/d轉(zhuǎn)換器的最后2位會(huì)不停變化，其有效位（enob）為12位，代入上式后可得snr為69db。所以ad6644和ad6645都能滿(mǎn)足要求，由于ad6645的孔徑抖動(dòng)小于0.2ps，ad6645的孔徑抖動(dòng)小于0.3ps，所以在中頻接收系統(tǒng)中用ad6645效果會(huì)更好一些。目前市場(chǎng)上的高速采樣器件種類(lèi)繁多，表1列出一些主流a/d轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)。

3 主要特點(diǎn)

ad6645是帶寬a/d轉(zhuǎn)換器系列中繼ad9042（12位41ms/s）和ad6640（12位65ms/s）、ad6644（14位，40ms/s，65ms/s）后的第四代產(chǎn)品，其主要特點(diǎn)如下：

保持采樣率可達(dá)80ms/s；
工作帶寬達(dá)270mhz；
多音無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍（sfdr）為100db；
對(duì)200mhz信號(hào)采樣時(shí)采樣抖動(dòng)時(shí)間為0.1ps；
數(shù)字輸出可以在3.3v下工作，便于與數(shù)字asic接口；
功耗為1.5w。

4 工作原理

如圖1所示，ad6645采用3級(jí)子區(qū)式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)的好處是保證了轉(zhuǎn)換的精度和速度又實(shí)現(xiàn)了較小的功耗和封裝尺寸，ad6645有2個(gè)互補(bǔ)的模擬輸入端ain和ain反，2路輸入經(jīng)過(guò)緩沖后先進(jìn)入第一個(gè)保持器th1，encode脈沖為高時(shí)th1處于保持狀態(tài)，th1的保持值作為5位a/d轉(zhuǎn)換器adc1的輸入，其輸出驅(qū)動(dòng)1個(gè)5位d/a轉(zhuǎn)換器dac1。經(jīng)過(guò)延遲后的模擬信號(hào)減dac1的輸出后在th3的輸入端產(chǎn)生第一個(gè)剩余信號(hào)，保持器th2補(bǔ)償由adc1造成的延遲。

在由1個(gè)5位adc2、5位dac2和1個(gè)th4組成的第二轉(zhuǎn)換階段中，th4保持的第一個(gè)剩余信號(hào)減去dac2的量化輸出產(chǎn)生第二個(gè)剩余信號(hào)作為th5的輸入，th5驅(qū)動(dòng)最后一個(gè)6位a/d轉(zhuǎn)換器adc3，將adc1、adc2和adc3的輸出相加并經(jīng)數(shù)字誤差校正邏輯修正后將得到并行輸出的14位二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)。

5 實(shí)際應(yīng)用

5.1 時(shí)鐘輸入電路

為了保證14位的精度，對(duì)ad6645的采樣時(shí)鐘質(zhì)量要求較高且要具有低相位噪聲。為了獲得最佳性能，ad6645的時(shí)鐘必須采用差分輸入，時(shí)鐘信號(hào)可通過(guò)1個(gè)變壓器或電容器交流耦合到encode和encode反腳，這2個(gè)引腳在片內(nèi)被偏置，無(wú)需外加偏置電路，為了提高時(shí)鐘信號(hào)的差分輸入質(zhì)量，本設(shè)計(jì)采用了motorola公司的mc100lve16型低壓差分接收器，它的抗抖動(dòng)性能非常好，整個(gè)連接電路如圖2所示，差分輸出端q和q反的電壓較小，和后面的ad6645輸入電壓不匹配，因此分別加上偏置電壓。

5.2 模擬輸入電路

作為新型的高速、大動(dòng)態(tài)范圍a/d轉(zhuǎn)換器，ad6645的模擬信號(hào)輸入也應(yīng)為差分形式，因?yàn)樵谀M信號(hào)階段差分輸入對(duì)偶次諧波有很高的共模抑制比，可以提高電路的性能，采用差分輸入在制作pcb時(shí)也有很大的好處：其一是對(duì)電源和地引入的噪聲有很高的共模抑制比；其二是對(duì)由本振反饋引入的共模信號(hào)也有很強(qiáng)的抑制作用。

ad6645的模擬輸入電壓被偏置到2.4v，在電路內(nèi)部每個(gè)模擬輸出通過(guò)1只500ω電阻器連接到2.4v偏置電壓和差分緩沖器，因此驅(qū)動(dòng)ad6645的模擬信號(hào)必須通過(guò)交流耦合送進(jìn)輸入端，實(shí)際使用時(shí)可以采用如圖3所示的4：1阻抗變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.3 信號(hào)輸出

ad6645的數(shù)字輸出有固定的輸出擺動(dòng)率（1v/ns），制作pcb時(shí)，1個(gè)cmos門(mén)加上布線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生大約10bf的電容，因此每有1位轉(zhuǎn)換輸出就會(huì)有10ma的動(dòng)態(tài)電流出入器件，滿(mǎn)量程輸出即14位輸出時(shí)就會(huì)有140a的電流，所以在每條輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)上要串聯(lián)100ω的電阻器以限制這些電流流入接收器件，在軟件無(wú)線(xiàn)電的中頻采樣方案中，采用在ad6645后接1個(gè)hsp50214b型下變頻器來(lái)進(jìn)行降頻、抽取、濾波等一系列處理，二者之間加1個(gè)74lcx574型鎖存器。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備輸出信號(hào)dry作為74lcx574的時(shí)鐘輸入，并經(jīng)反相器后作為hsp50214b型數(shù)字下變頻器的前端時(shí)鐘clkin輸入。

5.4 注意事項(xiàng)

ad6645對(duì)時(shí)鐘電路要求比較苛刻，該電路接收到的任何噪聲都會(huì)造成數(shù)字化性能的惡化和總體性能的降低，因此一定要將其與數(shù)字輸出和模擬輸入隔離開(kāi)來(lái)，除了布線(xiàn)應(yīng)盡量短外，整個(gè)采樣電路下面要大面積覆銅接地以降低干擾，模擬部分和數(shù)字部分的供電電源avcc（5v）和dvcc（3.3v）要盡量分開(kāi)，在電源濾波中使用高頻特性好的陶瓷電容器來(lái)抑制噪聲，數(shù)字地和模擬地應(yīng)該分開(kāi)并通過(guò)高頻磁珠單點(diǎn)接地。在實(shí)際調(diào)試時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)不理想，可用門(mén)電路進(jìn)行整形，dry信號(hào)較小，也可用nc7sz32型門(mén)電路進(jìn)行整形驅(qū)動(dòng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

作為未來(lái)通信的發(fā)展方向，軟件無(wú)線(xiàn)電以其靈活性和通用性引起了全世界的關(guān)注，而a/d轉(zhuǎn)換和d/a轉(zhuǎn)換部分在軟件無(wú)線(xiàn)電中起著關(guān)鍵的作用，因此器件的選取及外圍電路的設(shè)計(jì)顯得非常重要，尤其是在抗干擾方面要更加注意。ad6645以其優(yōu)越的性能成為目前軟件無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)中a/d轉(zhuǎn)換器的理想選擇。