同步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器陣列的采樣時(shí)鐘

摘要

在各種應(yīng)用中(從通信基礎(chǔ)設(shè)施到儀器儀表)，對(duì)系統(tǒng)帶寬和分辨率的更高要求促進(jìn)了將多個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以陣列形式連接的需求。設(shè)計(jì)人員必須找到低噪聲、高精度解決方案，才能為使用普通JESD204B串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口的大型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器陣列提供時(shí)鐘和同步。

時(shí)鐘生成器件包含抖動(dòng)衰減功能、內(nèi)部VCO以及各種輸出和很多同步管理功能，現(xiàn)已問世，它能解決這個(gè)系統(tǒng)問題。然而，在很多實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器陣列所需的大量時(shí)鐘已經(jīng)超出了單個(gè)IC元件所能提供的極限。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常試圖連接多個(gè)時(shí)鐘生成和時(shí)鐘分配元件，從而創(chuàng)建豐富的時(shí)鐘樹。

本文提供一個(gè)關(guān)于如何構(gòu)建靈活可編程時(shí)鐘擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)案例，它不僅具有出色的相位噪聲/抖動(dòng)性能，還可將所需的同步信息從時(shí)鐘樹的第一個(gè)器件傳遞至最后一個(gè)器件，同時(shí)提供確定性控制。

簡(jiǎn)介

無(wú)線通信系統(tǒng)從3G到4G和LTE(以及5G，目前正在規(guī)范討論階段)的演進(jìn)是推動(dòng)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和同步的關(guān)鍵技術(shù)因素。在蜂窩基站應(yīng)用中，多種因素共同作用，提高了數(shù)據(jù)帶寬要求。主要的因素是，訂閱數(shù)量的增加導(dǎo)致對(duì)更為豐富的多媒體內(nèi)容的需求，以及對(duì)于使用全球蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施的機(jī)器間通信的新應(yīng)用需求。其結(jié)果是，設(shè)計(jì)人員尋求全新的創(chuàng)新型RF收發(fā)器架構(gòu)，這種架構(gòu)具有更高的通道數(shù)，使用諸如有源天線設(shè)計(jì)、大規(guī)模MIMO和高級(jí)波束成形等技術(shù)。具有大量輸入和輸出的系統(tǒng)利用多條傳輸路徑，需要大量的ADC和DAC元件。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換要求擴(kuò)大后，采樣時(shí)鐘生成和同步就成了很大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在復(fù)雜系統(tǒng)中，所需的時(shí)鐘信號(hào)數(shù)量可以輕松從幾個(gè)增加到上百個(gè)，如圖1所示。

JESD204B標(biāo)準(zhǔn)定義了串行數(shù)據(jù)接口，可用來(lái)減少寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他系統(tǒng)IC之間的數(shù)據(jù)輸入/輸出數(shù)量。數(shù)據(jù)I/O數(shù)量的下降解決了高速、高位數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的互連問題。以更少的互連提供寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的能力簡(jiǎn)化了PCB布局布線，并實(shí)現(xiàn)更小的尺寸，且不降低整體系統(tǒng)性能。這些改進(jìn)對(duì)于克服大部分應(yīng)用中的系統(tǒng)尺寸和成本限制非常重要，包括無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施、便攜式儀器儀表、軍事應(yīng)用和醫(yī)療超聲設(shè)備。

圖1.帶時(shí)鐘樹的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)

系統(tǒng)級(jí)考慮因素

在含有大型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器陣列的復(fù)雜系統(tǒng)中，處理更大的數(shù)據(jù)量要求從天線到處理單元具有高SNR(信噪比)。從時(shí)鐘角度來(lái)講，SNR受限于采樣時(shí)鐘的相位噪聲。較差的相位噪聲性能會(huì)造成抖動(dòng)并增加EVM(誤差矢量幅度)，從而嚴(yán)重降低SNR，影響系統(tǒng)性能。一般而言，時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)量用抖動(dòng)來(lái)表示，其定義為目標(biāo)帶寬內(nèi)的相位噪聲積分。通常，相位噪聲積分限值為幾十kHz到幾十MHz。然而，寬帶噪聲同樣很重要，因?yàn)檩^高的時(shí)鐘信號(hào)噪底同樣會(huì)影響系統(tǒng)SNR。較差的采樣時(shí)鐘還可能含有雜散信號(hào)內(nèi)容，會(huì)降低SFDR(無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍)。最終，考慮到占空比和上升/下降時(shí)間等參數(shù)，采樣時(shí)鐘質(zhì)量不應(yīng)僅在頻率域中定義，還應(yīng)在時(shí)間域中定義。

