高动态范围RF收发器如何解决关键任务通信的阻塞挑战

描述

频谱有限,商业/私人蜂窝的使用增加 网络、无线电平台发展面临更复杂的干扰 场景。本文将讨论ADRV9002软件定义无线电 (SDR)是一种高动态范围(DR)RF收发器,可以解决阻塞问题 关键任务通信无线电和其他高动态通信的挑战 要求苛刻的无线应用。

介绍

关键任务通信系统对于我们的紧急情况至关重要 服务、公用事业服务以及政府和军事战术无线电 系统。任务关键型通信系统部署在许多 工作频段,必须与不断扩大的商业共存 蜂窝网络。这给无线电设计带来了重大挑战,因为 接收器必须在存在大阻塞或 干扰信号。此外,对于许多便携式和手持式用例, 尺寸、重量和功耗 (SWaP) 也是主要的设计考虑因素。 集成的 SDR IC 能够覆盖多个频段和 提供灾难恢复以处理日益拥挤的运营部署 外形小巧。

为了满足这些需求,设计了一个新的SDR系列。ADRV9002射频 收发器专为许多关键任务市场而设计 并支持窄带(NB,低至 kHz)和宽带(WB,高达 40 MHz) 操作。ADRV9002是一款高度集成的RF至/从位系统平台,具有 统一的软件可编程架构,并融合了许多先进的 关键任务通信功能,包括快速跳频 (FFH)、多芯片同步 (MCS)、数字预失真 (DPD)、动态配置文件 开关 (DPS)、数字下变频器 (DDC)、监听模式 (MM) 和高级 显著降低基带处理器负载的校准算法。 ADRV9002具有出色的动态范围,可提供最佳的灵敏度和阻断信号 处理具有挑战性的部署和干扰信号的容差。

接收器的阻塞要求

接收器的DR是其最大输入信噪比本底,DR是1 决定接收机恢复低电平信号能力的关键因素 在存在阻断剂(干扰物)的情况下。最小可检测信号或 灵敏度由信号带宽(BW)决定,接收器解调 阈值(信噪比最低),以及接收器的噪声系数 (NF)。它可以用 以下等式:

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因为LO相位噪声和倒易混频机制如 图1,大阻塞能量可以扩散到想要的信号和原因 接收器灵敏度下降;阻塞器越大,越近 就是对想要的信号,接收器的灵敏度越差。这 大阻塞器本身也可能在接收器前端引入非线性 并导致杂散抑制进入所需的信号频段。三阶 两个大阻塞信号在等频偏移下的互调产物 从想要的信号会落在想要的信号带上,并导致接收器 性能下降。

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图1.相互混合。

图 2 和图 3 显示了 DMR1和利乐2定义各种标准 干扰源和接收器容忍的电平要求。标准 要求无线电能够处理至少 84 dBc 阻塞 1 MHz (DMR) 或 500 kHz (TETRA) 频率偏移。广播制作人可能想要 90 dBc甚至更高,使他们的产品更具竞争力。同样,对于 相邻通道选择性、杂散抑制和互调 响应抑制,接收器应具有容纳所有响应的能力 这些类型的阻塞具有一些余量。

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图2.DMR 标准定义了阻塞要求。

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图3.TETRA 标准定义了阻塞要求。

为了满足图 2 和图 3 中的 DMR/TETRA 示例阻塞要求, 通常使用的传统超外差架构 RF信号下变频为一个或两个中频(IF),如 如图 4 所示。应用一对可调BBP(BPFa,BPFb)来拒绝 频带阻断器以及用于 VHF/UHF 频段或单个 SAW 的混频器 1 图像 带滤波器可应用于更高的频段,如800 MHz/900 MHz。 混频器1之后的晶体BPF具有尖锐的频率响应以提供通道 混合器2的选择性和反图像。AD9864等IC集成了 用于第二个混频器、IF/CLK 频率合成器、ADC、可编程抽取的功能 滤波器等,可以提供良好的信道内信噪比。

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图4.传统的超外差接收器。

图4所示的超外差架构类型高度依赖于 外部 BPF(射频和中频)用于过滤带内和带外阻断信号,以及 图像,以及接收器和发射器的其他分立元件;这样 架构也限制了降低无线电尺寸、重量和成本的能力。 作为多标准支持。

