許多當(dāng)前的無(wú)線電架構(gòu)都包含下變頻級(jí)，可將RF或微波頻段向下轉(zhuǎn)換為中頻以進(jìn)行基帶處理。無(wú)論最終應(yīng)用如何，無(wú)論是通信、航空航天和國(guó)防，還是儀器儀表，感興趣的頻率都在向射頻和微波頻譜推高。這種情況的一種可能解決方案是使用越來(lái)越多的下變頻級(jí)，如圖1所示。但是，另一種更有效的解決方案是利用帶有集成數(shù)字下變頻器（DDC）的RF ADC，如圖2所示。

圖1.具有下變頻級(jí)的典型接收器模擬信號(hào)鏈。

將DDC功能與RF ADC集成，無(wú)需額外的模擬下變頻級(jí)，并允許RF頻域中的頻譜直接轉(zhuǎn)換為基帶進(jìn)行處理。RF ADC能夠在千兆赫茲頻域中處理頻譜，從而減輕了在模擬域中執(zhí)行潛在的多次下變頻的需要。DDC的能力允許頻譜的連續(xù)性以及通過(guò)抽取濾波進(jìn)行濾波，這也提供了改善頻帶內(nèi)動(dòng)態(tài)范圍（增加SNR）的優(yōu)勢(shì)。

圖2.使用帶DDC的RF ADC的接收器信號(hào)鏈。

本文主要重點(diǎn)介紹AD9680（以及AD9690、AD9691和AD9684）中的DDC功能。為了了解DDC功能以及如何分析DDC與ADC配合使用時(shí)的輸出頻譜，我們將以AD9680-500為例。作為輔助手段，將使用ADI公司網(wǎng)站上的頻率折疊工具。這個(gè)簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的工具可用于幫助理解ADC的混疊效應(yīng)，這是分析集成DDC（如AD9680）的RF ADC輸出頻譜的第一步。

在本例中，AD9680-500采用368.64 MHz輸入時(shí)鐘和270 MHz模擬輸入頻率工作。首先，了解AD9680中數(shù)字處理模塊的設(shè)置非常重要。AD9680將設(shè)置為使用數(shù)字下變頻器（DDC），其中輸入為實(shí)數(shù)，輸出為復(fù)數(shù)，數(shù)控振蕩器（NCO）調(diào)諧頻率設(shè)置為98 MHz，半帶濾波器1（HB1）使能，6 dB增益使能。由于輸出很復(fù)雜，因此禁用了復(fù)數(shù)到實(shí)際的轉(zhuǎn)換塊。DDC 的基本示意圖如圖 3 所示。為了理解輸入音調(diào)的處理方式，重要的是要了解信號(hào)首先通過(guò)NCO，NCO在頻率上移動(dòng)輸入音調(diào)，然后通過(guò)抽取，可以選擇通過(guò)增益模塊，然后選擇性地通過(guò)復(fù)數(shù)到實(shí)際轉(zhuǎn)換。

圖3.AD9680中的DDC信號(hào)處理模塊。

了解流經(jīng)AD9680的信號(hào)流的宏觀視圖也很重要。信號(hào)通過(guò)模擬輸入進(jìn)入，通過(guò)ADC內(nèi)核進(jìn)入DDC，然后通過(guò)JESD204B串行器，然后通過(guò)JESD204B串行輸出通道輸出。圖4所示AD9680的框圖對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。

圖4.AD9680原理框圖

輸入采樣時(shí)鐘為368.64 MHz，模擬輸入頻率為270 MHz時(shí)，輸入信號(hào)將混疊到98.64 MHz的第一個(gè)奈奎斯特區(qū)。輸入頻率的二次諧波將在171.36 MHz處混疊到第一個(gè)奈奎斯特區(qū)，而第三個(gè)諧波混疊為72.72 MHz。圖 5 中的頻率折疊工具的繪圖對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。

