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如何改善射频卡频率树抖动噪声问题香港赛马会
更新时间:2019-11-05

  卡被设计为具有单一输入频率,可在链接至基地台中被重新取得。这些单一频率的质量可能不佳,且须要大幅清除抖动,这样才能在射频卡上产生其它适当的频率。因此,射频卡的频率树核心必须是一个具有可程序输出频率的抖动衰减器。本文将会探讨其效能属性、为何需要它们,以及频率树的需求。

  现今基地台中大部分的射频卡设计,都须执行许多的操控,以针对数字电路中的协议,例如长程演进计划(LTE)或多载波全球行动通讯系统(Multi-carrier GSM)去建立或是分拆讯号,而处理错误修正、信道匹配,以及利用数字方式分裂I&Q串流则较为容易。无论为传送或接收方向,此混合讯号的复合数据流也都需要经过非常小心的过滤/讯号处理。在数字电路中执行这件事,可以避免一些麻烦,例如组件数值的精确匹配。

  虽然数字控制极为广泛,不过就某一点而言,讯号都必须被调变为介于824M~2.62GHz间的载波,并且以模拟讯号传送。大部分满足多通道协议,例如LTE、全球微波存取互通接口(WiMAX)和多载波GSM的基地台架构,都会采用一种单级模拟转换方式,如图1所示。

  在传送端,个别的次载波会在被调变前,先结合为一个单一数字流。然后,此基频讯号会被数字模拟转换器(DAC)转化为相位抵销的模拟I&Q流,之后又透过正交模拟混波器,被上链转换(Up-converted)为传送频率。可变和固定增益放大器以及双工滤波器会被用于路径上,如此可推升讯号,使其达到在传送频宽中所需的力道。同时,噪声及失真仅些微增加,且还能同步将传送频宽外的耗电降至最低,以避免和其它射频通道产生干扰。

  至于接收端的部分,射频讯号通常会被放大、过滤,然后透过混波器转变为频率下降许多的中频(IF),介于75M~250MHz之间,接着还会进一步被适当放大及过滤,最后再经由管线式模拟数字转换器(ADC)取样,此取样符合奈奎氏准则(Nyquist Criterion)。然后,次载波的下链转换(Down Conversion)及调变会在数字电路中处理。此接收器的目标是要在ADC之前完成讯号调整,且噪声及互调失真的增加得降至最低,同时还要避免超出ADC的完整范围(Full Scale)。

  射频卡架构比较偏爱频率树能尽可能的整合。不只是因为上述的理由,还因为每一个频率树组件都会对抖动做出贡献,如此会导致频率讯号不符规格。就此整合而言,不仅须针对调变产生射频和中频频率,还必须为ADC及DAC产生取样频率,也必须生成其它数字组件,例如中央处理器(CPU)、特定应用集成电路(ASIC)及现场可编程门阵列(FPGA)所需的频率。中国电信网上营业厅查清单夜明珠开奖预测ymz0

  相较于射频讯号路径上的频率,数字组件的频率规格通常极为宽松;周期抖动通常是最主要的考虑。在同一芯片上产生这些频率,做为更敏感的频率,其中会有两个问题。首先,数字频率很少会将进来的各种频率讯号整合至射频卡,所以必须以分数回馈(Fractional Feedback)或分数输出分频器(Fractional Output Divider)技巧产生所需频率。这两种技巧都会造成频率芯片内及频率输出上的突波。第二,降至接近射频、数字中频(IF)或取样频率的数字芯片频率(或是生成这些频率所产生的突波),都无法被轻易地滤出,因此必须要加以避免。即使是这些相关区域外的频率组件,也可能因为产生宽带噪声或是因为没有被过滤,而混入严格的频率范围中,造成讯噪比(SNR)特性降低。

  ADC会采用混波器,将较高频的讯号转换为较低频的讯号,反之亦然。在大部分的基地台射频卡设计中,它们现阶段是将射频转变为中频,或是从基频转变为射频。就此方面而言,频率树设计的主要考虑是频率混淆(Frequency Aliasing)。当多个频率通过非线性装置,那些频率会彼此产生互动。这些互动源于互相调变。混波器的功能便是取两个输入频率,并产生一个新的输出频率,这个输出频率可能是这两个频率的和(上链转换)或是差(下链转换)。

  现今的射频卡是被设计为重新取得本质为多载波的讯号。理想的讯号包含一个均匀分布在整个相关频带的调位线路(Tone Lines)完整系列,而非预期讯号的单一调位线路,这些线路代表被重新取得的通道。很不幸的,当此种多载波讯号行进通过一个非线性元素,例如混波器,那些通道会彼此干扰。通道间的固定间隔会造成奇数阶生成物(Odd-order Product),就几乎落在被恢复的通道的上方。在混波器之前的滤波器会被用来衰减噪声,这些噪声会促成偶数阶生成物(Even-order Product),而混波器之后的滤波器将除去落在相关频带之外的交互调变生成物,但是几乎不太能除去频带内的奇数阶生成物,因为它们太接近被预期的讯号。

