基站射頻卡時鐘樹研究與設(shè)計

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：中國一卡通網(wǎng) 收編   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月11日

　　由于偶爾需要支持遠(yuǎn)程射頻頭內(nèi)的射頻卡，大多數(shù)射頻卡會采用一個基于鏈路到基站的恢復(fù)時鐘作為輸入時鐘。這些單輸入時鐘的質(zhì)量很差，可能需要清理明顯的抖動，為的是有效生成射頻卡上的其他時鐘。

　　因此，射頻卡時鐘樹的核心必須是一個具有可編程輸出頻率的抖動衰減器。本文的其余部分將討論性能屬性和需要這些性能屬性的原因，以及其他時鐘樹要求。

　　射頻卡架構(gòu)注意事項

　　當(dāng)今，大多數(shù)基站射頻卡設(shè)計執(zhí)行的許多操作都需要在數(shù)字域中建立或終止LTE或多載波GSM等協(xié)議信號。這是處理錯誤校正、信道映射和數(shù)字分割I(lǐng)、Q數(shù)據(jù)流的更簡單方法。這種復(fù)合信號的復(fù)雜數(shù)據(jù)流還需要在發(fā)送和接收兩個方向進(jìn)行非常小心的濾波/信號處理。在數(shù)字域這樣做可以避免像精密元件值匹配的代價。

　　盡管數(shù)字操作多種多樣，在某些時候信號必須調(diào)制成一個載波，它可以在824MHz～2.62GHz范圍內(nèi)并以模擬信號傳輸。大多數(shù)基站架構(gòu)的地址多信道協(xié)議包括LTE、WiMax和多載波GSM使用的單級模擬轉(zhuǎn)換方法，如圖1所示。

圖1 典型的LTE射頻卡架構(gòu)

　　在發(fā)送端，除第一次調(diào)制外，各子載波都合并成一個數(shù)字流。這個基帶信號隨后由DAC轉(zhuǎn)換為移相偏移模擬I、Q數(shù)據(jù)流，然后通過正交模擬混頻器向上轉(zhuǎn)換為傳輸頻率。可變和固定增益放大器以及雙工濾波器用于將有用信號沿著路徑提高到其傳輸頻段的所需強(qiáng)度，而只增加了少量噪聲及失真，同時最大限度減少了傳輸頻段以外的能量，以防止對其他射頻信道的干擾。

　　在接收端，射頻信號通常經(jīng)過放大、濾波，然后通過一個混頻器轉(zhuǎn)換為75～250MHz范圍的較低中頻(IF)，在該范圍內(nèi)射頻信號通過一個可變數(shù)量、經(jīng)過濾波并最后由一個流水線ADC根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則采樣進(jìn)一步放大。然后，在數(shù)字域中處理子載波的下變頻和解調(diào)。接收器的目標(biāo)是在ADC獲得最小附加噪聲和互調(diào)失真之前，完成這個信號調(diào)理，同時避免超過ADC的最大范圍。

　　射頻卡架構(gòu)師更愿意盡可能地集成時鐘樹。不僅是上述理由，而是由于每個時鐘樹元件都有自己的抖動貢獻(xiàn)，它可以推動時鐘信號超出規(guī)范。有了這種集成，不僅可產(chǎn)生射頻與中頻調(diào)制時鐘，而且可以產(chǎn)生ADC和DAC的采樣時鐘及其他數(shù)字元件時鐘，如CPU、ASIC和FPGA。

　　與涉及射頻信號路徑的時鐘相比，這些數(shù)字元件的時鐘通常有更寬泛的規(guī)格;周期抖動是最常見的主要問題。當(dāng)隨著這些更敏感的時鐘在同一個芯片上生成這些時鐘時，會出現(xiàn)兩個問題。首先，數(shù)字時鐘信號很少是射頻卡輸入時鐘信號的整倍數(shù)，所以必須利用分?jǐn)?shù)反饋或小數(shù)輸出分頻技術(shù)來生成。然而，這兩種技術(shù)要在時鐘芯片內(nèi)和時鐘輸出上引入明顯的寄生含量。其次，數(shù)字時鐘芯片(或生成時產(chǎn)生的任何寄生含量)降至接近射頻、中頻或采樣頻率無法輕易過濾掉，所以必須加以避免。這些響應(yīng)區(qū)域以外的頻率分量可能降低信噪比，無論是否作為寬帶噪聲(如果沒有濾波)還是通過混疊進(jìn)入臨界頻率范圍都是如此。

