中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 劉 軍 簡義全

0 引言

隨著現(xiàn)代信息化社會(huì)的不斷發(fā)展，在頻譜監(jiān)測領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性的要求越來越高，監(jiān)測系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也越來越大，因此對(duì)接收機(jī)同時(shí)處理大量數(shù)據(jù)的能力提出了更高的要求，1GHz實(shí)時(shí)帶寬接收機(jī)由此應(yīng)運(yùn)而生。本文基于凌特公司LTC5586線性I/Q解調(diào)器設(shè)計(jì)了一種1GHz實(shí)時(shí)帶寬接收機(jī)，該接收機(jī)方案簡單，電路容易實(shí)現(xiàn)，便于小型化設(shè)計(jì)和精簡成本，在頻譜監(jiān)測應(yīng)用中有很好的前景。

1 接收機(jī)整機(jī)方案介紹

1GHz實(shí)時(shí)帶寬接收機(jī)由于實(shí)時(shí)帶寬寬，對(duì)后端ADC要求高，一般常用方案是正交接收機(jī)，即信號(hào)經(jīng)前置低噪聲放大后直接送入正交解調(diào)器，然后對(duì)I、Q兩路信號(hào)進(jìn)行高速A/D變換，這種接收方案可以在相同的采樣頻率下使系統(tǒng)帶寬增加一倍，從而降低了系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的門檻[1]。本文接收機(jī)采用LTC5586正交解調(diào)器，LTC5586的工作頻率范圍為300MHz-6GHz，中頻帶寬為DC-1GHz，優(yōu)秀的線性度指標(biāo)，便宜的價(jià)格，非常符合方案要求。

接收機(jī)的整體方案框圖如圖1：

圖1 接收機(jī)整體方案框圖

圖1 中，300MHz-6GHz射頻輸入信號(hào)通過天線進(jìn)入接收機(jī)射頻端口，通過一個(gè)6GHz低通濾波器，然后進(jìn)入LTC5586正交解調(diào)器，被下變頻到基帶，基帶信號(hào)通過一個(gè)500MHz低通濾波器，最后進(jìn)入ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送到FPGA進(jìn)行信號(hào)處理。

2 ADC電路設(shè)計(jì)

整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的部分是ADC處理部分電路，接收機(jī)帶寬高達(dá)1GHz，對(duì)后端ADC提出極高的要求。1GHz帶寬采用低通采樣，采樣率要大于2GHz，才能得到正常的采樣信號(hào)。雖然本文接收機(jī)通過正交變頻，將采樣率降低了一倍，采樣率仍然要大于1GHz才能滿足要求。1GHz以上采樣率的ADC價(jià)格昂貴，購買困難，于是采用多片低采樣率ADC交替采樣的方案來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。時(shí)間交替采樣技術(shù)，也叫做并行多通道采樣技術(shù)，它的目標(biāo)是通過時(shí)域上M個(gè)ADC的交替工作來達(dá)到單塊ADC采樣的效果，速度也達(dá)到原來單塊ADC的M倍[2]。

經(jīng)過對(duì)比，確定ADC使用凌特公司LTC2158，LTC2158是雙通道差分輸入ADC，最高采樣率能達(dá)到310Msps。拼接后的采樣率達(dá)到1.2GHz，采用四片LTC2158并行采樣，每片ADC的采樣率為300Msps。四路ADC的采樣時(shí)鐘由一個(gè)時(shí)鐘分配電路產(chǎn)生，當(dāng)工作在時(shí)間交替采樣模式下的時(shí)候，每路采樣時(shí)鐘之間依次相差90度，ADC電路原理框圖如圖2：

圖2 ADC電路原理框圖

ADC時(shí)鐘分配電路是ADC處理電路的關(guān)鍵部分之一，在這個(gè)部分里，我們的目標(biāo)是要生成4路300MHz，每路之間依次相移90度的高質(zhì)量時(shí)鐘。如果采用4塊分離時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片來分別驅(qū)動(dòng)4塊ADC，時(shí)鐘相位的延時(shí)難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，因此我們這里采用集成壓控振蕩器的鎖相環(huán)芯片來產(chǎn)生1.2GHz的時(shí)鐘，再使用時(shí)鐘分配芯片對(duì)其4分頻并生成依次相移90度的4路300MHz時(shí)鐘。時(shí)鐘電路原理框圖如圖3所示：

