Дискретизация аналогового сигнала без предварительного понижения частоты

До недавнего времени не существовало АЦП с широким диапазоном входных частот. Большинство моделей имело сильные искажения и шумы на частотах выше 200 МГц. Соответственно, предварительно частоту сигнала уменьшали (промежуточная частота, ПЧ). За счет введения дополнительного каскада схема становится более сложной и дорогой. Кроме того, для изменения ПЧ требуется повторное проектирование и модернизация схемы.
В схемах с предварительным понижением частоты входного сигнала параметры приемника задаются номиналами элементов. Все РЧ-компоненты (МШУ, смеситель), частота гетеродина, полоса ФНЧ подбираются в зависимости от частоты входного сигнала. Для изменения полосы пропускания, например добавления более современного стандарта передачи, необходимо модернизировать схему.
Принципиально иной подход применяется в программно-определяемых приемниках (software-defined radio, SDR). В них ключевые параметры задаются программно, в т.ч. полоса пропускания и параметры фильтров. Такие схемы строятся на основе ПЛИС. Для внесения изменений требуется минимум схемотехнических преобразований. Программные решения проще со схемотехнической точки зрения, имеют меньший размер и потребление, легко модернизируются и являются более гибкими решениями. Их разработка и модернизация сопряжены с малыми расходами.
Созданию SDR препятствует несовершенство компонентной базы, в особенности отсутствие подходящих аналогово-цифровых преобразователей. Сравнительно недавно появились АЦП с прямым преобразованием РЧ-сигнала, позволяющие реализовать SDR. Они имеют допустимый уровень искажений и шума для непосредственного (без предварительного понижения) преобразования РЧ-сигнала в приемниках сигнала 3G и 4G. Помимо систем связи SDR могут применяться в испытательном оборудовании, цифровых осциллографах, устройствах распознавания данных, навигационном и телекоммуникационном оборудовании (ретрансляционное СВЧ-оборудование, оптические приемопередатчики), в многоканальных ТВ-приставках и военной технике.
Интерес к прямой оцифровке аналогового сигнала вырос в связи с появлением 12-разрядных быстродействующих АЦП с прямым преобразованием РЧ-сигнала. Они отличаются широким диапазоном входных частот, превышающим 2 ГГц.

Существует несколько видов приемопередатчиков, схема одного из которых приведена на рисунке 1. Они работают по схожим принципам, предполагающим понижение частоты исходного РЧ-сигнала. До недавнего времени максимальная частота дискретизации была слишком низкой, чтобы обрабатывать РЧ-сигнал напрямую. Кроме того, АЦП имели недостаточную полосу пропускания и большие шумы.
В рассматриваемой схеме используются быстродействующие смесители, гетеродин с малым током утечки и фильтры с высокой добротностью. К сожалению, в аналоговых компонентах возникают нежелательные эффекты, например утечка, смещение постоянной составляющей, фликкер-шум, гармонические искажения, несоответствие между квадратурной и синфазной составляющими. Для качественного преобразования частоты необходимо соблюдать соответствие фазы и амплитуды сигнала.

Рис. 1. Схема гетеродинного приемника

В то же время разработка аппаратных решений сложнее, чем программных, поскольку необходимо учитывать такие эффекты как стоячие волны, гармонические искажения и отражения сигнала. Их сложно измерять, поэтому инженер должен обладать большим опытом, чтобы справиться с этой задачей.
Со схемотехнической точки зрения аналоговые схемы более громоздки и потребляют больше энергии, что порождает второй круг проблем, связанных с отводом тепла. Кроме того, для изменения диапазона частот входного сигнала придется перепроектировать схему. Такие параметры как количество каналов, полоса пропускания и т.д. заданы жестко.
Преимуществами преобразования РЧ-сигнала напрямую являются гибкость конфигурирования, малое потребление, низкая стоимость и малое время выхода на рынок.
Программно-определяемый приемник можно перепрограммировать на новый стандарт передачи удаленно без модернизации схемы. Для устройств военного назначения это особенно важно, поскольку существует необходимость адаптироваться под динамически изменяющиеся условия. На рисунке 2 показана архитектура SDR.