ADRV9002接收器架构

图5显示了顶级ADRV9002接收器架构,3其中有两个 相同的接收器。模拟前端 (AFE) 包含可编程 前端衰减器、匹配的 I 和 Q 混频器、可编程一阶或 二阶低通滤波器 (LPF) 和两组 ADC(高性能 (HP) 和每通道的低功耗 (LP))。数字前端 (DFE) 包含一系列 数字信号处理模块,包括抽取滤波器、DDC、可编程 FIR (PFIR) 滤波器、校正算法模块等。ADRV9002接收器 提供灵活的NB和WB模式支持,自动或手动增益控制, 直接转换或IF操作。高度集成的RF至比特接收器可以 替换图 4 点矩形中的所有功能块。一个大大简化的 图中显示了采用ADRV9002的新任务关键型通信接收器图 在图 6 中。

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图5.顶级ADRV9002双接收器架构

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图6.采用ADRV9002的关键任务通信接收器图。

采用一套HPADC和LPADC是ADRV9002接收器的独特设计, 它提供最大的线性度 (IIP3) 和最佳的功耗 折衷。HPADC和LPADC具有相似的噪声和DR水平,HPADC 与 LPADC 相比,IIP3 性能改进,约为 5 dB 增加功耗的代价。系统NF预计是 由于LNA增益在天线输入端的HPADC和LPADC之间的相似性 前端。利用 的快速模拟和数字峰值检测器功能 ADRV9002接收器,用户可以动态切换HPADC和LPADC的使用 当检测到或消失大阻塞信号时,因此接收器线性度和 功耗可以很好地平衡。

ADC(HPADC 和 LPADC)信号传递函数 (STF) 具有低通 滤波器响应,用作抗混叠滤波器,并显著降低 采样率周围的阻塞器。它还降低了以下抗锯齿要求: ADC之前的模拟LPF。图7显示了ADRV9002 ADC STF和模拟器件 LPF 频率响应,其中 HPADC 以 2.2 GHz 采样率和 LPF 运行 设置为一阶,频率约为 20 MHz f1 dB。受益于高 ADC的容积率,ADRV9002不依赖模拟LPF进行阻塞信号抑制 和通道选择性;因此,模拟LPF被设计为可配置的 一阶或二阶 LPF,带宽约为 5 MHz 至 50 MHz。它提供 ADC的抗混叠功能,有助于衰减带外阻滞剂。 通道滤波器由PFIR滤波器在数字数据路径的末端完成。

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图7.ADRV9002 ADC STF 和模拟 LPF 频率响应。

ADRV9002接收器可支持高达40 MHz的RF带宽,可编程NCO和DDC允许从中间进行数字下变频 频率高达 ±20 MHz,适用于 NB 和 WB 信号。这 为接收器提供灵活的直接变频或中频操作。请注意, 偏移 IF 加上 RF 信号带宽的 1/2 应始终小于 20 MHz 至 确保输入信号不会在ADC之后被数字滤波器失真。

ADRV9002 接收器阻塞容限

如前所述,最大阻塞容差或最大容许 阻断器功率高于所需信号主要由以下因素决定:

动态范围(接收器最大输入信噪比)

接收器线性度,在失真产物落入 所需通道

中频模式下的镜像抑制,仅当干扰源处于镜像频率时

LO相位噪声

动态范围

接收器必须提供足够的 DR 来容纳阻塞程序和想要的 信号。与图4中的传统超外差接收器不同,ADRV9002 接收器不依赖外部 BPF 来过滤阻塞程序。The ADRV9002 接收器具有大约 150 dBc/Hz 的 DR,足以容纳和 在模拟/射频部分对阻塞信号和所需信号进行数字化处理 接收器路径,因此可以有效地过滤阻塞器 数字领域。公式2显示了ADRV9002接收器DR的计算结果 在最大增益下。

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其中–11.4 dBm是ADRV9002接收器的典型满量程输入功率(FSIP) 12.5 dB是ADRV9002接收器的典型噪声系数。