圖3 時(shí)鐘電路原理框圖

圖3 中，時(shí)鐘電路的核心器件為虛線框內(nèi)標(biāo)注的AD9510，AD9510是ADI公司的時(shí)鐘分配芯片，它具有PLL內(nèi)核、分頻器。提供外部VCO和環(huán)路濾波器與AD9510構(gòu)成PLL，產(chǎn)生需要的1.2GHz時(shí)鐘，然后再通過內(nèi)部的分頻器四分頻輸出得到四路300MHz的時(shí)鐘信號(hào)，每路輸出之間相位相差90度。

3 本振電路設(shè)計(jì)

接收機(jī)工作頻率范圍為300MHz-6GHz，通過IQ解調(diào)器LTC5586下變頻到基帶，因此本振的頻率范圍確定為300MHz-6GHz[3]。本振電路采用鎖相環(huán)單環(huán)設(shè)計(jì)，鎖相環(huán)的頻率合成芯片使用ADI公司的HMC983/HMC984套片，該套片相噪指標(biāo)優(yōu)異，便于實(shí)現(xiàn)小頻率步進(jìn)。本振電路原理框圖如圖4：

圖4 本振電路原理框圖

圖4 中，HMC983/HMC984套片和環(huán)路濾波器、6G-12G的VCO以及一個(gè)二分頻器構(gòu)成鎖相環(huán)路，輸出3-6GHz信號(hào)，最后通過一個(gè)可編程數(shù)字分頻器分頻輸出300MHz-6GHz的本振頻率。

4 接收機(jī)測試結(jié)果

數(shù)字信號(hào)處理主要由FPGA來實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA選擇xilinx公司的k7系列產(chǎn)品XC7K410T。四路ADC輸出的LVDS信號(hào)送入FPGA進(jìn)行處理，然后通過chipscope將處理完數(shù)據(jù)保存下來，利用MATLAB進(jìn)行頻譜分析[4]。

修改本振參數(shù)，使本振輸出1GHz信號(hào)，射頻輸入990MHz信號(hào)，下變頻到10MHz，將單路ADC采集到的數(shù)據(jù)通過chipscope保存下來，在MATLAB中分析的頻譜如圖5：

圖5 10MHz中頻信號(hào)頻譜

從圖5中可以看出，10MHz信號(hào)時(shí)域波形是理想的正弦波形。頻域顯示的是第一奈奎斯特帶寬內(nèi)的頻譜，10MHz主信號(hào)采樣正常，旁邊兩個(gè)比較明顯的雜散信號(hào)經(jīng)分析是諧波信號(hào)[5]。如此，單路ADC采樣功能正常。

修改本振參數(shù)，使本振輸出2GHz信號(hào)，射頻輸入1.1GHz信號(hào)，下變頻到900MHz。將四路ADC采集的數(shù)據(jù)通過chipscope保存下來，在MATLAB中進(jìn)行拼接后的頻譜如圖6：

從圖6中可以看出900MHz的主信號(hào)能正常分辨出來，對(duì)于低通采樣方案來說，在單路ADC采樣率為300Msps的情況下，理論上最多能正常采樣的輸入頻率為150MHz，900MHz是無法正常采樣的，但是通過時(shí)間交替采樣技術(shù)，就能使采樣率提高四倍，能正常采樣900MHz的輸入信號(hào)[6]。

圖6 900MHz中頻信號(hào)拼接后頻譜

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，除了主信號(hào)以外，還有四個(gè)比較明顯的雜散信號(hào)，通過分析，這些雜散信號(hào)是由于時(shí)間交替采樣技術(shù)方案本身固有的誤差導(dǎo)致的[7]，誤差的來源有三個(gè)：1）各ADC的采樣時(shí)鐘延時(shí)精度不夠帶來的時(shí)延誤差。2）各ADC的增益不一致帶來的增益誤差。3）各ADC的偏置不一致帶來的偏置誤差[8][9][10]。這三種誤差可以通過誤差矯正算法校準(zhǔn)消除。

5 結(jié)論

本文通過LTC5586正交解調(diào)器正交變頻設(shè)計(jì)了一種接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)1GHz帶寬數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。1GHz帶寬數(shù)據(jù)處理能力對(duì)后端ADC要求高，本文利用時(shí)間交替采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)較低采樣率的ADC并行采樣達(dá)到高采樣率的ADC處理能力。接收機(jī)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的正常采樣，說明該接收機(jī)方案是切實(shí)可行的，但是由于接收機(jī)本身固有的誤差，產(chǎn)生了比較大的雜散。雜散信號(hào)需要在后期的工作中進(jìn)行誤差矯正消除。

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