　　混頻器、ADC和DAC的頻率影響

　　混頻器是一種用來將高頻率信號與低頻率信號相互轉(zhuǎn)換的模擬元件。在大多數(shù)基站射頻卡設(shè)計中，混頻器是將信號從射頻轉(zhuǎn)換到中頻或從基帶轉(zhuǎn)換到射頻。時鐘樹設(shè)計關(guān)注的主要問題是頻率混疊問題。當(dāng)多個頻率通過一個非線性器件時，這些頻率會互相影響。這些相互作用被稱為互調(diào)積?；祛l器的功能是獲得兩個輸入頻率并生成一個輸出頻率，要么是兩個頻率的和(上轉(zhuǎn)換)，要么是兩個頻率的(降頻)差。

　　現(xiàn)今的射頻卡旨在恢復(fù)多載波性質(zhì)的信號。因此，理想的信號不是單音頻線的有用信號，而是包含全系列的音頻線，它均勻分布在整個響應(yīng)頻段。這些線代表被恢復(fù)的各個信道。不幸的是，因為這個多載波信號貫穿于混頻器等非線性元件，這里的每個信道都將彼此互調(diào)。信道的整齊間隔將導(dǎo)致奇數(shù)階積幾乎完全落在被恢復(fù)的信道頂部。放在混頻器前的濾波器將用于減弱噪聲，這將有助于實現(xiàn)偶數(shù)階積。放在混頻器后的濾波器將消除下降到響應(yīng)頻段以外的互調(diào)積，但對于帶內(nèi)奇數(shù)階積什么事也做不了，因為它們下降得過于接近有用信號。

　　雖然放在混頻器后的帶通濾波器可以省去不想要的潔音線，這還算不錯，但采樣時鐘的任何抖動都會將潔音線轉(zhuǎn)入一個邊緣(skirt)，如圖2所示。來自每個不受歡迎積的邊緣的尾巴將對濾波器通帶內(nèi)有一定的影響，這稱為寬帶噪聲。混頻器產(chǎn)生的任何時鐘(或ADC或DAC)必須有一個極低的噪聲層，以減少其寬帶噪聲。

圖2 相互混頻的效果

　　不需要的信號被稱為“干擾”或“阻斷(blocker)”，進(jìn)入混頻器的輸入將對時鐘信號的規(guī)格產(chǎn)生影響。它們可能包含通過天線接收的其他信號，或耦合進(jìn)入接收信號路徑的系統(tǒng)內(nèi)部信號。雖然可將有用信號從廣泛頻率中分離出來的“阻斷”可通過預(yù)濾波器得到明顯抑制，但接近有用信號的頻率仍會通過。此外，在像LTE這樣的協(xié)議中，有用信號具有較低的平均功率，即使是通過濾波器來衰減“阻斷”，可能仍然含有足夠的能量與有用信號競爭。

　　這種就是進(jìn)入混頻器的時鐘相位噪聲邊緣必須盡可能“窄”的原因。“阻斷”上相互混頻的相位噪聲的傳播必須保持在最低限度。射頻卡設(shè)計的主要挑戰(zhàn)之一是選擇卡的頻率，著眼于最大限度地從有用信號的頻率中分離“阻斷”及其互調(diào)積。

　　ADC抖動的其他影響

　　由于ADC是采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，而不是完全線性的轉(zhuǎn)換，在有用輸入信號、不需要的(“阻斷”)信號和采樣時鐘之間，它們也將受到互調(diào)積所有相同的影響。

　　然而，還有另一種推動ADC采樣時鐘規(guī)格的影響。這就是孔徑抖動效果，如圖3所示。

圖3 ADC的孔徑抖動

　　其基本概念是，任何時間不確定性的采樣都可以通過三角法轉(zhuǎn)換成該采樣振幅的不確定性。振幅的不確定性可導(dǎo)致ADC信噪比的下降。一旦已知了輸入信號的頻率，RMS抖動目標(biāo)可確定為ADC的理想信噪比。一旦達(dá)到目標(biāo)，ADC內(nèi)的時鐘樹固有抖動即可分解出來，以確定采樣時鐘的目標(biāo)RMS抖動規(guī)格。

