高性能通讯系统中的数字到模拟转换器（DAC）_电子技术_中国百科网
高性能通讯系统中的数字到模拟转换器（DAC）
    
　　摘要：来自Maxim 的两种新型数/模转换器(DAC)能够为通讯和仪表系统提供更高的动态特性，MAX5886/MAX5887/MAX5888 12 位至16 位转换器在保持高采样速率和低功耗的同时，具有出色的动态特性；14 位转换器MAX5195 是工作在260Msps 采样速率产品中动态范围最宽的一款。两种芯片均可提供小尺寸、表贴封装，这些DAC 还支持多载波UMTS、CDMA 和GSM。
　　现代通讯系统进行数字信息交换所必须的更高的信息带宽是通过多种调制和编码方法实现的，在发送器信号处理链路中这些方法要求更宽的动态特性。象UMTS、cdma2000?
　　和GSM/EDGE 这样的应用也要求较高的动态性能，它们已接近于从一个单一的信号发生源合成多个载波的要求。UMTS 每个发送器要求最多四个载波。GSM/EDGE 和cdma2000 单个发送器可能需要四至八个载波。多载波的合成要求信号通道具有足够宽的动态范围。作为这种复杂调制波形的源头，DAC 已成为信号通路上的性能瓶颈。
　　UMTS 基站目前正在引进多载波信号合成。因此，这些基站要求DAC 满足UMTS 标准，并留有足够的盈余。该应用中DAC 的用武之地还包括，通过在信号中引进数字预失真，对
　　功放的非线性进行修正。仅这一个方面就会使DAC 的带宽要求增加三到五倍。这样，四个UMTS 载波(高达100MHz)的信号带宽就要求更高的采样速率和更高的模拟输出频率。
　　500Msps 刷新速率的MAX5888 正是为这种应用而设计。该器件的性能定义超出了多达四个UMTS 载波的UMTS 规范要求。
　　这种DAC 的精度和信号带宽也可胜任采用高阶QAM 的通讯系统。高达QAM256 的调制需要更宽的动态范围来精确产生调制波形。
　　GSM/EDGE 系统的发送波形甚至要求DAC 提供更高的动态性能。多载波信号的合成将SFDR、IMD 和SNR 的要求推到了极限。对于这些要求苛刻的应用，MAX5195 可提供业界最高的SFDR、SNR 和IMD。在DDS 应用中仪表信号的产生也要求DAC 具有优越的动态性能，MAX588X 系列(MAX5886/MAX5887/MAX5888)和MAX5195 非常适合于这种应用。
　　MAX588X系列和MAX5195的上风
　　MAX588X 系列的DAC 能够在很低的功耗水平下提供优异的动态性能，具有业界领先的500Msps 最高采样速率。在50MHz 输出频率和400Msps 刷新速率时，MAX5888 的SFDR 超过了67dBc。另外在输出频率80MHz 时还具有出色的SNR (-155dB/Hz)和双音IMD(-72dBc)。这些特性是在500Msps 的采样率，单一3.3V 电源和很低的功耗(235mW)下得到的。
　　数字数据通过LVDS 接口馈进，这有两方面的好处：LVDS 逻辑可非常有效地支持500Msps数据速率，另外差分输进的数字信号也有助于降低数字接口上的系统噪声。这在设计宽
　　动态范围系统时尤其重要。
　　MAX588X 系列的动态性能只逊于新推出的MAX5195，见图1 所示，后者的性能超越了任何其它市售器件。除了优异的SFDR 性能，它的SNR 也以-160dB/Hz 的水平领先于业界，它的双音IMD (32MHz 输出频率时87dBc)也很出色。这款14 位DAC 的数字接口是LVPECL，和LVDS 相似，也降低了高速数字数据传输所带来的系统噪声。
　　图1. 该SFDR 曲线在一定输出频率范围内对比了MAX5195 和目前最好的竞争器件。
　　所有这些DAC 都采用小型的QFN 封装：MAX588X 系列为68 引脚而MAX5195 为48 引脚。无引线的QFN 封装兼有小的外形尺寸(7mm x 7mm)和良好的热、电性能。裸焊盘提供超低接地阻抗，进一步降低了输出信号中的杂散信号。
　　其他应用
