電路功能與優(yōu)勢
該電路是靈活的頻率捷變中頻至基帶接收機。中頻和基帶上的可變增益用于調(diào)整信號電平。 ADRF6510 基帶ADC驅(qū)動器還包括可編程低通濾波器，可消除通道外阻塞和噪聲。
此濾波器的帶寬可隨著輸入信號帶寬變化而動態(tài)地調(diào)節(jié)。這樣可以確保由本電路驅(qū)動的ADC的可用動態(tài)范圍得到充分使用。
電路內(nèi)核是IQ解調(diào)器。 ADL5387 基于2×LO的相位分離架構(gòu)支持寬頻率范圍工作。精確的正交平衡和低輸出直流失調(diào)確保了對誤差矢量幅度(EVM)的影響極小。
本電路內(nèi)所有元件間的接口均采用全差分式。如果不同級間需要直流耦合，相鄰級的偏置電平彼此兼容。
圖1. 直接變頻接收機原理示意圖(所有連接和去耦均未顯示)
電路描述
接收機架構(gòu)
本電路筆記中描述了接收機的直接變頻(也稱為零差或零中頻)架構(gòu)。與可以執(zhí)行多次頻率轉(zhuǎn)換的超外差式接收機相比，直接變頻無線電只能執(zhí)行一次頻率轉(zhuǎn)換。一次頻率轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢如下：
降低接收機復雜性，減少所需級數(shù);提高性能和降低功耗
避免鏡像抑制問題和不需要的混頻產(chǎn)物;只需要基帶上的一個LPF
高靈敏度(相鄰通道抑制比[ACRR])
圖1顯示了該系統(tǒng)的基本原理示意圖，包括集成自動增益控制(AGC)環(huán)路的級聯(lián)中頻可變增益放大器(VGA)，以及緊隨其后的正交解調(diào)器、具有可變基帶增益的可編程低通濾波器。圖1中以灰色顯示的元件( ADF4350和 AD9248) 是為清楚起見，并不包括在系統(tǒng)級測量中(有關(guān)這些器件的詳情請參見“常見變化”部分)。
理想情況下，第一級的輸入和最后級的輸出應設(shè)置系統(tǒng)的動態(tài)范圍(信噪比)。實際上，情況可能并非如此。在正交解調(diào)器之前放置級聯(lián)VGA不僅會給系統(tǒng)帶來更多增益，而且有利于整體系統(tǒng)噪聲性能，只要VGA的噪聲系數(shù)低于正交解調(diào)器，只要VGA仍具有增益，且未發(fā)生衰減。后續(xù)級的噪聲系數(shù)通過初始VGA的增益進行分頻處理。提供VGA (相對于僅提供固定增益放大器)的另一優(yōu)點是AGC環(huán)路可經(jīng)設(shè)計以調(diào)平正交解調(diào)器的輸入信號。這一限制施加于正交解調(diào)器和任何后續(xù)級的信號電平的能力非常重要。
中頻VGA和AGC環(huán)路
中頻VGA和AGC環(huán)路功能可通過 ADL5336來實現(xiàn)。它具有兩個可級聯(lián)VGA，每個VGA具有24 dB的模擬動態(tài)范圍，并且可以通過SPI端口以數(shù)字方式改變每個VGA上的最大增益。
為了實現(xiàn)信號調(diào)平AGC功能，每個 ADL5336 VGA具有平方律檢波器，通過可編程衰減器連接到輸出。檢波器將衰減器的輸出與63 mV rms的內(nèi)部基準電壓進行比較。如果衰減器輸出與63 mV rms基準電壓間有差異，誤差電流便會產(chǎn)生并集成到CAGC電容內(nèi)。AGC環(huán)路通過將DTO1/DTO2引腳連接到GAIN1/GAIN2引腳關(guān)閉。為了使AGC環(huán)路正常工作，將MODE引腳拉至低電平，從而產(chǎn)生負VGA增益斜率。
每個 ADL5336 VGA具有允許的輸入功率范圍，AGC將在此范圍內(nèi)調(diào)平至特定設(shè)定點。在該范圍以外，VGA輸出隨輸入一起按dB遞增或遞減(假定VGA未處于壓縮狀態(tài)或信號不在噪底內(nèi))。
IQ解調(diào)器
信號從 ADL5336 路由至 ADL5387，在此接受解調(diào)并將頻率轉(zhuǎn)換為零中頻。 ADF4350 頻率合成器可向ADL5387提供所需的2×LO信號(參見“常見變化”部分);但實際測試使用信號發(fā)生器代替 ADF4350 。
