基站射頻卡時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)方案

由于偶爾需要支持遠(yuǎn)程射頻頭內(nèi)的射頻卡，大多數(shù)射頻卡會(huì)采用一個(gè)基于鏈路到基站的恢復(fù)時(shí)鐘作為輸入時(shí)鐘。這些單輸入時(shí)鐘的質(zhì)量很差，可能需要清理明顯的抖動(dòng)，為的是有效生成射頻卡上的其他時(shí)鐘。

　　因此，射頻卡時(shí)鐘樹的核心必須是一個(gè)具有可編程輸出頻率的抖動(dòng)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(shí)鐘樹要求。

　　射頻卡架構(gòu)注意事項(xiàng)

　　當(dāng)今，大多數(shù)基站射頻卡設(shè)計(jì)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(hào)。這是處理錯(cuò)誤校正、信道映射和數(shù)字分割I(lǐng)、Q數(shù)據(jù)流的更簡(jiǎn)單方法。這種復(fù)合信號(hào)的復(fù)雜數(shù)據(jù)流還需要在發(fā)送和接收兩個(gè)方向進(jìn)行非常小心的濾波/信號(hào)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(jià)。

　　盡管數(shù)字操作多種多樣，在某些時(shí)候信號(hào)必須調(diào)制成一個(gè)載波，它可以在824MHz～2.62GHz范圍內(nèi)并以模擬信號(hào)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(jí)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(gè)數(shù)字流。這個(gè)基帶信號(hào)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(guò)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(hào)沿著路徑提高到其傳輸頻段的所需強(qiáng)度，而只增加了少量噪聲及失真，同時(shí)最大限度減少了傳輸頻段以外的能量，以防止對(duì)其他射頻信道的干擾。

　　在接收端，射頻信號(hào)通常經(jīng)過(guò)放大、濾波，然后通過(guò)一個(gè)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(hào)通過(guò)一個(gè)可變數(shù)量、經(jīng)過(guò)濾波并最后由一個(gè)流水線ADC根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則采樣進(jìn)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(biāo)是在ADC獲得最小附加噪聲和互調(diào)失真之前，完成這個(gè)信號(hào)調(diào)理，同時(shí)避免超過(guò)ADC的最大范圍。

　　射頻卡架構(gòu)師更愿意盡可能地集成時(shí)鐘樹。不僅是上述理由，而是由于每個(gè)時(shí)鐘樹元件都有自己的抖動(dòng)貢獻(xiàn)，它可以推動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘，而且可以產(chǎn)生ADC和DAC的采樣時(shí)鐘及其他數(shù)字元件時(shí)鐘，如CPU、ASIC和FPGA。

　　與涉及射頻信號(hào)路徑的時(shí)鐘相比，這些數(shù)字元件的時(shí)鐘通常有更寬泛的規(guī)格;周期抖動(dòng)是最常見的主要問(wèn)題。當(dāng)隨著這些更敏感的時(shí)鐘在同一個(gè)芯片上生成這些時(shí)鐘時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題。首先，數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)很少是射頻卡輸入時(shí)鐘信號(hào)的整倍數(shù)，所以必須利用分?jǐn)?shù)反饋或小數(shù)輸出分頻技術(shù)來(lái)生成。然而，這兩種技術(shù)要在時(shí)鐘芯片內(nèi)和時(shí)鐘輸出上引入明顯的寄生含量。其次，數(shù)字時(shí)鐘芯片(或生成時(shí)產(chǎn)生的任何寄生含量)降至接近射頻、中頻或采樣頻率無(wú)法輕易過(guò)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(wú)論是否作為寬帶噪聲(如果沒(méi)有濾波)還是通過(guò)混疊進(jìn)入臨界頻率范圍都是如此?；祛l器、ADC和DAC的頻率影響

　　混頻器是一種用來(lái)將高頻率信號(hào)與低頻率信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的模擬元件。在大多數(shù)基站射頻卡設(shè)計(jì)中，混頻器是將信號(hào)從射頻轉(zhuǎn)換到中頻或從基帶轉(zhuǎn)換到射頻。時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)關(guān)注的主要問(wèn)題是頻率混疊問(wèn)題。當(dāng)多個(gè)頻率通過(guò)一個(gè)非線性器件時(shí)，這些頻率會(huì)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(gè)輸入頻率并生成一個(gè)輸出頻率，要么是兩個(gè)頻率的和(上轉(zhuǎn)換)，要么是兩個(gè)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(hào)。因此，理想的信號(hào)不是單音頻線的有用信號(hào)，而是包含全系列的音頻線，它均勻分布在整個(gè)響應(yīng)頻段。這些線代表被恢復(fù)的各個(gè)信道。不幸的是，因?yàn)檫@個(gè)多載波信號(hào)貫穿于混頻器等非線性元件，這里的每個(gè)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(shí)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(duì)于帶內(nèi)奇數(shù)階積什么事也做不了，因?yàn)樗鼈兿陆档眠^(guò)于接近有用信號(hào)。