圖5.由頻率折疊工具說(shuō)明的ADC輸出頻譜。

圖5所示的頻率折疊工具圖給出了ADC內(nèi)核輸出端的信號(hào)在通過(guò)AD9680中的DDC之前的狀態(tài)。信號(hào)在AD9680中通過(guò)的第一個(gè)處理模塊是NCO，它將頻譜在頻域中向左移動(dòng)98 MHz（回想一下我們的調(diào)諧頻率為98 MHz）。這會(huì)將模擬輸入從 98.64 MHz 下移至 0.64 MHz，二次諧波將下移至 73.36 MHz，第三次諧波將下移至 –25.28 MHz（回想一下，我們正在查看復(fù)雜的輸出）。這顯示在下面圖6中可視模擬的FFT圖中。

圖6.NCO = 98 MHz 的 DDC 后的 FFT 復(fù)數(shù)輸出并抽取 2。

從圖 6 中的 FFT 圖中，我們可以清楚地看到 NCO 如何移動(dòng)我們?cè)陬l率折疊工具中觀察到的頻率。有趣的是，我們?cè)贔FT中看到了一種無(wú)法解釋的基調(diào)。然而，這種語(yǔ)氣真的無(wú)法解釋嗎？NCO 不是主觀的，會(huì)改變所有頻率。在這種情況下，它將基波輸入音98 MHz的別名下移至0.64 MHz，并將二次諧波移至73.36 MHz，將第三次諧波移至–25.28 MHz。此外，另一個(gè)音調(diào)也發(fā)生了變化，出現(xiàn)在86.32 MHz。這語(yǔ)氣到底是從哪里來(lái)的？DDC或ADC的信號(hào)處理是否以某種方式產(chǎn)生了這種音調(diào)？好吧，答案是否定的...是的。

讓我們更仔細(xì)地看一下這個(gè)場(chǎng)景。頻率折疊工具不包括ADC的直流失調(diào)。此直流偏移導(dǎo)致直流（或 0 Hz）時(shí)出現(xiàn)音調(diào)。頻率折疊工具假設(shè)理想ADC沒有直流偏移。在AD9680的實(shí)際輸出中，0 Hz時(shí)的直流失調(diào)音調(diào)的頻率下移至–98 MHz。 由于復(fù)雜的混頻和抽取，該直流失調(diào)音折回實(shí)際頻域中的第一個(gè)奈奎斯特區(qū)。當(dāng)觀察一個(gè)復(fù)雜的輸入信號(hào)時(shí)，一個(gè)音調(diào)在負(fù)頻域中移入第二個(gè)奈奎斯特區(qū)，它將繞回實(shí)頻域中的第一個(gè)奈奎斯特區(qū)。由于我們啟用了抽取率等于 2 的抽取，因此我們的抽取奈奎斯特區(qū)寬度為 92.16 MHz（回想一下：fs= 368.64 MHz，抽取采樣率為 184.32 MHz，奈奎斯特區(qū)為 92.16 MHz）。直流偏移音偏移至–98 MHz，與92.16 MHz的抽取奈奎斯特區(qū)邊界的增量為5.84 MHz。當(dāng)這個(gè)音調(diào)折回第一個(gè)奈奎斯特區(qū)時(shí)，它最終在實(shí)際頻域中與奈奎斯特區(qū)邊界的偏移量相同，即92.16 MHz – 5.84 MHz = 86.32 MHz。這正是我們?cè)谏厦娴腇FT圖中看到的基調(diào)！因此，從技術(shù)上講，ADC產(chǎn)生信號(hào)（因?yàn)樗侵绷髌疲?，而DDC只是稍微移動(dòng)它。這就是良好的頻率規(guī)劃的用武之地。適當(dāng)?shù)念l率規(guī)劃可以幫助避免這種情況。

現(xiàn)在我們已經(jīng)看了一個(gè)使用抽取率等于 2 的 NCO 和 HB1 濾波器的示例，讓我們向該示例添加更多內(nèi)容。現(xiàn)在，我們將提高DDC中的抽取率，以查看當(dāng)采用更高的抽取率以及NCO的頻率調(diào)諧時(shí)，頻率折疊和轉(zhuǎn)換的效果。