ADL5387 使用兩個雙平衡混頻器，一個用于I通道，一個用于Q通道。提供給混頻器的LO使用2分頻正交分相器生成。這為I和Q通道提供了0°和90°信號。 ADL5387在RF輸入至基帶I和Q輸出之間提供約4.5 dB的轉(zhuǎn)換增益。
低通濾波器、基帶VGA和ADC驅(qū)動器
低通濾波、基帶增益和ADC驅(qū)動器功能全部使用 ADRF6510來實現(xiàn)。施加于 ADRF6510 的信號現(xiàn)在具有獨立的I和Q路徑，信號首先通過前置放大器放大，然后進行低通濾波，以抑制任何不需要的帶外信號和/或噪聲，最后通過VGA放大。
ADRF6510 的每個通道可分為三個級：
前置放大器
可編程低通濾波器
VGA和輸出驅(qū)動器
通過GNSW引腳，前置放大器具有6dB或12dB的用戶可選增益。低通濾波器可通過SPI端口設(shè)置為1MHz至30MHz的轉(zhuǎn)折頻率，步進為1MHz。VGA具有50dB增益范圍，增益斜率為30mV/dB。VGA增益通過GAIN引腳控制，GNSW引腳被拉低時范圍可為0.5dB至+45dB，GNSW引腳被拉高時范圍可為+1dB至+51dB。輸出驅(qū)動器能夠?qū)?.5Vpp差分電壓驅(qū)動至1k負載內(nèi)，同時保持高于60dBc的HD2和HD3。
可施加于低通濾波器同時仍在 ADRF6510內(nèi)保持可接受的HD電平的最大CW信號為2Vpp。如果存在較大帶外干擾源且可能造成 ADL5387 和/或ADRF6510的輸入過載，帶外干擾源(及所需的帶內(nèi)信號)可通過 ADL5336VGA予以衰減。 一旦帶外干擾源被ADRF6510的低通濾波器抑制，所需信號可使用XAMPVGA(緊隨 ADRF6510的濾波器)放大。
ADRF6510發(fā)出的IQ信號可施加于適當?shù)哪?shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，例如AD9248。
測量結(jié)果
4-QAM、5 MSPS調(diào)制信號被施加于ADL5336的輸入。有關(guān)測試設(shè)置的更多信息，請參見“電路評估和測試”部分。
EVM衡量數(shù)字發(fā)射機或接收機的性能質(zhì)量，反映幅度和相位誤差所導致的實際星座點與理想位置的偏差。如圖2所示。
圖2. EVM圖
圖3顯示了系統(tǒng)EVM與ADL5336輸入功率的關(guān)系，VGA上的最大增益針對VGA1和VGA2分別設(shè)置為15.2dB和19.5dB。
測試了數(shù)個AGC設(shè)定點組合。圖4也是系統(tǒng)EVM與ADL5336輸入功率的關(guān)系;不過VGA的增益分別設(shè)置為9.7dB和13.4dB。測試了相同的AGC設(shè)定點組合。
圖3. 系統(tǒng)EVM，數(shù)字VGA增益=11
圖4. 系統(tǒng)EVM，數(shù)字VGA增益=00
圖3和圖4說明，施加于 ADRF6510 的信號電平必須保持足 夠低以免壓縮輸入級和/或濾波器。在最高AGC設(shè)定點 (500mVrms和707mVrms)， ADL5387IQ解調(diào)器的輸入開始壓縮并給EVM造成額外下降。當AGC設(shè)定點位于最低點 (88mVrms)時，可實現(xiàn)最佳EVM。當設(shè)定點為250mVrms 時，EVM已經(jīng)開始下降。
圖5比較了 ADL5336VGA上的最小和最大數(shù)字增益設(shè)置(VGA 均設(shè)置為增益代碼11或增益代碼00)間的EVM，此時VGA1 和VGA2設(shè)定點分別為250 mVrms和88 mVrms。
圖5. 系統(tǒng)EVM，VGA1設(shè)定點=250MVRMS，VGA2設(shè)定點=88MVRMS
