K波段直接数字化的高级宽带采样方案——扩展射频可能性...

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在当今这个数字内容、互联网用户和物联网设备大爆炸的世界，人们对扩展通信网络能力的需求越来越高。为了满足这种需要，Teledyne e2v一直探索数字微波采样的前沿技术，最近已在实验套件上成功验证。它可支持K波段的直接数字下变频。这是今年的早些时候在ESA MTT workshop提出的使用EV12DS480宽带DAC实现直接K波段综合的工作的后续进展，在技术论文和最近的网络研讨会上有进一步的描述。
在当今这个数字内容、互联网用户和物联网设备大爆炸的世界，人们对扩展通信网络能力的需求越来越高。为了满足这种需要，Teledyne e2v一直探索数字微波采样的前沿技术，最近已在实验套件上成功验证。它可支持K波段的直接数字下变频。这是今年的早些时候在ESA MTT workshop提出的使用EV12DS480宽带DAC实现直接K波段综合的工作的后续进展，在技术论文和最近的网络研讨会上有进一步的描述。
项目目的
这个项目的目标是实现24GHz的模拟前端，支持微波K波段（即频率范围18到27GHz）信号能量的直接数字化。目标的无杂散动态范围（SFDR）优于50 dBc。
微波前端板（FEB）的开发和两个现有的GHz的高速器件相关，这两个器件由Teledyne Scientific和Teledyne e2v分别开发。测试实验运行在高性能FEB上，整合了12位宽带数据转换器EV12AQ600和超高频双路追踪保持放大器（THA）RTH120。
前者的采样率高达6.4 Gsps，全功率输入信号带宽高达 6.5 GHz。而追踪保持器的带宽高达24 GHz，并且拥有 优异的线性度性能。因此，通过应用奈奎斯特定理并选 择合适的采样频率，这套设备可直接从K波段下变频到 基带，从而使ADC直接采集有用的信号，无需额外的下变频电路。这一方案的指导原则是用途广泛的软件定义微波接收器，它提高了射频系统设计的敏捷度，同时 简化了射频信号采集系统的设计，并潜在地降低了功耗。另外，我们也希望通过这个项目，在未来确实降 低实际应用的功耗。


这篇文档描述了研究的状态和最新的发现，并提出了 需改进的部分。
我们将进行的一系列测试的目的是找出当今K波段（18到 27GHz）直接下变频技术的不足。从下列初始的无杂散 动态范围测试中可以发现三个问题：
●输入信号功率对THA性能的影响
●当工作在高奈奎斯特域时，低频校准对ADC交织性能的影响
●在高奈奎斯特域采样时，ADC内部积分非线性（INL)错误的影响
最后，Teledyne e2v希望这个项目得出的结论对下一代 K波段产品的设计有一些指导意义。
项目开始
前端板（FEB）的基本框图如图1所示。FEB被设计成 包含宽带ADC和用作输入级的THA。仔细观察图2的 FEB，会发现它包含了一些额外的支持器件，包括一个功分器、一个移相器和一些巴伦。板子还提供了两路独立的输入：一路绕过RTH120，优化第一和第二奈奎斯特域采样高达6GHz的性能（图中未画出）；另一路用于6 到24GHz的宽带操作。在项目开始时，RTH120还是一 款正在经历优化的试生产产品。 这个实验系统初始的ADC默认配置如下：
● 输入带宽 (6.5 GHz)
●一通道模式，所有四个核心交织成最大采样率（例如 6.4Gsps）
●采样频率设置成5Gsps
●交织校准按照数据手册中标准默认的设置配置，在下文中都称之为CalSet0

图1-FEB测试评估设备和关键器件

图2-载板上的FEB初始样机的照片
第一次动态测试的结果
FEB的初始测试表现出波动的无杂散动态范围 （SFDR）响应（图3）。在不同的ADC信号满刻度范围 （SFSR）进行两次独立的扫频。扫频覆盖的信号频率 超过30GHz。图3放大了17GHz到25GHz的范围。

图3-基线FEB性能（SFDR从17到25GHz）
检查初始结果
SFDR的特性有很大的分析价值，并为未来的动态性能 提升提供了参考。从这些结果（图3）可以看出：
●低输入信号功率的SFDR平坦度更好（图3比较 了-7dBFS和-13dBFS的结果）
●初始的实验配置难以实现我们预期的50dBc SFDR的目标提高性能的第一步是找出限制SFDR的信号杂散。下图 （图4）标出了输入电平-7dBFS和-13dBFS时主要的杂 散，用dBFS表示。