在本例中，我們將介紹AD9680-500，其工作輸入時(shí)鐘為491.52 MHz，模擬輸入頻率為150.1 MHz。AD9680將設(shè)置為使用數(shù)字下變頻器（DDC），具有實(shí)輸入、復(fù)數(shù)輸出、155 MHz的NCO調(diào)諧頻率、半帶濾波器1（HB1）和半帶濾波器2（HB2）（總抽取率等于4）和6 dB增益。由于輸出很復(fù)雜，因此禁用了復(fù)數(shù)到實(shí)際的轉(zhuǎn)換塊?；叵胍幌聢D 3 中 DDC 的基本示意圖，該示意圖給出了通過(guò) DDC 的信號(hào)流。信號(hào)再次首先通過(guò)NCO，NCO在頻率上移動(dòng)輸入音調(diào)，然后通過(guò)抽取，通過(guò)增益模塊，在我們的例子中，繞過(guò)復(fù)數(shù)到實(shí)際轉(zhuǎn)換。

我們將再次使用頻率折疊工具來(lái)幫助了解ADC的混疊效應(yīng)，以評(píng)估模擬輸入頻率及其諧波在頻域中的位置。在本例中，我們有一個(gè)真實(shí)信號(hào)，采樣率為491.52 MSPS，抽取率設(shè)置為4，輸出很復(fù)雜。在ADC的輸出端，信號(hào)如圖7所示，使用頻率折疊工具顯示。

圖7.由頻率折疊工具說(shuō)明的ADC輸出頻譜。

輸入采樣時(shí)鐘為491.52 MHz，模擬輸入頻率為150.1 MHz，輸入信號(hào)將駐留在第一奈奎斯特區(qū)。輸入頻率的二次諧波在300.2 MHz處混疊到191.32 MHz的第一個(gè)奈奎斯特區(qū)，而450.3 MHz處的第三個(gè)諧波混疊到41.22 MHz處的第一個(gè)奈奎斯特區(qū)。這是ADC輸出端的信號(hào)在通過(guò)DDC之前的狀態(tài)。

現(xiàn)在讓我們看看信號(hào)如何通過(guò)DDC內(nèi)部的數(shù)字處理模塊。我們將觀察信號(hào)經(jīng)過(guò)每個(gè)階段的過(guò)程，并觀察NCO如何移動(dòng)信號(hào)以及抽取過(guò)程隨后折疊信號(hào)。我們將根據(jù)輸入采樣率、491.52 MSPS 和 f 來(lái)維護(hù)該圖。s條款將與此采樣率有關(guān)。讓我們觀察一下圖 8 中所示的一般過(guò)程。NCO 會(huì)將輸入信號(hào)向左移動(dòng)。一旦復(fù)數(shù)（負(fù)頻）域中的信號(hào)移位超過(guò)–fs/2，它將折回第一個(gè)奈奎斯特區(qū)。接下來(lái)，信號(hào)通過(guò)第一個(gè)抽取濾波器HB2，該濾波器抽取2倍。在圖中，我顯示了抽取過(guò)程，但沒有顯示濾波器響應(yīng)，即使操作一起發(fā)生。這是為了簡(jiǎn)單起見。在第一次抽取兩倍后，頻譜從fs/4 至 fs/2轉(zhuǎn)換為 –f 之間的頻率s/4和直流。同樣，從 –f 開始的光譜s/2 至 –fs/4轉(zhuǎn)換為直流和f之間的頻率s/4.信號(hào)現(xiàn)在通過(guò)第二個(gè)抽取濾波器HB1，該濾波器也抽取2（現(xiàn)在的總抽取等于4）。fs/8 和 fs/4 之間的頻譜現(xiàn)在將轉(zhuǎn)換為 –f 之間的頻率s/8和直流。類似地，–f 之間的光譜s/4 和 –fs/8將轉(zhuǎn)換為直流和f之間的頻率s/8.盡管圖中顯示了抽取，但未顯示抽取濾波操作。