對于給定AGC設(shè)定點，當最大增益代碼為11時，從VGA2 至VGA1的切換在VGA2超出增益范圍后發(fā)生;因此，施加于 ADRF6510 的信號電平繼續(xù)增加(同時EVM下降)，直至 VGA1到達設(shè)定點。一旦VGA1到達設(shè)定點，EVM再次變平;因此施加于 ADRF6510 的信號電平在大約5 dBm的輸入功率下不會變化，除非VGA1超出增益范圍。當最大增益代碼設(shè)置為00時，VGA均可提供更多衰減，因此允許VGA2偏移動態(tài)范圍，以免在輸入功率低至與最大增益代碼為11時相同的情況下到達設(shè)定點。這樣VGA2可在較高輸入功率下保持在設(shè)定點，使VGA2至VGA1的切換可發(fā)生在VGA2超出增益范圍之前。這樣就能確保施加于 ADRF6510的信號電平保持在恒定值，直至到達輸入功率范圍最高點。
圖6比較了 ADL5336 VGA上的最小和最大數(shù)字增益設(shè)置(VGA 均設(shè)置為增益代碼11或增益代碼00)間的EVM;不過VGA1 和VGA2設(shè)定點分別為707mVrms和88mVrms。
圖6. 系統(tǒng)EVM，VGA1設(shè)定點=707MVRMS，VGA2設(shè)定點=88MVRMS
圖6中的動態(tài)特性與圖5相同，只不過更為夸張。當最大增益代碼為00時，VGA2在約-40dBm的輸入功率下到達設(shè)定點。其保持設(shè)定點至約-10dBm，此時VGA1尚未到達707mVrms的設(shè)定點。除非輸入功率約為0dBm，并且EVM開始略微變平，否則VGA1不會到達設(shè)定點。當最大增益設(shè)置為11時，相同情況再次發(fā)生;不過，VGA2僅保持設(shè)定點至大約-20dBm，因為再無更多增益可用于獲得規(guī)定的設(shè)定點。
常見變化
系統(tǒng)和頻率合成器
為 ADL5387提供2XLO的信號發(fā)生器可被寬帶頻率合成器取 代，例如 ADF4350，該器件集成了VCO。 ADF4350 屬于一個頻率合成器系列，該系列具有135MHz至4350MHz的寬頻率范圍，且具有變化的相位噪聲和輸出功率指標，因此很容易找到符合應用所需規(guī)格的器件。
系統(tǒng)和ADC
為系統(tǒng)添加ADC以對 ADRF6510的I和Q信號進行采樣正是完善模擬信號鏈自然演化的結(jié)果。雙通道ADC，例如AD9248，提供14位分辨率，且采用20MSPS、40MSPS或65MSPS采樣速率。建議在 ADRF6510 和 AD9248 的輸出之間放置抗混疊濾波器。抗混疊濾波器設(shè)計示例請參考 ADRF6510 數(shù)據(jù)手冊。
ADRF6510 輸出共模電壓考慮因素
ADRF6510 輸出共模電壓可在1.5V至3.0V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且不會損失驅(qū)動能力。許多現(xiàn)代ADC的輸入共模電壓小于1.5V。將VOCM引腳驅(qū)動至小于1.5 V的輸出共模電壓使 ADRF6510 的失真性能開始下降;但器件在小于1.5 V的共模電平下仍可工作。為了保持失真性能，可能需要直流電平轉(zhuǎn)換電路，或者可使用具有較低共模電壓的集成式濾波器和VGA器件，例如ADRF6516。
電路評估與測試
需要/使用的設(shè)備
信號發(fā)生器包括：
Agilent E4438C vector signal generator
AgilentE4438C矢量信號發(fā)生器
基帶信號捕獲器件有
AgilentDSO90604A示波器
EVM運算器件包括：
Agilent89600VSA軟件
運行WindowsXP的PC，通過USB電纜連接到示波器
電源包括：
±5V電源除 AD8130電路板需要±5V外，所有電路板均需要+5V
評估板包括：
ADL5336-EVALZ (需要一個)
ADL5387-EVALZ (需要一個)
ADRF6510-EVALZ (需要一個)
AD8130-EBZ (需要兩個)
開始使用