　　時鐘抖動對DAC的影響

　　用于發(fā)送路徑的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)把一個數(shù)字表示的基帶信號轉(zhuǎn)換為一個模擬表示的基帶信號，以便隨后轉(zhuǎn)換為RF頻率，并放大到所需的發(fā)射功率。射頻卡設(shè)計師將關(guān)注固定卡的頻率規(guī)劃，以確保DAC的采樣頻率不會與接收卡端的臨界頻段重疊。這很重要，因為DAC受到來自兩個潛在機(jī)制的頻率生成圖像的影響。

　　第一種機(jī)制與ADC和混頻器中發(fā)生的情況相同，采樣時鐘的卷積(fLO)和輸入信號(fIN) 產(chǎn)生的頻率都在N·fLO+M·fIN。此卷積結(jié)果來自于轉(zhuǎn)換器的非線性。對采樣時鐘抖動有關(guān)要求的影響與ADC類似。

　　第二個機(jī)制是大多數(shù)DAC工作方式中不可避免的結(jié)果。如圖4所示，在每個采樣時鐘沿，DAC的輸出將很快切換到一個新的電壓等級以代表數(shù)字采樣值。此值將保持到下一次采樣的時鐘沿。輸出僅匹配每一次采樣時鐘的所需波形。

圖4 DAC輸出與理想輸出的比較 

　　這將導(dǎo)致引入誤差能量。此外，大多數(shù)DAC都將受到某種時鐘饋通的影響，導(dǎo)致N·fLO進(jìn)一步出現(xiàn)尖峰。為此，采樣時鐘頻率往往會大大高于奈奎斯特的要求，這樣饋通尖峰就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了響應(yīng)頻率，因此可以很容易地濾波。

　　DAC輸出波形將通過模擬重建濾波器盡可能多地消除這類不必要的頻率。如果時鐘抖動和相位噪聲邊緣可以很好地控制，濾波器的設(shè)計將更加容易，實現(xiàn)成本也較低。除了采樣時鐘在特定偏移條件下的具體位噪聲水平要求，還有一個頻率范圍內(nèi)集成RMS抖動的規(guī)范。這是由于時鐘抖動造成理想輸出波形的畸變。這將降低DAC的總諧波失真(THD)或信噪加失真比(SINAD);必須保持在規(guī)范以內(nèi)，以防止降低射頻卡的誤差矢量幅度(EVM)。在發(fā)送端，較低的時鐘抖動可直接讓EVM更好，或用來放寬波峰因數(shù)/峰均功率比降低電路的設(shè)計限制。

　　射頻卡內(nèi)的相位調(diào)整要求

　　除了基本的語音和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，許多移動用戶還需要其他服務(wù)。例如，利用一組信號發(fā)射塔通過三角法實現(xiàn)用戶的精確定位。當(dāng)所有天線在彼此發(fā)射和接收相位校準(zhǔn)信號時，通過射頻三角法可以實現(xiàn)最佳的精確定位。一些這樣的服務(wù)需要獨立的基站在其之間以少于50ns的速度運(yùn)行。一個射頻卡的預(yù)算在于：相對于同一系統(tǒng)中的其他無線卡，它可能引入多少相差異。這就是每個射頻卡利用一個內(nèi)部時鐘輸入信號生成其內(nèi)部所有頻率的另一個原因。它可確保卡上所有時鐘的相位校準(zhǔn)至少有一個共同的出發(fā)點。

　　總結(jié)

　　射頻卡需要利用一個往往有噪聲的輸入時鐘生成各種時鐘。這些輸出時鐘當(dāng)中很少與輸入時鐘是整數(shù)關(guān)系。所有時鐘必須注意其總噪聲數(shù)量，以防止噪聲耦合到關(guān)鍵電路。專門針對混頻功能的時鐘包括ADC和DAC，對RMS抖動以及噪聲邊緣都有嚴(yán)格的規(guī)范，以避免射頻信號路徑中產(chǎn)生阻斷信號。