多通道系统宽带宽信号测量及时钟架构设计方案

下一代航天和国防以及测试和测量系统带宽从10s到100s MHz横跨到GHz的瞬时带宽。相控阵雷达、5G无线测试系统、电子战以及数字示波器的发展趋势正在推动业内向更高带宽发展，并且大幅增加系统中的通道数量。

这些趋势使包括数据转换器、时钟和电源等组件的信号链设计变得复杂化。选择合适的数据转换器、同步多个通道以及优化电源，对于在多个通道上实现必要的带宽至关重要。

选择适合的数据转换器

每个系统架构都是从对系统性能影响最大的器件开始；在宽带系统中，最先开始的就是数据转换器。选择哪一款数据转换器取决于您对以下问题的回答：

您是否会使用零中频(IF)/复数混频器架构（如图1所示）？

●   优势：模数转换器（ADC）的输入带宽和采样率低于其他架构，由此可简化或消除滤波。

●   劣势：对于I和Q路径，每个天线元件需要两个ADC通道，且混频器图像可能会降低系统性能。

您是否会使用外差法（如图2所示）？

●   优势：您只需要一个数据转换器通道，且ADC输入带宽低于射频（RF）采样。

●   劣势：需要一个或多个混频器，信号图像和产生的谐波会使滤波复杂化；很难调整响应频率；必须移动本地振荡器(LO)。

您是否会使用直接射频采样（如图3所示）？

●   优势：由于信号链简化，不再需要混频器；且使用数字下变频器（DDC）和数控振荡器（NCO）可以很轻松以数字方式调整频率。

●   劣势：最高信号频率必须在ADC的输入带宽内；需要进行频率规划以实现最高性能。

图3：典型的射频采样架构

您需要测量的最宽带宽信号是什么？

●   数据转换器的采样率至少应为直接采样信号瞬时带宽的2.5倍，或是零中频的1.25倍。

●   为获得最佳性能，约为瞬时带宽10倍的采样率将使您更轻松避免信号谐波和杂散。

TI的射频采样频率规划器、模拟滤波器和DDC Excel计算器可以满足频率规划和滤波要求，并向您展示信号的复杂数字抽取效果。

如前所述，宽带系统需要高采样率转换器。例如，信号带宽为1 GHz的射频采样系统可以从带~10-GSPS转换速度的数据转换器中受益，从而避免信号谐波。目前，TI最快的转换器是ADC12DJ3200，它是一种12位ADC，可在双通道模式下每通道运行3.2 GSPS或在单通道模式下运行6.4 GSPS。但即使在单通道模式下，它也不能满足所需的10-GSPS速度。为了满足这一要求，适用于DSO、雷达和5G无线测试系统的灵活3.2GSPS多通道AFE参考设计将两个ADC12DJ3200组合在一块板上，如图4所示。

图4：多通道AFE参考设计框图

此参考设计提供了系统灵活性，因为它可以在四通道、3.2-GSPS模式或双通道、6.4-GSPS模式下运行，或者作为一个单通道以高达12.8 GSPS的速度运行。我们的适用于高速示波器和宽带数字转化器的12.8-GSPS模拟前端参考设计说明了两个ADC的板载交错。

现在，随着我们新的双通道5.2-GSPS ADC12DJ5200RF的推出，您的下一代设计将具有更高的性能和灵活性。由于ADC12DJ5200RF与ADC12DJ3200兼容引脚，我们很快就可以修改现有的参考设计，且现在可以提供适用于12位数字转换器的可扩展20.8GSPS参考设计。在20.8GSPS时，器件的整个8-GHz输入带宽可以在单个捕获中实现数字化。

设计时钟架构

选择数据转换器之后，就必须设计一个时钟架构。为单个数据转换器提供时钟非常简单，但是许多系统，比如我们的交错设计，需要同时为多个转换器提供时钟。例如，大型相控阵系统可以有数百个或数千个通道。而TI有多个器件和参考设计来应对此设计挑战。

我们的适用于DSO、雷达和5G无线测试仪的多通道JESD204B 15-GHz时钟参考设计是一个完整的时钟子系统。此设计（如图5所示）包含如LMK61E2可编程振荡器和LMK04828等多个时钟参考，一个带有14个独立时钟输出的时钟分配器件，以及两个可提供高达15 GHz的超低相位噪声时钟的LMX2594锁相环/合成器（如图6所示）。此外，LMX2594还可以为带JESD204B接口的数据转换器生成同步SYSREF时钟。LMX2594还能够跨越多个设备同步时钟的相位。在参考设计中，您可以找到多个频率下的相位噪声图（如图6所示），并发现通道到通道偏斜的测量值小于10 ps。

图5：多通道JESD204B 15-GHz时钟框图

图6：15 GHz时的LMX2594相位噪声

根据配置，该电路板最多支持两个数据转换器和两个现场可编程门阵列（FPGAs），且可轻松适应多达六个转换器和一个FPGA的时钟。然而，许多系统需要更多的通道。对于这类情况，我们的适用于雷达和5G无线测试仪的高通道数JESD204B时钟生成参考设计和适用于雷达和5G无线测试仪的高通道数JESD204B菊链时钟参考设计能够在树形结构（如图7所示）或菊花链配置中运行时钟。您可以使用这些方法扩展到数千个通道，同时对系统性能的影响降至最低。

图7：JESD204B时钟生成参考设计树形结构框图

电源设计

一旦时钟架构确定，那么下一个挑战就是电源设计。由于数据转换器和时钟对DC/DC转换器的开关噪声敏感，所以大多数电源设计人员都会采用带低噪声、低压差稳压器的DC/DC转换器（LDO）。然而，经过精心布局和过滤，在许多电源上经常不需要LDO。

前面提到的3.2-GSPS多通道模拟前端参考设计具有一个完整电源，包括DC/DC稳压器和LDO，如图8所示。此设计上的LDO可以用滤波器绕过，以测试哪些电源对开关噪声最敏感。我们的测试证实，绕过LDO时不会对设计的性能产生任何影响，也表明了电源效率增高的额外好处。

图8：3.2-GSPS多通道AFE参考设计电源框图

该电路板包含一系列沿顶部的排针引脚，这些排针引脚支持新的设计绕过板载电源解决方案，例如我们的可最大限度提高12.8GSPS数据采集系统性能的低噪声电源参考设计（如图9所示），能够同步所有DC/DC稳压器与主时钟，从而更容易滤除转换器开关噪声。此外，您可以将时钟的相位移到每个转换器，以便所有转换器不会同时切换，从而降低总开关能量。最后，参考设计上的DC/DC转换器更加高效，降低了电路板上的总功耗。与最初设计一样，LDO仍然可以被绕过。

图9：低噪声电源参考设计框图

编辑：hfy