高性能中頻采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃麗蓮，李子緒

（哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

中頻采樣廣泛應(yīng)用于軟件無線電、數(shù)字中頻接收機(jī)、基站系統(tǒng)等通信領(lǐng)域[1]。高性能的中頻采樣系統(tǒng)往往要求具備高信噪比、靈活可變的采樣頻率，支持高速高精度采樣。根據(jù)以上要求，這里設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高性能中頻采樣系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1為中頻采樣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，由圖1可知，該系統(tǒng)主要由驅(qū)動電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、時鐘電路3部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Total block diagram of system

1.1 驅(qū)動電路

信號A/D轉(zhuǎn)換前往往需要進(jìn)行以下處理：1）放大或衰減，使輸入信號的電平與A/D轉(zhuǎn)換器的所需電平相吻合；2）直流補(bǔ)償或電平轉(zhuǎn)換，通過補(bǔ)償提高或降低直流電平使之符合A/D轉(zhuǎn)換器的工作電平；3）濾波，濾除信號雜波使頻帶寬度符合A/D轉(zhuǎn)換器的要求。采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路可以很好的完成上述處理。

使用運(yùn)算放大器作A/D轉(zhuǎn)換器的接口還可作為緩存。大部分的A/D轉(zhuǎn)換器并不能獲得與輸入電壓范圍相符合的輸入信號，只有極少的情況下是相符的，這時需要在輸入信號與A/D轉(zhuǎn)換器之間加入一個緩存運(yùn)放，這樣可以解決以下問題：1）阻抗匹配，信號源往往并不是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的低阻抗，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入將影響信號源。通常運(yùn)算放大器緩存具有高輸入阻抗，因此它不會對信號源產(chǎn)生影響，另外其低輸出阻抗有益于A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動；2）減小容性負(fù)載的影響，大多數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器除在輸入端具有電阻特性外，還具有電容效應(yīng)。因此需要額外的補(bǔ)償電路，通常用電阻或電容。運(yùn)算放大器的低輸出阻抗特性使其解決上述問題；3）將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號，許多A/D轉(zhuǎn)換器使用差分輸入，而大多數(shù)信號是單端的，運(yùn)算放大器可以完成這一轉(zhuǎn)換。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)主要分為靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)2種。靜態(tài)參數(shù)是指A/D轉(zhuǎn)換電路在低頻或直流下的性能參數(shù)，而動態(tài)參數(shù)則是指中頻或射頻信號輸入時的性能參數(shù)。對于中頻采樣系統(tǒng)來說，由于輸入信號頻率較高，其動態(tài)特性對反映電路的性能具有更大意義。重要的動態(tài)特性指標(biāo)包括：信噪比RSN、無雜散動態(tài)范圍SFDR、有效比特位ENOB、積分非線性INL、微分非線性DNL等[2]。

一個高性能的中頻采樣系統(tǒng)對噪聲性能的要求很高，A/D轉(zhuǎn)換器的噪聲來源通常有：A/D轉(zhuǎn)換器失真和量化噪聲，A/D轉(zhuǎn)換器等價輸入噪聲，內(nèi)部抽樣保持電路的孔徑抖動，不良的接地和退耦設(shè)計(jì)，外部驅(qū)動放大器的噪聲，不良的布局和信號走線設(shè)計(jì)，采樣時鐘噪聲，外部電源噪聲[3]。針對以上噪聲來源，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用以下方法，力求減小噪聲的引入：所有芯片的電源部分都采用鉭電解電容與大面積，低阻抗的地層相退耦，用于去除低頻噪聲；使用鐵氧體磁珠去除電源的高頻噪聲；模擬地與數(shù)字地分離。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

1.3 時鐘電路

中頻采樣系統(tǒng)的時鐘抖動會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響，并且隨著輸入信號頻率的增加，這種影響越來越明顯。設(shè)輸入信號V=Asin（ωt+φ），采樣時鐘抖動為dt，信號能量為ES，噪聲能量為En，則有：

圖2 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.2 ADC circuit

式（2）是在假設(shè)信號為正弦信號輸入的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的。而對于任意信號，都可以看成是單頻（正弦）信號的組合，所以，式（2）具有通用性。因此，在已知輸入信號頻率fin及采樣時鐘抖動tj的情況下，A/D轉(zhuǎn)換器的信噪比被要求限制在-201g2πfintj以下，該信噪比與采樣時鐘fS無關(guān)，卻與輸入信號的頻率fin相關(guān)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

采用AD9445作為A/D轉(zhuǎn)換電路的核心器件，該器件是一款適用于中頻采樣的14位，單片集成A/D轉(zhuǎn)換器。它采用3.3 V和5.0 V雙電源供電，支持差分信號的時鐘輸入，支持CMOS、LVDS 2種數(shù)據(jù)輸出格式。其重要引腳功能[4]如下：

DCS MODE：時鐘占空周期穩(wěn)定器控制引腳，該引腳為低電平時可以起到穩(wěn)定時鐘周期占空比的作用。

OUTPUT MODE：將輸出數(shù)據(jù)電平選擇為CMOS電平，或者LVDS電平，為了獲取更高的性能，采用LVDS電平。

DFS：數(shù)據(jù)格式選擇，可以將輸出數(shù)據(jù)格式設(shè)置為二進(jìn)制補(bǔ)碼或者偏置二級制格式。

VREF：配置該引腳可設(shè)置其內(nèi)部參考電壓。

SENCE：配合VREF引腳完成內(nèi)部參考電壓的設(shè)置。

REFT，REFB：差分參考輸出引腳。

VIN+，VIN-：輸入電壓引腳。

CLK+，CLK-：采樣時鐘輸入引腳。

D0～D13：輸出引腳。

DCO：數(shù)據(jù)時鐘輸出引腳。

目前，主流中頻采樣A/D轉(zhuǎn)換器都采用差分信號輸入，差分信號能有效地去除共模噪聲，提高系統(tǒng)的抗噪聲性能，這里采用LVDS模式的差分信號輸入。電路設(shè)計(jì)如圖2所示。經(jīng)過調(diào)試，本系統(tǒng)在輸入中頻單頻信號頻率為40 MHz的情況下，信噪比可達(dá)77.4 dB。其頻譜如圖3所示。

