高速ADC在短波寬帶接收系統(tǒng)中的應(yīng)用

員國棟

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

高速ADC在短波寬帶接收系統(tǒng)中的應(yīng)用

員國棟

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

文章論述了基于高速A/D轉(zhuǎn)換芯片LTC2209應(yīng)用的電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果表明基于LTC2209的短波寬帶接收系統(tǒng)能夠同時(shí)接收處理2 MHz帶寬內(nèi)的短波信號。系統(tǒng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

短波寬帶接收系統(tǒng)；A/D轉(zhuǎn)換器；信噪比；采樣率

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，數(shù)字化、寬帶化成為當(dāng)今無線通信的重點(diǎn)主流方向。接收系統(tǒng)對輸入帶寬的要求越來越寬，對ADC的性能要求也越來越高。短波寬帶接收系統(tǒng)的工作原理如下：天線將收到的信號首先經(jīng)過帶通濾波器濾除大部分信號噪聲，再經(jīng)過混頻器與系統(tǒng)提供的本振信號進(jìn)行混頻，輸出中頻信號，再經(jīng)過帶通濾波器濾除噪聲，最后通過數(shù)字自動增益控制電路、A/D轉(zhuǎn)換，送入數(shù)字中頻處理模塊。中頻數(shù)字信號處理模塊基于FPGA實(shí)現(xiàn)。

1 高速LTC2209應(yīng)用設(shè)計(jì)

LTC2209可以接收高頻、寬動態(tài)范圍信號，具有700 MHz的寬模擬輸入帶寬，數(shù)字輸出可以是差分LVDS或單端CMOS，主要應(yīng)用于頻譜分析和接收系統(tǒng)。LTC2209應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)主要包括以下幾個(gè)方面。

1.1 輸入驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)高性能ADC之前的輸入配置，是獲取所需系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。在ENC下降沿到來時(shí)，ADC采樣周期開始，LTC2209的采樣保持電路將采樣電容與輸入信號相連，采樣電容開始充電，當(dāng)ENC上升沿到來時(shí)，采樣周期結(jié)束，同時(shí)記錄并保持采樣電容上的電壓值。在理想情況下，輸入驅(qū)動電路速度應(yīng)當(dāng)足夠快以便采樣電容能在采樣周期內(nèi)充分充電。但在實(shí)際應(yīng)用中，ADC的SFDR受輸入驅(qū)動電路的影響而降低。

在短波寬帶接收系統(tǒng)中，輸入信號頻率在50 MHz至100 MHz之間，為了取得更高的精度，ADC信號輸入采用差分輸入形式。差分輸入信號也能夠很好地抑制奇偶次諧波、能夠很好地抑制電源和地噪聲，以及共模信號的干擾。單端射頻輸入信號經(jīng)過一個(gè)1∶1的變壓器將單端信號轉(zhuǎn)為差分輸入信號。為了有效降低噪聲，避免信號反射，在ADC輸入端進(jìn)行阻抗匹配，設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)。其輸入驅(qū)動電路如圖1所示。

1.2 輸入時(shí)鐘設(shè)計(jì)

LTC2209時(shí)鐘輸入端的噪聲會引起時(shí)鐘抖動。當(dāng)采樣保持放大器的采樣開關(guān)不能夠以精確的時(shí)間間隔打開時(shí)，ADC將會產(chǎn)生內(nèi)部抖動。輸入時(shí)鐘抖動對SNR影響的計(jì)算公式如式（1）所示。

圖1 ADC輸入驅(qū)動電路

其中fin是輸入頻率，tJITTER是以均方根秒表示的時(shí)鐘抖動。

為了減小輸入時(shí)鐘抖動，主要考慮以下方面：（1）采用差分時(shí)鐘輸入；（2）采用盡可能大的時(shí)鐘幅度；（3）在差分輸入端采用平衡電阻電容以消除共模噪聲。

LTC2209的最高編碼速率為160 Msps，在正常工作情況下，輸入時(shí)鐘占空比必需50%，輸入時(shí)鐘周期不能短于7.3 ns。在本設(shè)計(jì)中，采用高穩(wěn)定度的時(shí)鐘，頻率穩(wěn)定度為1×10-8/d，采用FPGA的時(shí)鐘管理模塊將單端時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為差分時(shí)鐘輸入，并在ADC時(shí)鐘輸入端采用平衡電阻、電容以消除共模噪聲干擾。

1.3 工作模式選擇

LTC2209通過內(nèi)部可編程增益放大器為ADC提供2.5 V的參考電壓，參考電壓可以選擇ADC內(nèi)部提供，也可以選擇外部輸入，當(dāng)ADC參考模式引腳SENSE與工作電壓VDD連接時(shí)，選擇內(nèi)部2.5 V參考電壓，在本設(shè)計(jì)中，將SENSE與VDD連接，選擇內(nèi)部2.5 V參考電壓。

