引言

　　在當(dāng)今這個(gè)數(shù)字內(nèi)容、互聯(lián)網(wǎng)用戶和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大爆炸的世界，人們對(duì)擴(kuò)展通信網(wǎng)絡(luò)能力的需求越來越高。為了滿足這種需要，Teledyne e2v一直探索數(shù)字微波采樣的前沿技術(shù)，最近已在實(shí)驗(yàn)套件上成功驗(yàn)證。它可支持K波段的直接數(shù)字下變頻。這是今年的早些時(shí)候在ESA MTT workshop提出的使用EV12DS480寬帶DAC實(shí)現(xiàn)直接K波段綜合的工作的后續(xù)進(jìn)展，在技術(shù)論文1和最近的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)2上有進(jìn)一步的描述。

　　項(xiàng)目目的

　　這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)24GHz的模擬前端，支持微波K 波段（即頻率范圍18到27GHz）信號(hào)能量的直接數(shù)字化。目標(biāo)的無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）優(yōu)于50 dBc。

　　微波前端板（FEB）的開發(fā)和兩個(gè)現(xiàn)有的GHz的高速器 件相關(guān)，這兩個(gè)器件由Teledyne Scientific和Teledyne e2v分別開發(fā)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)運(yùn)行在高性能FEB上，整合了12位寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器EV12AQ600和超高頻雙路追蹤保持放大器（THA）RTH120。

　　前者的采樣率高達(dá)6.4 Gsps，全功率輸入信號(hào)帶寬高達(dá)6.5 GHz。而追蹤保持器的帶寬高達(dá)24 GHz，并且擁有優(yōu)異的線性度性能。因此，通過應(yīng)用奈奎斯特定理并選擇合適的采樣頻率，這套設(shè)備可直接從K波段下變頻到 基帶，從而使ADC直接采集有用的信號(hào)，無需額外的下變頻電路。這一方案的指導(dǎo)原則是用途廣泛的軟件定義微波接收器，它提高了射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的敏捷度，同時(shí)簡(jiǎn)化了射頻信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并潛在地降低了功耗。另外，我們也希望通過這個(gè)項(xiàng)目，在未來確實(shí)降低實(shí)際應(yīng)用的功耗。

　　器件的核心參數(shù)

　　EV12AQ600 ADC

　　? 四核ADC，支持

　　1、2或4通道工作

　　? 交織模式的采樣率高達(dá)6.4 Gsps

　　? 6.5 GHz 輸入帶寬（-3dB）

　　? 集成的寬帶交叉點(diǎn)開關(guān)

　　? 支持多通道同步的同步鏈特性

　　RTH120 THA

　　? 24 GHz 輸入帶寬

　　? 雙THA使得輸出可保持超過半個(gè)時(shí)鐘周期

　　? 全差分設(shè)計(jì)

　　這篇文檔描述了研究的狀態(tài)和最新的發(fā)現(xiàn)，并提出了需改進(jìn)的部分。

　　我們將進(jìn)行的一系列測(cè)試的目的是找出當(dāng)今K波段（18到27GHz）直接下變頻技術(shù)的不足。從下列初始的無雜散動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試中可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)問題：

　　? 輸入信號(hào)功率對(duì)THA性能的影響

　　? 當(dāng)工作在高奈奎斯特域時(shí)，低頻校準(zhǔn)對(duì)ADC交織性能的影響

　　? 在高奈奎斯特域采樣時(shí)，ADC內(nèi)部積分非線性（INL）錯(cuò)誤的影響

　　最后，Teledyne e2v希望這個(gè)項(xiàng)目得出的結(jié)論對(duì)下一代K波段產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有一些指導(dǎo)意義。

　　項(xiàng)目開始

　　前端板（FEB）的基本框圖如圖1所示。FEB被設(shè)計(jì)成包含寬帶ADC和用作輸入級(jí)的THA。仔細(xì)觀察圖2的FEB，會(huì)發(fā)現(xiàn)它包含了一些額外的支持器件，包括一個(gè)功分器、一個(gè)移相器和一些巴倫。板子還提供了兩路獨(dú)立的輸入：一路繞過RTH120，優(yōu)化第一和第二奈奎斯特域采樣高達(dá)6GHz的性能（圖中未畫出）；另一路用于6 到24GHz的寬帶操作。在項(xiàng)目開始時(shí)，RTH120還是一 款正在經(jīng)歷優(yōu)化的試生產(chǎn)產(chǎn)品。

　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)初始的ADC默認(rèn)配置如下：

　　? 輸入帶寬 （6.5 GHz）

　　? 一通道模式，所有四個(gè)核心交織成最大采樣率（例如6.4Gsps）

　　? 采樣頻率設(shè)置成5Gsps

　　? 交織校準(zhǔn)按照數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)的設(shè)置配置，在下文中都稱之為CalSet0