图4 - 两种信号功率的基线FEB性能 （SFDR从17到25GHz）
从上图可以看出，对于不同的频率范围和输入幅度，变化的杂散频率分量可以看作SFDR波动的原因，请参考图中最大杂散的曲线。图中也标注了二次谐波（H2）和 三次谐波（H3）以及采样时钟（Fc/4）的影响。仔细观察，您还会发现：
●从最大杂散（深色曲线）可以看出，H2是最主要的影 响因素，特别是对于-7dBFS。
●如果H2可以被改进，下一个影响最大的因素显然是Fc/4 性能，它对小信号曲线（-13dBFS）的影响很大。但是，对于上面两种信号功率，Fc/4限制SFDR大约在 58dBFS(在18GHz到22GHz之间）。如果不改进这个问 题，很难进一步提高动态性能。Fc/4的问题表明多个 ADC核心交织可能产生的一些问题。杂散信号的根源是 偏置不匹配。
●通过优化，-13dBFS的SFDR有可能达到50到60dBc之 间。
根据产品资料，唯一提升THA性能（通过降低H2）的方法是降低输入信号电平。这对SFDR受H2限制的场合很 有用，例如-7dBFS的SFSR时19.5GHz以下或21.5GHz以 上的范围。
优化数据转换器的性能
另一方面，ADC可提供默认工作方式以外的多种自由的 配置。初始的测试表明核心交织的精度问题，这并不奇 怪。标准的交织校准（ILG）是在工厂的产品测试时完成 的。显然，它按照基带工作优化，并不适用于这种大带 宽的应用。
ADC交织的详细测试表明，杂散的最大的来源是偏置不匹配。我们测量了一系列频率的偏置影响，通过仔细的调整，大幅地降低了Fc/4杂散（图5）。对于K波段的应 用，21.5GHz的校准得到了非常好的结果。
校准前和校准后系统的K波段性能如图5所示。上面的曲 线是默认设置（CalSet0）的结果，下面的曲线是改进的 高频校准的结果。通过后者的校准，偏置、增益和相位 不匹配都得到了补偿。在整个K波段，系统的SFDR提高 了将近15dB，这是一个巨大的进步。

图5 - 校准ILG的影响
交织校准之后对于某些频点，H2较低而H3变成了主导因素，如图4中 21GHz附近的点。在这种情况下，我们需要通过INL的校准进一步降低ADC的杂散。

图6 - INL校准对H3的影响
虽然进一步提升性能的选项不多，但显然ADC积分非线 性（INL）的性能会影响H3。和交织（ILG）类似，产品 测试时的INL校准通常是针对基带工作优化的。Teledyne的测试工程师认为，如果针对高奈奎斯特域重新校准 INL，将进一步改善动态性能。 调整INL并不是用户可以通过程序完成的工作，也不应当 是。这种调整极具挑战性。从原理上说，提升理想转换 器模型的INL有可行且有限的方法。工程师需要搭建测试 设备以实现这些调整方法。 通过尽可能降低高频INL，我们把17到25GHz范围里的 H3优化了3到5dB（图6）。


图 7 - 校准前和校准后的K波段SFDR
测试结论
如前所述，这个项目的目的是评估是否可以达到K波段的 理想的动态采样性能。更确切地说，我们能否在18到 22GHz之间实现最少50dBc的性能？尽管我们在测试的前 期遇到一些硬件问题，初始的测试结果也不尽如人意， 但我们最终通过合理的方法大幅提升了性能。最终的曲 线（图7）展示了目标输入频率范围内的SFDR性能。可 以看出：
●在19.2到21.5GHz之间SFDR的显著提升（最多提升了 15到18dBc)
●在19到21.5GHz之间SFDR超过50dBc FEB上来自20.478GHz下变频的单音信号的频谱特性如 下图所示。

图8 - 实验板FEB的下变频到基带的20.478GHz的频谱
这些结果表明：
●对于-13dBFS的输入信号功率，在20.478GHz处能达到大 约54dBc的SFDR
●Fc/4和相关的杂散依然是影响采样频谱的主要因素 (@-67dBFS)，其他的杂散（Fc/4±Fin, H2和H3）降低到 小于-69dBFS
●我们已经超过预计的目标，即在19到21.75GHz之间实现 最小50dBc的SFDR
未来的展望
上述的结果是从FEB样机上得出的，而FEB样机有一些已知的缺陷。显然，时钟分配的问题可能降低THA的动态性能。我们正在研发一款改进的FEB，预计提供更好的动态 性能，并降低H2杂散。另外，这块板子会提供直接的输入 并绕过THA，以优化基带性能。预计在2020年，在完成新 板子的进一步的测试之后，我们会公布这个实验的后续进 展。
这个项目是Teledyne e2v迈向整合的K波段直接采样方案的 第一步。除了提供新的能力，这个项目也帮助我们提升了 项目的工程经验。这次的工作使我们深入了解了复杂交织 模拟数字转换器核心的高频优化问题，特别是高奈奎斯特 域校准的折中方案和INL、ILG的优化。Teledyne e2v也提 高了其未来高端宽带数据转换器的性能上限。

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