這些是采樣時(shí)鐘的基本系統(tǒng)要求。然而，在大型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器陣列中，當(dāng)不同陣列的時(shí)鐘之間需要同步時(shí)，通道間偏斜便是一個(gè)關(guān)鍵要求。這類系統(tǒng)的性能取決于同步數(shù)據(jù)陣列，因此對(duì)不同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間的偏斜很敏感。

功耗也是一個(gè)考慮因素。較高的功耗降低了系統(tǒng)效率，使溫度升高并增加冷卻成本和引線，且增加了潛在故障率。從商業(yè)角度出發(fā)，器件數(shù)和電路板空間同樣是很重要的，應(yīng)加以控制。

時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)

如前所述，在一個(gè)大規(guī)模系統(tǒng)中，單個(gè)時(shí)鐘IC通常沒有足夠的輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)所有分支。時(shí)鐘樹拓?fù)湟苍S可以克服這個(gè)問題，且能同步多個(gè)器件、設(shè)備，或多個(gè)系統(tǒng)。圖2給出了一個(gè)時(shí)鐘樹拓?fù)淇驁D。注意，樹形結(jié)構(gòu)的每一級(jí)都有延遲成分，由固定部分和不確定部分組成。

這些延遲可能受外界因素的影響，比如電壓和溫度變化，以及特定器件工藝變化。這種不精確性會(huì)疊加，可能導(dǎo)致ADC和DAC無(wú)法忍受的時(shí)序偏差，而高頻時(shí)需要對(duì)其時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步?，F(xiàn)代系統(tǒng)所要求的高工作頻率意味著苛刻的建立和保持時(shí)間。雖然固定延遲可以通過(guò)其它方面加以補(bǔ)償，但不確定性延遲卻無(wú)法在系統(tǒng)中補(bǔ)償。因此，設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)便是通過(guò)某種方式控制不確定性延遲，最小化甚至完全消除其影響。

圖2.時(shí)鐘樹框圖

除這些限制外，樹形結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是靈活的，以便根據(jù)系統(tǒng)需要增加分支數(shù)量，并輕松控制它們。

實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘對(duì)齊和通道偏斜最小化目標(biāo)的常見做法是使用確定性——也就是說(shuō)，重復(fù)用于所有器件和所有上電時(shí)序。在JESD204B系統(tǒng)中，需要對(duì)齊本地多幀時(shí)鐘(LMFC)，以實(shí)現(xiàn)確定性延遲。接口通過(guò)子類1 (SYSREF)或子類2 (SYNC)定義調(diào)用發(fā)送和接收器件的LMFC復(fù)位與對(duì)齊。系統(tǒng)中的不確定性延遲使得在1個(gè)LFMC周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)LMFC的對(duì)齊變得更為困難。因此，前文提到的帶高精度對(duì)齊功能的時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員滿足LMFC對(duì)齊要求。

此外，設(shè)計(jì)人員還需確保在每一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入端觀察到相對(duì)于器件時(shí)鐘而言可以接受的SYSREF信號(hào)建立和保持時(shí)間。如果設(shè)計(jì)中使用了單時(shí)鐘芯片，則滿足建立和保持時(shí)間要求直接保證了具有適當(dāng)?shù)臅r(shí)序裕量，而在基于簡(jiǎn)單時(shí)鐘緩沖器的多器件時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)中，控制建立和保持時(shí)間的難度更大。建議的時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)具有不同層級(jí)之間的確定性同步，有助于滿足所有層級(jí)的全部SYSREF/器件時(shí)鐘對(duì)建立/保持時(shí)序的要求。這種時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)可以滿足同步限制，并在不同層級(jí)之間實(shí)現(xiàn)每一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器高速器件時(shí)鐘的相位對(duì)齊。