　　第一次動(dòng)態(tài)測(cè)試的結(jié)果

　　FEB的初始測(cè)試表現(xiàn)出波動(dòng)的無雜散動(dòng)態(tài)范圍

　　（SFDR）響應(yīng)（圖3）。在不同的ADC信號(hào)滿刻度范圍

　?。⊿FSR）進(jìn)行兩次獨(dú)立的掃頻。掃頻覆蓋的信號(hào)頻率超過30GHz。圖3放大了17GHz到25GHz的范圍。

　　檢查初始結(jié)果

　　SFDR的特性有很大的分析價(jià)值，并為未來的動(dòng)態(tài)性能提升提供了參考。從這些結(jié)果（圖3）可以看出：

　　? 低輸入信號(hào)功率的SFDR平坦度更好（圖3比較了-7dBFS和-13dBFS的結(jié)果）

　　? 初始的實(shí)驗(yàn)配置難以實(shí)現(xiàn)我們預(yù)期的50dBc SFDR的目標(biāo)

　　提高性能的第一步是找出限制SFDR的信號(hào)雜散。下圖（圖4）標(biāo)出了輸入電平-7dBFS和-13dBFS時(shí)主要的雜散，用dBFS表示。

　　從上圖可以看出，對(duì)于不同的頻率范圍和輸入幅度，變化的雜散頻率分量可以看作SFDR波動(dòng)的原因，請(qǐng)參考圖中最大雜散的曲線。圖中也標(biāo)注了二次諧波（H2）和三次諧波（H3）以及采樣時(shí)鐘（Fc/4）的影響。仔細(xì)觀察，您還會(huì)發(fā)現(xiàn)：

　　? 從最大雜散（深色曲線）可以看出，H2是最主要的影響因素，特別是對(duì)于-7dBFS。

　　? 如果H2可以被改進(jìn)，下一個(gè)影響最大的因素顯然是Fc/4 性能，它對(duì)小信號(hào)曲線（-13dBFS）的影響很大。但 是，對(duì)于上面兩種信號(hào)功率，F(xiàn)c/4限制SFDR大約在58dBFS（在18GHz到22GHz之間）。如果不改進(jìn)這個(gè)問題，很難進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)性能。Fc/4的問題表明多個(gè)ADC核心交織可能產(chǎn)生的一些問題。雜散信號(hào)的根源是偏置不匹配。

　　? 通過優(yōu)化，-13dBFS的SFDR有可能達(dá)到50到60dBc之間。

　　根據(jù)產(chǎn)品資料，唯一提升THA性能（通過降低H2）的方法是降低輸入信號(hào)電平。這對(duì)SFDR受H2限制的場(chǎng)合很有用，例如-7dBFS的SFSR時(shí)19.5GHz以下或21.5GHz以上的范圍。

　　優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能

　　另一方面，ADC可提供默認(rèn)工作方式以外的多種自由的配置。初始的測(cè)試表明核心交織的精度問題，這并不奇怪。標(biāo)準(zhǔn)的交織校準(zhǔn)（ILG）是在工廠的產(chǎn)品測(cè)試時(shí)完成的。顯然，它按照基帶工作優(yōu)化，并不適用于這種大帶寬的應(yīng)用。

　　ADC交織的詳細(xì)測(cè)試表明，雜散的最大的來源是偏置不匹配。 我們測(cè)量了一系列頻率的偏置影響，通過仔細(xì)的調(diào)整，大幅地降低了Fc/4雜散（圖5）。對(duì)于K波段的應(yīng)用，21.5GHz的校準(zhǔn)得到了非常好的結(jié)果。

　　校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)后系統(tǒng)的K波段性能如圖5所示。上面的曲線是默認(rèn)設(shè)置（CalSet0）的結(jié)果，下面的曲線是改進(jìn)的高頻校準(zhǔn)的結(jié)果。通過后者的校準(zhǔn)，偏置、增益和相位不匹配都得到了補(bǔ)償。在整個(gè)K波段，系統(tǒng)的SFDR提高了將近15dB，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

　　交織校準(zhǔn)之后

　　對(duì)于某些頻點(diǎn)，H2較低而H3變成了主導(dǎo)因素，如圖4中21GHz附近的點(diǎn)。在這種情況下，我們需要通過INL的校準(zhǔn)進(jìn)一步降低ADC的雜散。