PGA引腳用來選擇ADC前端的增益設(shè)置。當(dāng)PGA接高電平時(shí)，選擇前端增益為1，輸入峰峰范圍值為2.5 V，當(dāng)PGA接低電平時(shí)，選擇前端增益為1.5，輸入峰峰值范圍為（0～1.5 V）。在設(shè)計(jì)中，將PGA引腳接低電平，選擇1.5 V的輸入峰峰值范圍。

DITH引腳是內(nèi)部去抖電路使能引腳，DITH接低電平時(shí)，禁用內(nèi)部去抖電路，當(dāng)DITH接高電平時(shí)，使能內(nèi)部去抖電路。在這里，DITH接高電平，選擇內(nèi)部去抖電路，減小信號抖動對噪聲性能的影響。

LVDS引腳用來選擇數(shù)據(jù)輸出模式，LVDS與低電平相連選擇全速率CMOS輸出模式，與1/3VDD相連選擇多路CMOS輸出模式，與2/3VDD相連選擇低功耗LVDS模式，與VDD相連選擇標(biāo)準(zhǔn)的LVDS輸出模式。在這里將LVDS引腳接地，選擇全速率CMOS輸出模式。

1.4 ADC前端AGC設(shè)計(jì)

短波寬帶接收系統(tǒng)的動態(tài)范圍受ADC之前射頻增益的影響，ADC不可能支持120 dB的動態(tài)范圍，為了防止小信號輸入時(shí)ADC的量化噪聲引起接收機(jī)噪聲系數(shù)和靈敏度的惡化，在ADC飽和時(shí)產(chǎn)生的帶內(nèi)諧波和交調(diào)產(chǎn)物阻塞微弱的有用信號。在ADC前端使用自動增益控制（Automatic Generation Control，AGC）電路。在短波寬帶接收系統(tǒng)中，采用兩級數(shù)控AGC進(jìn)行增益控制，調(diào)節(jié)步進(jìn)為1 dB。AGC由FPGA進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，當(dāng)信號電平高于靈敏度時(shí)，AGC調(diào)整增益直到獲得合適的信噪比SNR輸出，保持ADC之前的信號電平基本恒定。

1.5 ADC線路設(shè)計(jì)要求

為了減小各種噪聲對A/D轉(zhuǎn)換的影響，LTC2209在PCB設(shè)計(jì)時(shí)采用多層板設(shè)計(jì)，并且采取單獨(dú)的電源層和地層。數(shù)字信號和模擬信號布線時(shí)盡量分開，避免數(shù)字信號線與模擬信號線并行走線，避免信號線穿過ADC器件下方。電源引腳的去耦電容應(yīng)盡量靠近電源引腳，并用盡可能寬的信號線相連。

為了獲取更好的電磁特性和散熱效果，LTC2209底部焊盤必須與完整的底層充分連接。

2 系統(tǒng)測試結(jié)果

短波寬帶接收系統(tǒng)樣機(jī)采用LTC2209作為高速A/D轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí)接收處理2 MHz帶寬內(nèi)的短波信號。對短波寬帶接收系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了測試。其中USB，LSB基準(zhǔn)靈敏度測試方法如下，測試結(jié)果如表1所示。

USB，LSB基準(zhǔn)靈敏度測試步驟：（1）按圖4連接好測試設(shè)備；（2）設(shè)置接收機(jī)參數(shù)：工作種類分別為USB，LSB，帶寬3 kHz，人工增益控制（000）；（3）設(shè)置信號源G1頻率為F0+1kHz，調(diào)整信號源G1幅度使音頻分析儀SINAD為12 dB；（4）讀取信號源G1的輸出信號幅度為基準(zhǔn)靈敏度（μV）。

各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于LTC2209的短波寬帶接收系統(tǒng)能夠同時(shí)處理2 MHz帶寬內(nèi)的短波無線通信信號，各項(xiàng)指標(biāo)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。有效地提高了系統(tǒng)通信速率和通信效果，減小了通信系統(tǒng)所需空間。

3 結(jié)語

短波通信一直是軍事通信的重要通信手段，隨著通信技術(shù)的發(fā)展和業(yè)務(wù)需求的增加，傳統(tǒng)的窄帶接收系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代通信的需求，接收系統(tǒng)正朝著寬帶化方向發(fā)展。芯片制造工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)的提高，將會生產(chǎn)出低功耗、小體積、更高速率和分辨率的A／D變換器，為寬帶接收系統(tǒng)的發(fā)展提供了保證。

[1]楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[2]詹姆斯.寬帶數(shù)字接收機(jī)[M].楊小牛，陸安南，金飚，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3]曾興雯，杜武林.高頻電路原理與分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

Application of high speed ADC in short wave wideband receiving system

Yuan Guodong
（Guangzhou Haige Communications Group Limited by Share Ltd., Guangzhou 510663, China）

The circuit design based on application of high speed A/D conversion chip LTC2209 is discussed in this paper. Application of the system result shows that the short wave broadband receiving system based on LTC2209 can receive and process short wave signal within 2 MHz bandwidth at the same time, which meets the design requirements.

short wave broadband receiving system; A/D converter; noise-signal ratio; sampling rate

員國棟（1976— ），男，陜西華陰，工程師；研究方向：無線通信數(shù)字電路。