時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)

圖3顯示了一個(gè)四級(jí)時(shí)鐘樹示例，它采用了一個(gè)主時(shí)鐘生成器件(HMC7044)和三級(jí)扇出緩沖器(HMC7043)來(lái)創(chuàng)建多個(gè)同步時(shí)鐘，用于采樣板。

使用一個(gè)HMC7044器件作為時(shí)鐘樹的根;它是一個(gè)14路輸出時(shí)鐘生成器，抖動(dòng)衰減支持JESD204B同步。HMC7043器件——14路輸出扇出緩沖器——用于每一級(jí)分支。這些器件完全兼容，它們的編程特性非常相似，因而可以很方便地進(jìn)行器件匹配以及增加或減少時(shí)鐘分配級(jí)，提升了系統(tǒng)的靈活性。

在時(shí)鐘樹的每一級(jí)，各輸出之間也許可以實(shí)現(xiàn)同步。在本系統(tǒng)中，HMC7044的輸出可以通過(guò)SPI命令(或者使用更精確的SYNC脈沖)進(jìn)行相位對(duì)齊。該命令將復(fù)位HMC7044的通用SYSREF定時(shí)器，它控制所有時(shí)鐘的輸出分頻器。所有輸出時(shí)鐘分頻器均通過(guò)SYSREF定時(shí)器命令同步對(duì)齊。SYNC命令到SYSREF定時(shí)器的延遲，以及開啟和關(guān)斷時(shí)間之間的延遲非常明確，并提供輸出之間具有確定性延遲的同步。此外，可以編程任意輸出，生成確定數(shù)量的脈沖，用作系統(tǒng)中的SYSREF脈沖。

時(shí)鐘分配器件HMC7043還含有非常相似的SYSREF定時(shí)器結(jié)構(gòu)。該器件利用RFSYNC信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)齊。RFSYNC脈沖將啟動(dòng)與HMC7044的SYNC信號(hào)相同的過(guò)程，并且所有輸出都將以高精度同步。同樣，輸出可以設(shè)為脈沖模式，用作SYSREF脈沖。

建議的時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)基本使用SYSREF信號(hào)作為HMC7043的下一級(jí)RFSYNC信號(hào)，同時(shí)在每一級(jí)的輸出端保持相位對(duì)齊。通過(guò)仔細(xì)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，所有這些時(shí)序信號(hào)都可以是確定性的，從而具有嚴(yán)格的偏斜控制。此外，每個(gè)器件都包含一個(gè)模擬延遲結(jié)構(gòu)，因此輸出之間的任何偏斜差異或任何線路長(zhǎng)度的不相等都可以在源頭進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3.四級(jí)時(shí)鐘樹示例

對(duì)于RF系統(tǒng)中的復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器陣列而言，可能需要使用不同的頻率，因?yàn)锳DC、DAC、FPGA、本振和混頻器可能采用不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)。HMC7044和HMC7043都集成了分頻器，可生成多種頻率的信號(hào)。另外，HMC7044具有雙PLL結(jié)構(gòu)，集成VCO，無(wú)需額外元件即可生成高頻時(shí)鐘。

常見通信系統(tǒng)的額外復(fù)雜性在于，大部分RF前端元件依賴串行接口連接到發(fā)送/接收模塊，要求數(shù)據(jù)和時(shí)鐘通過(guò)數(shù)字處理器或FPGA來(lái)嵌入/消除。這個(gè)過(guò)程通常會(huì)產(chǎn)生干擾基準(zhǔn)時(shí)鐘抖動(dòng)，要求在較大的RF時(shí)鐘生成和分配器件中集成抖動(dòng)衰減能力，比如HMC7044。