　　这些DAC 还可以如何使用呢？我们再来考察一下使用了数字预失真技术的多载波UMTS应用。这种应用要求很高的动态性能和100MHz 的信号带宽。有关杂散辐射的UMTS 摸板要求杂散成分在1MHz 的丈量带宽内不大于-58dBc。图2 给出了在300Msps 采样速率和60MHz 单音输出时的输出频谱。象MAX5888 这样的器件在感爱好的100MHz 带宽内具有充
　　足的余量(超出模板要求8dB 以上)，为发送信号链路的各个环节留出了足够的余量。扩频信号可进一步减少杂散输出，为设计指标提供更多余量。
　　图2. MAX5888 的典型SFDR，图示为60MHz 输出频率，100MHz 带宽。
　　这种应用的另一个重要指标是邻道功率比(ACPR)。图3 显示了一个单载波UMTS 的谱响应，载波对准于60MHz。可以看到它与ACPR 模板对于第一和第二相邻信道的要求(-45dBc和-50dBc)完全符合，且有超过25dB 的宽松余量。
　　图3. MAX5888 的UMTS ACPR 频谱响应，图示为61MHz 输出频率下单个满载载波的情况。
　　图4 显示了MAX5888 在四载波UMTS 应用(这可能是所有应用中对ACPR 要求最高的)中的ACPR 特性。MAX5888 (对于此类应用它是目前性能最高的方案)不仅符合-45dBc 和-50dBc的模板要求，而且还留出了超过20dB 的余量。
　　图4. MAX5888 的UMTS ACPR 频谱响应，图示为测试条件下，四个中心位于61MHz 的满载载波的情况。
　　CDMA 载波合成具有类似的性能指标要求。此架构的主要规格是杂散辐射模板，其中包括ACPR 模板要求。此标准的模板是变化的，取决于工作波段和发送器的输出功率。图5表示一个八音系统，各音之间相隔1MHz，IF 频率对准于30MHz。对于不同波段最苛刻的模板组合，在假定的40W 发送功率下，杂散辐射模板电平为-59dBc。在这种最坏的正弦仿真测试条件下，MAX5888 仍能以19dB 的余量符合CDMA 模板要求。
　　图5. 这个八载波测试向量频谱图展示了MAX5888 优异的多音IMD 性能，非常适合于CDMA应用。选定的输出频率中心位于30MHz。
　　在目前比较流行的无线通讯系统中，GSM/EDGE 要求的动态范围最大。过往，多载波发送器由于受DAC 性能的局限无法实现，但是MAX5195 突破了这个限制，正如它工作于四个
　　间隔1MHz 的正弦音时的IMD 性能所示(图6)。每个单音具有-18dBFS 的载波电平，以避免DAC 输出信号被削波。该频谱图覆盖了一个25MHz 的窗口，中心位于48MHz。
　　图6. 这个四载波测试向量频谱图展示了MAX5195 优异的多音IMD 性能，非常适合于GSM应用。输出频率中心位于48MHz。
　　IMD 模板的-70dBc 边界很轻易被MAX5888 满足，并留有8dB 的余量。在输出电平方面只需做出很小的让步(相对于满量程-15dB)，性能便可进步6dB。MAX5888 的SNR 高达-160dB/Hz，同样领先于业界，这使该器件成为目前满足高标准、多载波GSM/EDGE 应用要求的最高性能器件。
　　结束语
　　两种来自Maxim 的DAC 为通讯系统设计者在多载波信号合成领域提供了新的选择。MAX5886/MAX5887/MAX5888 系列兼有出色的动态性能和低功率消耗，并具有低噪声系统
　　级工作方式。MAX5195 以高至260Msps 的采样速率提供目前最高的动态范围，使多载波GSM 合成成为现实。&&来源:马雅历
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多载波射频信号源技术
[导读]摘要 设计了九通道的射频合成信号，构成了多频段的射频信号源。利用频率合成器和中频调制芯片，能够将基带或中频的信号直接调制到射频。最后将九路射频信号耦合成一路，构成多频段的射频信号源。
关键词 频率合成；
摘要 设计了九通道的射频合成信号，构成了多频段的射频信号源。利用频率合成器和中频调制芯片，能够将基带或中频的信号直接调制到射频。最后将九路射频信号耦合成一路，构成多频段的射频信号源。
关键词 频率合成；中频调制；信号耦合