ADRV9002接收器的最大增益约为20 dB,增益控制为34 dB 衰减器在混频器之前设置的范围,施加的衰减越多, 接收器增益越小。接收器可以提供每dB NF和线性权衡, 增益降低 1 dB 会使 NF 增加 1 dB,IIP3 和 IIP2 增加 1 dB。 同样,增益降低1 dB会使FSIP增加1 dB。图 8 显示了 ADRV9002接收器NF、IIP2、IIP2和FSIP具有不同的增益。根据等式2, ADRV9002接收器150 dBc/Hz DR可以保持在接收器增益中 控制范围。

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图8.ADRV9002接收器NF、IIP3、IIP2和FSIP与增益的关系

图6显示了接收器,LNA之前的前端插入损耗(IL)也是如此 作为LNA增益,NF主导整个系统本底噪声,因此 到系统灾难恢复。系统NF(NF.SYS) 可以通过公式 3 计算。

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哪里:

FFE是LNA之前所有前端的噪声因子

AFE是有限元在LNA之前的线性插入损耗

FLNA是LNA噪声因子

ALNA 是线性LNA增益

FBALUN是巴伦的噪声因子

ABALUN 是巴伦线性插入损耗

FTRX是ADRV9002噪声因数。

对于图6中的接收器,LNA之前的前端插入损耗为3 dB。 LNA (HMC8410) 具有 1.4 dB NF 和 19 dB 增益。巴伦插入损耗为1 dB, ADRV9002接收器NF在最大增益下为12.5 dB。从公式3, 该接收器的系统NF约为5.1 dB,从天线到天线的总增益 ADRV9002输入为15 dB。使用公式2,天线输入端的系统DR ADRV9002的最大增益约为:

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图 9 显示了天线输入端的系统 DR 和 NF 具有不同 ADRV9002增益,采用ADRV9002接收器大DR设计。系统灾难恢复为 始终受到前端LNA的限制,这应该从 系统视角。

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图9.系统噪声系数和动态范围与ADRV9002增益的关系

在无线电设计实践中,公式4可用于估算接收器DR 要求或估计最大阻塞信号到所需信号可容忍 给定接收器 DR 的比率。 图 10 显示了 DR 估计图 对于公式4。

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图 10.容灾需求分析图。

以带有CW阻塞器的典型DMR信号为例。假设 DMR 所需信号带宽为 8 kHz,信噪比最低大约 7 dB,CW 阻滞剂的 PAR 为 0 dB, 裕量裕量为 1 dB。然后根据等式4,我们可以推导出 ADRV9002 150 dBc/Hz DR允许对大至 比所需信号高 103 dBc,信噪比至少为 7 dB。

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同样,如果阻塞信号是PAR约为10.3 dB的LTE10宽带信号, ADRV9002 150 dBc/Hz DR允许对LTE10阻塞信号的容差与 LTE10 一样大 为 92.7 分贝。

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上述估计仅适用于灾难恢复角度以及阻止因素,并且 LO相位噪声性能会降低最大容许阻断信号 到想要的信号。验证ADRV9002接收器的高容程概念以进行阻塞 将需要用于阻塞器和外部LO的高质量信号发生器。这 如果应用LNA,前端LNA线性度(IIP3)不应限制测试。

图11显示了ADRV9002阻塞测试设置,用于验证上述分析和 计算。ADRV9002配置为DMR配置文件,IF频率为490 kHz, 接收器施加外部LO。ARDV9002 处所需的接收器信号 接收器输入约为 –108 dBm,将信号发生器设置为不同的输出 阻塞器频率偏移,并增加阻塞器电平,直到获得所需信号 信噪比降低为信噪比最低在公式 1 中(对于 DMR 8 kHz,约为 7 dB 信号带宽)。然后,在相应频率下获得最大阻塞信号容差 偏移量被记录下来。

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图 11.ADRV9002阻塞测试图。

图12和图13显示了ADRV9002 DMR轮廓阻塞测试结果,其中 CW 阻塞器和接近所需信号的 LTE10 阻塞器。

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图 12.ADRV9002 DMR 配置文件 CW 阻断器容差测试结果。

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图 13.ADRV9002 DMR 配置文件 LTE10 阻塞信号容差测试结果。