　　圖 6 - INL校準(zhǔn)對(duì)H3的影響

　　雖然進(jìn)一步提升性能的選項(xiàng)不多，但顯然ADC積分非線性（INL）的性能會(huì)影響H3。和交織（ILG）類似，產(chǎn)品測(cè)試時(shí)的INL校準(zhǔn)通常是針對(duì)基帶工作優(yōu)化的。Teledyne 的測(cè)試工程師認(rèn)為，如果針對(duì)高奈奎斯特域重新校準(zhǔn)INL，將進(jìn)一步改善動(dòng)態(tài)性能。

　　調(diào)整INL并不是用戶可以通過程序完成的工作，也不應(yīng)當(dāng)是。這種調(diào)整極具挑戰(zhàn)性。從原理上說，提升理想轉(zhuǎn)換器模型的INL有可行且有限的方法。工程師需要搭建測(cè)試設(shè)備以實(shí)現(xiàn)這些調(diào)整方法。

　　通過盡可能降低高頻INL，我們把17到25GHz范圍里的H3優(yōu)化了3到5dB（圖6）。

　　INL是什么？對(duì)ADC而言，INL量化了器件和理想直線轉(zhuǎn)換函數(shù)之間的最大偏差。按照電子器件的精度，轉(zhuǎn)換器全刻度范圍的INL期望達(dá)到優(yōu)于0.5LSB。事實(shí)上，這對(duì)于寬帶交織系統(tǒng)而言是不可能實(shí)現(xiàn)的。以EV12AQ600為例，全交織模式的INL在Fin=100MHz時(shí)是+/-4.5LSB。

　　圖 7 - 校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)后的K波段SFDR

測(cè)試結(jié)論

　　如前所述，這個(gè)項(xiàng)目的目的是評(píng)估是否可以達(dá)到K波段的理想的動(dòng)態(tài)采樣性能。更確切地說，我們能否在18到22GHz之間實(shí)現(xiàn)最少50dBc的性能？盡管我們?cè)跍y(cè)試的前期遇到一些硬件問題，初始的測(cè)試結(jié)果也不盡如人意， 但我們最終通過合理的方法大幅提升了性能。最終的曲線（圖7）展示了目標(biāo)輸入頻率范圍內(nèi)的SFDR性能?？梢钥闯觯?/p>

　　? 在19.2到21.5GHz之間SFDR的顯著提升（最多提升了15到18dBc）

　　? 在19到21.5GHz之間SFDR超過50dBcFEB上來自20.478GHz下變頻的單音信號(hào)的頻譜特性如下圖所示。

　　圖 8 - 實(shí)驗(yàn)板FEB的下變頻到基帶的20.478GHz的頻譜

　　這些結(jié)果表明：

　　? 對(duì)于-13dBFS的輸入信號(hào)功率，在20.478GHz處能達(dá)到大約54dBc的SFDR

　　? Fc/4和相關(guān)的雜散依然是影響采樣頻譜的主要因素（@-67dBFS），其他的雜散（Fc/4±Fin， H2和H3）降低到小于-69dBFS

　　? 我們已經(jīng)超過預(yù)計(jì)的目標(biāo)，即在19到21.75GHz之間實(shí)現(xiàn)最小50dBc的SFDR

　　未來的展望

　　上述的結(jié)果是從FEB樣機(jī)上得出的，而FEB樣機(jī)有一些已知的缺陷。顯然，時(shí)鐘分配的問題可能降低THA的動(dòng)態(tài)性能。我們正在研發(fā)一款改進(jìn)的FEB，預(yù)計(jì)提供更好的動(dòng)態(tài)性能，并降低H2雜散。另外，這塊板子會(huì)提供直接的輸入并繞過THA，以優(yōu)化基帶性能。預(yù)計(jì)在2020年，在完成新板子的進(jìn)一步的測(cè)試之后，我們會(huì)公布這個(gè)實(shí)驗(yàn)的后續(xù)進(jìn)展。

　　這個(gè)項(xiàng)目是Teledyne e2v邁向整合的K波段直接采樣方案的第一步。除了提供新的能力，這個(gè)項(xiàng)目也幫助我們提升了項(xiàng)目的工程經(jīng)驗(yàn)。這次的工作使我們深入了解了復(fù)雜交織模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器核心的高頻優(yōu)化問題，特別是高奈奎斯特域校準(zhǔn)的折中方案和INL、ILG的優(yōu)化。Teledyne e2v也提高了其未來高端寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能上限。

　　參考文獻(xiàn)：

　　? 1 Teledyne e2v， “Microwave DAC simplifies direct digital synthesis from DC to 26.5 GHz covering X-， Ku-， and K-bands”， 2016.

　　? 2 IEEE Webinar： “12-bit 8 GSps DAC enabling signal generation up to K-band”， by R. Pilard. 2019