圖8.抽取濾波器對(duì)ADC輸出頻譜的影響——通用示例。

回想一下前面討論的示例，輸入采樣速率為491.52 MSPS，輸入頻率為150.1 MHz。NCO 頻率為 155 MHz，抽取率等于 4（由于 NCO 分辨率，實(shí)際 NCO 頻率為 154.94 MHz）。這導(dǎo)致輸出采樣速率為122.88 MSPS。由于AD9680配置為復(fù)雜混頻，因此需要在分析中考慮復(fù)頻域。圖9顯示頻率轉(zhuǎn)換非常繁忙，但通過(guò)仔細(xì)研究，我們可以處理信號(hào)流。

圖9.抽取濾波器對(duì)ADC輸出頻譜的影響——實(shí)際示例。

NCO 轉(zhuǎn)移后的頻譜：

基頻從+150.1 MHz向下移動(dòng)到–4.94 MHz。

基本波的圖像從–150.1 MHz偏移到186.48 MHz。

二次諧波從191.32 MHz向下移動(dòng)到36.38 MHz。

第三次諧波從+41.22 MHz向下移動(dòng)到–113.72 MHz。

抽取 2 后的頻譜：

基頻保持在–4.94 MHz。

基波鏡像向下轉(zhuǎn)換為–59.28 MHz，并由HB1抽取濾波器衰減。

二次諧波保持在36.38 MHz。

第三次諧波被HB2抽取濾波器顯著衰減。

抽取 4 后的頻譜：

基波保持在–4.94 MHz。

基本波的圖像保持在–59.28 MHz。

二次諧波保持在–36.38 MHz。

第三次諧波被HB1抽取濾波器濾除并幾乎消除。

現(xiàn)在讓我們看一下AD9680-500的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。我們可以看到基波位于–4.94 MHz。基波圖像位于–59.28 MHz，振幅為–67.112 dBFS，這意味著圖像已衰減約66 dB。二次諧波位于36.38 MHz。 請(qǐng)注意，VisualAnalog 無(wú)法正確找到諧波頻率，因?yàn)樗鼰o(wú)法解釋 NCO 頻率和抽取率。

圖 10.DDC 后信號(hào)的 FFT 復(fù)數(shù)輸出圖，NCO = 155 MHz 并抽取 4。

從FFT中，我們可以看到AD9680-500的輸出頻譜，DDC設(shè)置為實(shí)際輸入和復(fù)數(shù)輸出，NCO頻率為155 MHz（實(shí)際154.94 MHz），抽取率等于4。我鼓勵(lì)您瀏覽信號(hào)流圖，以了解頻譜是如何偏移和轉(zhuǎn)換的。我還鼓勵(lì)您仔細(xì)瀏覽本文中提供的示例，以了解DDC對(duì)ADC輸出頻譜的影響。我建議打印出圖8，方便在分析AD9680、AD9690、AD9691和AD9684的輸出頻譜時(shí)參考。在支持這些產(chǎn)品時(shí)，我遇到了許多與ADC輸出頻譜中頻率相關(guān)的問(wèn)題，這些問(wèn)題被認(rèn)為是無(wú)法解釋的。然而，一旦分析完成并通過(guò)NCO和抽取濾波器分析信號(hào)流，很明顯，最初被認(rèn)為是頻譜中無(wú)法解釋的雜散實(shí)際上只是駐留在它們應(yīng)該在的位置的信號(hào)。我希望在閱讀和研究本文后，您下次使用集成了DDC的ADC時(shí)能夠更好地處理問(wèn)題。 請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注第二部分，我們將繼續(xù)研究DDC操作的其他方面以及如何模擬其行為。我們將研究ADC混疊引起的抽取濾波器響應(yīng)，提供更多示例，并使用虛擬評(píng)估來(lái)觀察AD9680中DDC的工作及其對(duì)ADC輸出頻譜的影響。

審核編輯：郭婷