在CW阻塞器测试中,所需信号约为150 MHz。两个信号源 具有出色的相位噪声,用于外部LO和CW阻塞器, 分别;因此,LO和阻塞相位噪声基本上不会影响 阻塞测试。ADRV9002 CW阻塞器抑制测试结果与 高于103 dBc的估计值,但1 MHz频率偏移处的阻塞信号除外,该频率偏移约为IF频率的两倍,并且受镜像限制 剔除性能。

对于另一个测试用例,LTE阻塞器测试,所需信号设置为860 MHz,a 是德科技 N5182B 信号发生器生成调制后的 LTE10 阻塞信号,并且 ADF5335 PLL用于外部LO源。LTE10阻塞抑制测试 结果非常接近 92.7 dBc 的估计结果,但大约为 3 dB 差距。这主要是LO和阻塞相位噪声的影响。

上述ADRV9002 DMR模式DR估计和测试结果假设 ADC之前没有滤波器。ADRV9002模拟LPF可以部分衰减 阻断者。这改善了结果,特别是当阻塞者移动到更高的位置时 偏移频率 — 例如,≥ 5 MHz。

线性

两个大阻塞信号(或宽带)的三阶互调产物 阻塞因子的第三个非线性分量)可以落入所需的信号频段和 使接收器脱敏。接收器线性度将限制整体阻塞信号 容差低于 DR。三阶非线性失真的简单分析 可以通过使用IP3(三阶截点)概念来完成。图 14 显示 宽带阻塞非线性产物落入所需信号频带 场景,简化的双音模型可用于宽带阻塞 分析。每个音调的功率是总阻塞功率的一半(P大牌–3 dB),间距等于阻塞信号带宽和失真分量的功率 (P我) 相当于宽带两侧的总失真功率 阻滞 剂。DMR/TETRA 标准互调抑制响应如图 2 和 图3通过未调制干扰信号和调制信号进行验证, 但由于DMR/TETRA调制信号带宽较窄,交调抑制响应也可以简化为双音模型 在图14中,带宽将是两个干扰信号间隔,由 DMR/TETRA 测试规范。

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图 14.阻塞非线性和分析。

接收器IP3来自双音模型的三阶互调失真 (IMD3) 可以用以下等式表示:

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其中 P我是输入音功率和P我是三阶失真功率。

采用HPADC时,ADRV9002接收器的典型IIP3为26 dBm。分析是否 ADRV9002线性度可以满足DMR互调抑制响应要求,我们使用图6中的接收器设置。ADRV9002之前的总FE增益为: 15分贝。图2显示ADRV9002输入端的–107 dBm所需信号将为–92 dBm 以及由三阶失真或P引起的最大允许噪声我将 –99 dBm,信噪比为 7 dB最低.由公式5可知,最大允许值P我ADRV9002 时的输入计算为 –15.7 dBm,在 天线输入,远高于 –42 dBm DMR 标准要求。同样,采用LPADC时,ADRV9002接收器IIP3的功耗为22 dBm。这将允许 最大 P 约为 –33.3 dBm我在天线输入端,仍能满足DMR 互调抑制要求。

同样,卫星地面站的干扰阻塞要求和 系统(SES)4符合无线电设备指令 (RED) 需求 接收器可承受高达 87 dBc 的 LTE 5 MHz 阻塞信号,SNR 为 2.5 dB最低, 如图 15 所示。使用图 6 中的相同接收器,阻塞信号在 ADRV9002输入为–15 dBm,FE增益为15 dB,目标信号 ADRV9002输入为–102 dBm。假设 LTE 5 MHz 为 7.5 dB PAR ADRV9002满量程的信号和1 dB裕量程,ADRV9002接收器需要5 dB 从最大增益回退,以适应–15 dBm LTE阻塞 信号,ADRV9002 IP3在图8中增益约为15 dB时为31 dBm。

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图 15.卫星接收器阻塞器要求(符合 ETSI RED)。

如图14所示,宽带5 MHz LTE阻塞器可以简化为: IM3估计的双音方法。每个音调功率P我ADRV9002输入时为 –18 分贝。由公式5可知,三阶失真功率P我为 –116 dBm,并且 阻塞信号一侧的失真功率为阻塞信号的 –98 dBc,即 可以满足 RED 阻塞要求(–87 dBc 阻塞与所需功率比 –2.5 dB 信噪比最低).实际上,对于宽带阻塞,只有一部分三阶失真落在所需的信号频段,因子为10 ×log10 (156 kHz/7.5 MHz),其中 156 kHz 是所需信号带宽,7.5 MHz 是偏移 从阻塞中心到三阶失真,所以有效失真功率在 所需信号频带远小于P我.ADRV9002接收器线性度 有足够的余量来满足 RED 规范。