  混波器之后的带通滤波器(Band Pass Filter)可以彻底清除不需要的干净调位线路,在此取样频率上的任何抖动都会将那些干净的调位线所示的裙状物。来自每一个不受欢迎的生成物的裙状物其尾端部分,都会在滤波器的通带(Pass Band)内造成一些影响,这被称为宽带噪声。任何针对混波器或是ADC、DAC生成的频率都必须具有极低的噪声层,如此才能将宽带噪声的影响降至最低。香港赛马会论坛

  不想要的讯号通常被称为「干扰」或「障碍物」,若在混波器的输入内,便会影响频率讯号的规格。它们会包含其它由天线所接收的讯号,或是系统内部的讯号,这些讯号被耦合至接收讯号路径。虽然广泛分布在预期讯号频率中的干扰,可以经由前置滤波器而明显衰减,但是接近预期讯号频率的干扰仍会通过。再者,在像是LTE这样的协议中,想要的讯号必须具有极低的平均功率,而即使是经由滤波器衰减的干扰仍会包含足以和预期讯号匹敌的能量。

  这样的效果,就是为何进入混波器内的相位噪声裙带必须尽可能的「窄」。必须限制干扰物上相互混频的相位噪声的扩散,将其范围缩减至最小。射频卡设计的重大挑战之一便是挑选卡上的频率,而且还必须顾及将干扰物和来自想要讯号的频率的相互调变生成物尽可能地分开。

  由于ADC为经过取样的数据系统,且其传输并非完美的线性,所以它们也会受到所有相同的作用,也就是存在于被预期的输入讯号、干扰物讯号和取样频率间的交互调变生成物的影响。

  然而,还有另一个作用会影响ADC取样频率的规格,就是图3所示的孔径抖动(Aperture Jitter)。孔径抖动的基本概念,是指任何发生于取样时的不确定性,都会被三角转化为样本振幅中的不确定性。振幅中的不确定性会导致ADC讯噪比的退化,一旦知道此输入讯号的频率,便可针对ADC的预期SNR决定方均根(RMS)抖动量的目标值。一旦达到此目标,则ADC内部频率树的固定抖动将会经由分析,以决定取样频率的RMS抖动目标规格。

  DAC被用于传输路径上,可将数字基频讯号转变为模拟讯号,随后并转化为RF频率和放大到所需的发射功率。射频卡设计须留意修正射频卡的频率规画,确保DAC采样频率不会与接收卡端的临界频段重迭,这相当重要,因为DAC受到来自两个潜在机制的频率生成图像的影响。

  第一种机制和发生于ADC及混波器中的情况是一样的,取样频率(fLO)和输入讯号(fIN)的卷积(Convolution)会产生N.fLOM.fIN的频率。此卷积得自转换器中的非线性特性。针对取样频率抖动的需求,此作用相似于ADC。

  此外,大部分的DAC将受到频率馈通(Clock Feed-through)的影响,导致N.fLO进一步发生突波。基于此理由,取样频率频率通常会被设定高于奈奎氏准则所需,如此一来,馈通突波会超出相关频率,因此可以被轻易的过滤。

  DAC输出波形将会通过模拟重建滤波器,以便尽可能除去不被需要的频率。如果频率抖动和相位噪声裙状物能被良好的控制,此滤波器的设计将容易许多,也会比较便宜。除了对取样频率特定偏移的特定相位噪声水平有所要求外,还会要求整合一定范围频率的RMS抖动的规格,这是因为频率抖动会造成输出波形的失真,无法呈现理想波形。此举将导致总谐波失真(THD)或讯噪失真比(SINAD)特性的降低,必须保持一定的规格,才能避免误差向量幅度(EVM)特性的恶化。在传送端,更低的抖动、直接促成更好的EVM或被用以松动设计限制,以实现波峰因素/峰均值功率比(Crest Factor/Peak-average Power Ratio)降低线路。

  除了基本的语音和数据传输服务外,许多行动使用者会要求额外的服务。例子之一便是透过一组三角讯号发射台能精准定位使用者的位置。当所有的天线都是以一致的相位传送或接收讯号时,便能达到最佳的射频三角形精准定位。一些这样的服务须要利用独立的基地台,以彼此之间低于50奈秒(ns)的相位差异(Phase Discrepancy)操作。射频卡会被给予相对于同一系统中的其它射频卡相位差异的限制。这是为何每一片射频卡都自一个单一频率输出讯号,在内部生成所有的频率的另一个理由。它确保至少能为卡上的所有频率的相位校准提供一个共同的起点。

  射频卡须要自一个单一频率产生各种频率,而这个频率通常会是吵杂的输入频率。这些输出频率中,有些不会和输入频率具有完整关系。针对所有的频率,必须注意它们对噪声的贡献,以避免噪声被耦合至重要的电路中。ADC和DAC都专门用于混波功能,在RMS抖动及「噪声裙状物」方面也都有非常严格的要求,以避免在RF讯号路径上产生干扰讯号。这些频率都将会被仔细规画,以实现射频卡的各个细节,因此每一个设计都是独特的。再者,针对许多相同的频率,必须要能够进行各种相位延迟调整。结果就是必须要有极高效能的频率树,其规格必须能针对每一张射频卡做出量身打造,而且最好是由单一组件来实现。而IDT Netcom时序组件则具有独特的定位,可针对个别的射频卡设计要求提供极高效能的组件。

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