圖3 40MHz輸入，125 MHz采樣后的FFT頻譜Fig.3 40MHz input，F(xiàn)FT spectrum with 125MHz sampling

2.2 A/D轉(zhuǎn)換器前端運(yùn)放電路

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用AD8352型超低失真差分中頻放大器作為A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動器件。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 AD8352運(yùn)放設(shè)計(jì)電路Fig.4 Design circuit of AD8352 operational amplifier

通過設(shè)置電阻RG的大小，可調(diào)節(jié)AD8352的放大倍數(shù)，其范圍為：3～25 dB。CD和RD用于消除失真。通過前端的變壓器，可以將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號，為AD8352提供差分信號，使其具有更高的性能[5]。

2.3 采樣時鐘電路

AD9445的采樣時鐘必須是一個高質(zhì)量，超低相位噪聲的時鐘源。根據(jù)上述理論分析可知，時鐘抖動會對A/D轉(zhuǎn)換器的性能造成很大影響：

假設(shè)一個中頻輸入信號的頻率為70 MHz，采樣時鐘的抖動為1 ps，則RSN=-201g（2π×70×106×10-12）=67.13 dB。結(jié)果說明，時鐘的抖動已經(jīng)將A/D轉(zhuǎn)換器的信噪比限制在67.13 dB以下，在輸入70 MHz時，如果使用一個高抖動的時鐘源，則RSN性能很容易被降低3～4 dB。這里采用高性能時鐘分配芯片AD9518-4作為采樣時鐘，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 AD9518-4電路設(shè)計(jì)Fig.5 Ccircuit design of AD9518-4

AD9518具有6路時鐘輸出，可分為3組，即同時可輸出3種不同頻率，并且每路的頻率輸出都可以通過軟件進(jìn)行配置調(diào)節(jié)。AD9518具有內(nèi)部鎖相環(huán)和壓控振蕩器電路，時鐘輸出范圍寬，時鐘抖動小，輸出頻率靈活[6]。AD9518，我們可以獲得高性能的采樣時鐘，同時，通過對AD9518內(nèi)部寄存器的操作，改變采樣時鐘的頻率，從而方便地進(jìn)行中頻欠采樣或過采樣等信號處理工作。圖6顯示了本設(shè)計(jì)中時鐘采樣電路的主要性能指標(biāo)。

圖6 AD9518-4時鐘輸出指標(biāo)Fig.6 AD9518-4 clock output index

2.4 系統(tǒng)電源電路

電源噪聲是板級設(shè)計(jì)中的主要噪聲來源。為了盡量減小電源噪聲，使用低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）LT1763作為電源器件。針對運(yùn)放、A/D轉(zhuǎn)換器以及時鐘電路都要嚴(yán)格滿足模擬與數(shù)字電源分離的要求。本設(shè)計(jì)中的電源方案如表1所示，每種電壓都使用1片LT1763單獨(dú)供電，從而最大限度地防止數(shù)字電壓與模擬電壓之間的串?dāng)_以及不同供電電壓之間的串?dāng)_。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是采樣系統(tǒng)的時鐘芯片AD9518的軟件配置，AD9518是一款可調(diào)時鐘輸出頻率的多路時鐘輸出芯片，其輸出時鐘可以通過對其內(nèi)部寄存器的配置完成。配置軟件中的主要功能函數(shù)包括：

表1 電源方案設(shè)計(jì)Tab.1 Power design scheme

void Init_AD9518（void）；//初始化AD9518

void Set_AD9518（void）；//配置AD9518

void Reset_AD9518（void）；//復(fù)位AD9518

void Write_AD9518（unsigned int address，unsigned int data）；//寫AD9518寄存器

void Read_AD9518（unsigned int address，unsigned int data）；//讀AD9518寄存器

通過以上函數(shù)即可完成時鐘芯片的配置，達(dá)到在采樣過程中靈活變換時鐘的目的。

4 結(jié)束語

中頻采樣系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，但由于前端驅(qū)動設(shè)計(jì)問題或采樣時鐘抖動過大而限制采樣系統(tǒng)的整體性能。該設(shè)計(jì)方案已成功實(shí)現(xiàn)，配合后端的數(shù)字處理電路，可以獲得高性能的中頻采樣信號。

[1]張樂，張新軍，施聰，等.中頻采樣的原理及其應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2001（9）：8-11.

ZHANG Le，ZHANG Xin-jun，SHI Cong，et al.The principles and applications of IF sampling[J].Communications Technology，2001（9）：8-11.

[2]肖科.高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路動態(tài)性能測試[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2002.

[3]Johnson H，Graham M.高速數(shù)字設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]Analog Device Inc.AD9445 Datasheet[EB/OL].（2005-11）[2010-05-10].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9445.pdf.

[5]Analog Device Inc.AD8352 Datasheet（EB/OL）.（2008-07）[2010-05-10].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8352.pdf.

[6]Analog Device Inc.AD9518-4 Datasheet（EB/OL）.（2010-01）[2010-05-10].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9518_4.pdf.