请注意,这些计算仅考虑了ADRV9002接收器的三阶失真。分析表明,ADRV9002接收器线性度很大 满足 DMR 标准阻塞互调抑制规范的裕量 以及 RED 规范。ADRV9002接收器提供每dB增益和dB 线性权衡,增益越小,IIP3越大,以上裕度越大 阻断交调抑制。从系统设计的角度来看, 外部前端LNA线性度可能会限制整个系统的线性度。 这需要仔细设计。

中频操作和镜像抑制

在IF操作中,阻塞信号在镜像频率(所需频率—2×IF) 可以在混频器后下变频到所需的信号频段,并且可以 使接收器脱敏。必须删除或禁止显示阻止程序图像 到足够低的水平以保持接收器性能。图 16 显示 在镜像频率和抑制要求下的阻塞器。阻塞 在镜像频率要求下可以分类为杂散响应 抑制 DMR/TETRA 标准,如图 2 和图 3 所示。对于 DMR 70 dBc 杂散响应抑制和 7 dB SNR最低例如,接收器 镜像抑制需要至少为77 dBc加上额外的裕量。

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图 16.镜像频率和抑制的阻断器。

传统的中频操作需要敏锐的RF滤波器(图4,BPFb)来 在混频器和/或需要非常之前以镜像频率过滤阻塞器 高IF能够使用实用的外部滤波器(图4,晶体BPF)来 在第二个混音器之前消除阻塞图像。

ADRV9002镜像抑制算法平衡I/Q;因此,阻断剂 在ADRV9002的数字部分可以去除镜像频率。ADRV9002 在IF模式下为NB信号提供约90 dBc的镜像抑制。基于 之前的计算,这留下了很多裕量来满足DMR 70 dBc杂散 响应拒绝要求。在此性能水平下,ADRV9002 不 必须需要外部RF BPF(至少在降低外部RF BPF的情况下 要求)进行图像抑制。如果需要更多图像抑制 系统,ADRV9002可配置为高中频模式,以创造最大空间 (~40 MHz)在所需信号和图像之间;因此,外部BPF 可以在图像频率下衰减阻塞信号。ADRV9002提供灵活的变量 IF操作,用户可以根据其系统要求配置IF。

LO相位噪声

由于LO相位噪声和相互混频,大阻塞信号可能会降低 接收器灵敏度。失调频率下的LO相位噪声从阻塞信号到 所需通道应足够低,以便互惠混合组分 接收器不会降低所需频段所需的信噪比。对于调制 阻塞器,阻塞器可以在带宽中心使用 CW 音进行建模 和阻断器的总功率,以简化分析。图 17 显示了 LO相位噪声要求模型。相位噪声要求可以是 由以下等式估算:

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其中 P从大牌到期望是高于所需信号的最大可容忍阻塞功率 在给定的频率偏移下。

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图 17.LO相位噪声要求模型。

以 DMR 为例(7 dB SNR最低,8 kHz 带宽),要求 1 MHz 的阻塞程序 为 84 分贝。为满足标准要求,1 MHz偏移时的LO相位噪声 应小于 –130 dBc/Hz。

ADRV9002提供集成式RF PLL和VCO,具有更好的相位噪声 性能(参见ADRV9002数据手册中的相位噪声图)。LO阶段 对于 470 MHz LO,1 MHz 偏移时的噪声为 –141.4 dBc/Hz,对于 470 MHz LO 时为 –136.5 dBc/Hz 900兆赫低ADRV9002内部LO可以满足DMR标准 阻断LO相位噪声要求。

ADRV9002还为接收器提供外部LO输入,允许使用 外部更高性能的LO以获得更高的阻塞性能。

结论

本文介绍了ADRV9002系统如何具有高DR和线性度 设计成功满足任务关键型具有挑战性的阻塞需求 无线应用。高度集成的平台覆盖面广 的频段和标准。其最少的 BOM 使其适用于多种用途。

审核编辑:郭婷

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