用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器陣列的緊湊型解決方案如圖4所示。

圖4.四級(jí)時(shí)鐘樹的緊湊型解決方案

測(cè)試結(jié)果

圖5顯示了所有輸出之間的偏斜。黃線和青線信號(hào)是脈沖SYSREF信號(hào)和第4級(jí)輸出的連續(xù)時(shí)鐘信號(hào)，它們無(wú)需額外的延遲調(diào)節(jié)即可同步。藍(lán)線信號(hào)是HMC7044的連續(xù)SYSREF信號(hào)，它通過(guò)模擬延遲功能與第4級(jí)輸出同步。本例中的總偏斜低于16 ps。

圖5.四級(jí)輸出的時(shí)間域響應(yīng)

四級(jí)時(shí)鐘樹的相位噪聲性能如圖6所示。時(shí)鐘發(fā)生器的相位噪聲同樣以淺藍(lán)色線表示?？傁辔辉肼曉诟哌_(dá)2 MHz失調(diào)范圍內(nèi)無(wú)下降。給定每一級(jí)的加性噪聲(加性抖動(dòng))，則噪底性能不可避免地會(huì)下降，且在圖中的這一部分可以看出噪聲增加了6 dB。HMC7044和HMC7043具有相同的輸出噪底(約為–154 dBc/Hz)，并且全部四個(gè)器件的噪聲下降至–148 dBc/Hz，這對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)而言仍然可以接受。

2457.6 MHz時(shí)，12 kHz到20 MHz的積分噪聲計(jì)算得到52.7 fs抖動(dòng)rms，相對(duì)于HMC7044輸出僅下降了數(shù)fs rms。在幾乎所有的實(shí)際系統(tǒng)中，這種性能下降是可以忍受的;但是如果不能接受的話，那么最終級(jí)可以用HMC7044來(lái)代替(而不是HMC7043)，它可以衰減時(shí)鐘樹本身的一切累積抖動(dòng)。

圖6.四級(jí)輸出的時(shí)間域響應(yīng)

如前所述，在大量使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)中，功耗是最關(guān)鍵的問題之一。影響這類時(shí)鐘樹功耗的一個(gè)重要因素是使用的信號(hào)類型。HMC7044和HMC7043的輸出信號(hào)模式可以通過(guò)軟件控制單獨(dú)更改，從而提供了功耗與驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度及頻率之間的權(quán)衡選擇。原則上，低頻時(shí)可以使用低功耗LVDS，而高頻時(shí)使用LVPECL和CML可以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

結(jié)論

本文中的討論適用于采用分布式大型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器陣列的各種不同系統(tǒng)，范圍涉及無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施、軍用雷達(dá)以及測(cè)試與測(cè)量系統(tǒng)。最近5G通信系統(tǒng)提出的更高頻率和帶寬調(diào)制方案的基礎(chǔ)是多RF輸入/輸出接口的當(dāng)前趨勢(shì)，需要更多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。此外，在某些最新的5G架構(gòu)方案中，相位陣列天線出現(xiàn)的頻率很高，它是降低功耗、提升輸出容量的一種途徑。

相位陣列技術(shù)廣泛用于軍事通信系統(tǒng)中，這項(xiàng)技術(shù)不僅需要大量時(shí)鐘，還需要對(duì)這些時(shí)鐘進(jìn)行精確同步。

大型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器陣列的另一個(gè)重要使用場(chǎng)景是測(cè)試與測(cè)量系統(tǒng)，這類系統(tǒng)要求以高采樣速率捕獲大量數(shù)據(jù)、引入的噪聲盡可能低，并要求同步處理。這些系統(tǒng)同樣需要大量的同步時(shí)鐘。類似地，在高級(jí)醫(yī)療成像系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理吞吐速率非常高，且要求并行數(shù)據(jù)采集路徑能同步操作。

正如本文所指出的，IC公司正在推出創(chuàng)新和實(shí)用的解決方案，以便實(shí)現(xiàn)這些高級(jí)設(shè)計(jì)。HMC7044和HMC7043等元件的設(shè)計(jì)考慮到了系統(tǒng)挑戰(zhàn)，它們旨在構(gòu)建高性能和靈活的時(shí)鐘樹，同時(shí)在多級(jí)時(shí)鐘擴(kuò)展中保持確定性相位精度。