　　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(cuò)，但采樣時(shí)鐘的任何抖動(dòng)都會(huì)將潔音線轉(zhuǎn)入一個(gè)邊緣(skirt)，如圖2所示。來(lái)自每個(gè)不受歡迎積的邊緣的尾巴將對(duì)濾波器通帶內(nèi)有一定的影響，這稱為寬帶噪聲?；祛l器產(chǎn)生的任何時(shí)鐘(或ADC或DAC)必須有一個(gè)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(hào)被稱為“干擾”或“阻斷(blocker)”，進(jìn)入混頻器的輸入將對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的規(guī)格產(chǎn)生影響。它們可能包含通過(guò)天線接收的其他信號(hào)，或耦合進(jìn)入接收信號(hào)路徑的系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)。雖然可將有用信號(hào)從廣泛頻率中分離出來(lái)的“阻斷”可通過(guò)預(yù)濾波器得到明顯抑制，但接近有用信號(hào)的頻率仍會(huì)通過(guò)。此外，在像LTE這樣的協(xié)議中，有用信號(hào)具有較低的平均功率，即使是通過(guò)濾波器來(lái)衰減“阻斷”，可能仍然含有足夠的能量與有用信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)。

　　這種就是進(jìn)入混頻器的時(shí)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(jì)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(hào)的頻率中分離“阻斷”及其互調(diào)積。

　　ADC抖動(dòng)的其他影響

　　由于ADC是采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，而不是完全線性的轉(zhuǎn)換，在有用輸入信號(hào)、不需要的(“阻斷”)信號(hào)和采樣時(shí)鐘之間，它們也將受到互調(diào)積所有相同的影響。

　　然而，還有另一種推動(dòng)ADC采樣時(shí)鐘規(guī)格的影響。這就是孔徑抖動(dòng)效果，如圖3所示。

　　圖3 ADC的孔徑抖動(dòng)

　　其基本概念是，任何時(shí)間不確定性的采樣都可以通過(guò)三角法轉(zhuǎn)換成該采樣振幅的不確定性。振幅的不確定性可導(dǎo)致ADC信噪比的下降。一旦已知了輸入信號(hào)的頻率，RMS抖動(dòng)目標(biāo)可確定為ADC的理想信噪比。一旦達(dá)到目標(biāo)，ADC內(nèi)的時(shí)鐘樹固有抖動(dòng)即可分解出來(lái)，以確定采樣時(shí)鐘的目標(biāo)RMS抖動(dòng)規(guī)格。

　　時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)DAC的影響

　　用于發(fā)送路徑的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)把一個(gè)數(shù)字表示的基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)模擬表示的基帶信號(hào)，以便隨后轉(zhuǎn)換為RF頻率，并放大到所需的發(fā)射功率。射頻卡設(shè)計(jì)師將關(guān)注固定卡的頻率規(guī)劃，以確保DAC的采樣頻率不會(huì)與接收卡端的臨界頻段重疊。這很重要，因?yàn)镈AC受到來(lái)自兩個(gè)潛在機(jī)制的頻率生成圖像的影響。

　　第一種機(jī)制與ADC和混頻器中發(fā)生的情況相同，采樣時(shí)鐘的卷積(fLO)和輸入信號(hào)(fIN) 產(chǎn)生的頻率都在N·fLO+M·fIN。此卷積結(jié)果來(lái)自于轉(zhuǎn)換器的非線性。對(duì)采樣時(shí)鐘抖動(dòng)有關(guān)要求的影響與ADC類似。

　　第二個(gè)機(jī)制是大多數(shù)DAC工作方式中不可避免的結(jié)果。如圖4所示，在每個(gè)采樣時(shí)鐘沿，DAC的輸出將很快切換到一個(gè)新的電壓等級(jí)以代表數(shù)字采樣值。此值將保持到下一次采樣的時(shí)鐘沿。輸出僅匹配每一次采樣時(shí)鐘的所需波形。