&&& 频率源的设计和实现是无线通信系统设计中较为关键的一个环节，它的性能直接影响和决定通信系统的性能，在射频发射和接收系统中处于核心位置。文中频率源使用Si4133芯片设计，该芯片外围电路少，各项参数能够满足设计要求。同时使用TRF3701芯片合成基带和本振信号，使发射信号的功率得到较大提高。多路信号通过功率耦合芯片实现了耦合，最终合成、实现了多载波的射频信号。
1 数字锁相环
&&& (1)Si4133工作原理。
&&& Si4133芯片的功能是实现频率的合成，它的内部结构框图如图1所示。该芯片有三路锁相环路，每路锁相环路包括环路滤波器、相位检测器、可编程分频器和VCO。
&&& 自该芯片的XIN管脚输入一个频率fin，经过一个放大器和R分频器以后，频率变为fin／R；同一时刻，fout作为该路VCO的输出端频率，通过N分频器，频率变为fout／N；在相位检测器中两个频率通过相位的比较，形成一个误差控制信号，进一步通过环路滤波器获得一个直流分量，从VCO端输入，通过调整实现fout／N&fin／R，并且相位同步，最终完成两路信号的锁定。由fout=fin&N／R可知，影响输出信号频率的因素是R和N。VCO的谐振频率由外部所接电感决定，误差控制。
&&& 三路锁相环路中有两路用作射频输出，利用时分复用技术，使两路输出在时间上彻底分开。通过对分频器编程可以使两路射频输出信号工作在两个特定的频段947MHz～1．72GHz和780MHz～1.429 GHz。三路锁相环路的第三路用作中频信号的频率合成，中频信号VCO的谐振频率在526～952MHz范围内可调。
&&& (2)频率设置与测试结果。
&&& 锁相环路在VCO谐振频率范围内调节RF和IF的输出频率，外部电感对VCO谐振频率的调节起着关键作用，它允许的误差范围是，自调节算法可以补偿这一误差。电感的量级是nH，所以封装电感不能忽略，VCO的总电感Ltot应该等于封装电感Lpkg和外部电感Lext相加，电容Cnom和总电感并联，是一个标称电容。谐振频率计算公式为
&&& 设计中需要的射频信号频率范围RF1：1．8～2．0 GHz，RF2：0．8～1 GHz。经过计算，Lext1几乎为0，Lext2：3～5．9 nH。
&&& 输出频率在1．8～2．0 GHz范围内，通常采用RF1-R分频值设置；输出频率在0．8～1．0 GHz范围内，通常采用RF2-R分频值设置。下面两个图是两个典型频率点的测试结果，其中，0．8 GHz是RF2输出，如图2所示，2．0 GHz是RF1输出，如图3所示。
2 模拟正交调制器
&&& (1)TRF3701工作原理。
&&& TRF3701芯片内部有个模拟组合器，可以实现输出RF信号的实数和虚数分量相加。内部调制器由双平衡混频器实现，内部本振使用单端LO输入，减少外部巴伦的消耗。该芯片利用双平衡混频器结构实现直接I、Q调制，I、Q信号可以是单端输入，也可以是差分输入。4个输入端(IVIN，IREF，QVIN，QREF)需要外加一个直流信号，典型值3．7 V。输入信号经过一对差分放大器和一个电压／电流转换器进入双平衡混频器，交流耦合的本振输人信号通过一个相位转换提供同相和正交分量。混频器的输出信号相加转化为单端信号，经过放大在射频端输出。
&&& (2)测试结果。
&&& 在本振频率fo=920 MHz下，两种不同的基带信号加在TRF3701芯片上的测试结果。GSM信号，如图4所示；CDMA信号，如图5所示。
3 功率合成器
&&& 功率源对输出功率的要求较高，在毫米波段，必须使用功率合成技术获得比单路功率放大更高的功率。
&&& 功率合成器在理想情况下，输出功率应该是作为输入的多路功率放大器的功率相加。但是功率合成器都有损耗，多路信号的幅度、相位可能不同，导致它的输出功率达不到理想值。为达到较为理想的效果，功率合成器的多路输入信号幅度和相位一致性必须很好，而且要求损耗小、有足够大的隔离度，使得多路输入信号互不影响。
4 原理图与PCB版图
&&& 整个多载波射频信号源的设计原理图、PCB板图以及实物图分别如图6～图8所示。
&&& 文中通过下载接口对9个通道的射频信号设置不同的本振频率，实现不同载渡的调制，最后通过功率合成到一路信号，实现多载波射频信号。
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