要使用 ADL5336和 ADRF6510，需要評估軟件來控制每個器件的各個方面。此軟件可在工具、軟件和仿真模型鏈接中的各個產(chǎn)品網(wǎng)頁上找到。
下載和安裝軟件后，將USB電纜從電腦連接到評估板，然后針對需要控制的器件運行軟件。
功能框圖
圖7顯示了用于測試接收鏈的測試設(shè)置的功能框圖。 ADL5336評估板僅允許單端輸入和輸出。 ADL5387板上的RF輸入也是如此。矢量信號發(fā)生器上的RF輸出端口僅為單端;因此，發(fā)生器與 ADL5336的輸入之間需要巴倫。如圖7 所示，直至 AD8130差動放大器的其余信號路徑均為差分。 由于示波器僅允許對單端信號進行采樣，同時受VSA軟件控制，因此需要差分轉(zhuǎn)單端轉(zhuǎn)換。
設(shè)置與測試
接收機測試設(shè)置的第一步是開啟所有測試設(shè)備。測試設(shè)備預熱時，電路板必須正確配置以便在信號鏈內(nèi)正常使用。
在 ADL5336上，應確保安裝0w跳線電阻，將VGA1輸出連接到VGA2輸入。
在ADL5387電路板上，旁路輸出巴倫以在ADL5387和ADRF6510之間構(gòu)建完整的差分、直流耦合信號路徑。
在 ADRF6510電路板上，執(zhí)行下列操作：
旁路輸入和輸出巴倫
在輸出信號線路上放置1k差分輸出負載(每個輸出路徑上放置兩個接地的500電阻就足夠了)
用1μF電容取代普通COFS電容。
圖7. 測試直接變頻接收機的功能框圖
收集評估板并將所有信號路徑連接在一起，如圖7所示。將所有電路板連接到+5V，同時將兩個 AD8130板連接到-5V。請確保電源電流與期望值一致。
如圖7所示，完成下列連接：
將矢量信號發(fā)生器的單端、50輸出連接到 ADL5336評估板的INPUT1。
將AD8130的I信號路徑輸出連接到示波器上的輸入1，并將AD8130的Q信號路徑輸出連接到示波器的輸入3。
將USB電纜從PC連接到示波器。
將信號發(fā)生器的RF端口連接到ADL5387評估板的LO輸入。
在AgilentE4438C信號發(fā)生器上，執(zhí)行下列操作：
將頻率設(shè)置為400MHz
將幅度設(shè)置為0dBm
接通RF端口
在AgilentE4438C矢量信號發(fā)生器上，執(zhí)行下列操作：
將RF載波頻率設(shè)置為200MHz
接通RF端口
接通RF端口
接通矢量信號發(fā)生器內(nèi)部的定制ARB
將信號設(shè)置為4-QAM，符號速率設(shè)置為5MSPS，脈沖整形濾波器值設(shè)置為0.35
在PC上，啟動Agilent89600VSA軟件。在VSA軟件中，執(zhí)行下列操作：
接通數(shù)字解調(diào)器
將輸入設(shè)置為I+jQ選項
將頻率設(shè)置為0Hz，符號速率設(shè)置為5MSPS，值設(shè)置為0.35
矢量信號發(fā)生器上的信號指標必須匹配VSA軟件上的指標。軟件啟動后，應顯示IQ星座圖窗格和頻譜窗格。在VSA軟件中通過下列步驟添加信息窗口：
1. 點擊顯示
2. 點擊布局
3. 選擇柵格2×2
默認情況下，已經(jīng)顯示的其他兩個窗格應為誤差矢量與時間和信息窗口：符號/誤差。如果并非如此，執(zhí)行下列操作
1. 雙擊任意窗格的標題
2. 在出現(xiàn)的窗口中選擇符號/誤差
符號/誤差窗格提供許多結(jié)果，包括EVM。軟件應鎖定在信號上，并報告EVM數(shù)值。
AGC設(shè)定點、最大增益和濾波器帶寬全部可采用個別器件的各控制軟件來設(shè)置。 ADL5336輸入端的功率控制可通過矢量信號分析儀上的功率掃描完成。從−80dBm掃描至幾乎+16dBm，以便在此測試設(shè)置下測試接收機。 ADRF6510上的增益始終設(shè)置為實現(xiàn)1.5Vp-p差分輸出電平，假定有足夠的增益可用。某些情況下，對于極小的信號電平， ADRF6510無足夠的增益來到達1.5Vp-p差分電平。
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