Рис. 2. Структура программно-определяемого приемника

Преимущества прямого преобразования сигнала.
1. Схема содержит меньшее количество компонентов. Нет необходимости проектировать смеситель, рассчитанный на конкретный диапазон частот.
2. Упрощается модернизация приемника при введении дополнительных частотных диапазонов работы. Для новой несущей требуется только дополнительный полосовой фильтр. Это важно для схем, параметры которых могут меняться (например, для навигационных устройств появляются новые системы позиционирования).
3. Возможность использовать один РЧ-тракт для нескольких входных диапазонов частот. Это позволит не только уменьшить схему, но и избежать потенциальных проблем, связанных с межканальными наводками.
Главным недостатком схем прямого преобразования является необходимость использования фильтров с высокой добротностью. Полоса пропускания фильтра должна быть не меньше, чем полоса информационного сигнала, чтобы свести к минимуму частоту дискретизации, не ухудшив отношения сигнал–шум. Например, для приемника GPS L1 C/A требуется фильтр с добротностью 1575,42 МГц/ 2 МГц ≈ 800. В данном частотном диапазоне сложно получить добротность выше 500. Соответственно, приходится поступиться одним из этих параметров.
АЦП с прямым преобразованием РЧ-сигнала
Несколько раз мы упоминали о том, что АЦП с подходящими для преобразования РЧ-сигнала характеристиками появились относительно недавно. Речь идет об АЦП Texas Instruments (ранее — National Semiconductor) семейства ADC12Dxx00RF. Данные АЦП поддерживают прямую дискретизацию радиочастотных сигналов с частотой более 2,7 ГГц с уровнем интермодуляционных искажений третьего порядка (IMD3) до –71 дБ и частотой преобразования до 3,6 млрд выборок в секунду (GSPS).
В семейство ADC12Dxx00RF входит пять 12-разрядных преобразователей. Одноканальные АЦП ADC12Dxx00RF способны полностью заменить всю подсистему сигнального тракта, значительно уменьшив общее количество компонентов, размер печатной платы и вес устройств для беспроводных базовых станций связи 3G/4G, военных и гражданских широкополосных систем программно-управляемой радиосвязи.
Совместимые по выводам АЦП ADC12Dxx00RF позволяют повысить производительность с 500 млн выборок (MSPS) в секунду до 3,6 GSPS:
– ADC12D1800RF обеспечивают производительность до 3,6 GSPS в одноканальной конфигурации в режиме чередования или до 1,8 GSPS в двухканальной конфигурации. Уровень интермодуляционных искажений третьего порядка составляет –64 дБ на частоте 2,7 ГГц.
– ADC12D1600RF обеспечивают производительность до 3,2 GSPS в одноканальной конфигурации в режиме чередования или до 1,6 GSPS в двухканальной конфигурации; IMD3 = –70 дБ на частоте 2,7 ГГц.
– ADC12D1000RF обеспечивают производительность до 2,0 GSPS в одноканальной конфигурации в режиме чередования или до 1,0 GSPS в двухканальной конфигурации; IMD3 = –69 дБ на частоте 2,7 ГГц.
– ADC12D800RF обеспечивают производительность до 1,6 GSPS в одноканальной конфигурации в режиме чередования или до 800 MSPS в двухканальной конфигурации; IMD3 = –71 дБ на частоте 2,7 ГГц.
ADC12D500RF обеспечивают производительность до 1,0 GSPS в одноканальной конфигурации в режиме чередования или до 500 MSPS в двухканальной конфигурации; IMD3 = –69 дБ на частоте 2,7 ГГц.
На рисунке 3 приведен пороговый шум ADC12Dxx00RF Тexas Instruments.

Рис. 3. Частотная характеристика порогового шумового напряжения ADC12Dxx00RF

Для создания завершенного сигнального тракта ADC12Dxx00RF используется с двухканальным усилителем с цифровой регулировкой коэффициента усиления (DVGA) или полностью дифференциальным усилителем, синтезатором частоты LMX2541 или одним из фильтров дрожания тактового сигнала LMK04800.

В большинстве приемопередатчиков используются 14- и 16-разрядные АЦП. Линейность и шумовые характеристики 12-разрядных АЦП приемлемы для GSM-диапазона с одной несущей, однако для EDGE, GSM с несколькими несущими, широкополосной 3G и 4G связи необходимы более совершенные преобразователи.
Интересно сравнить шумовые характеристики 12-разрядного АЦП ADC12D1800RF (12-разрядов, 1,8/3,6 млрд выборок в секунду) с полосой Найквиста 1,8 ГГц и 16-разряд­ного ADC16DV160 (16 разрядов, 160 млн выборок в секунду) с полосой Найк­вис­та 80 МГц.
Отношение сигнал–шум — важный и часто используемый параметр. Однако он относится к полной зоне Найквиста, т.е. шум интегрирован по всей полосе. Если интересующая полоса уже, как бывает в большинстве приемопередатчиков, данный параметр менее информативен. При частоте входного сигнала 248 МГц отношение сигнал–шум ADC16DV160 примерно на 20 дБ больше, чем у ADC12D1800RF. Однако это сравнение некорректно, поскольку при одинаковых условиях работы отношение сигнал–шум для АDC12D1800RF рассматривается в полосе 1800 МГц, а не 80 МГц, как для ADC16DV160. Правильнее было бы сравнивать шумовые характеристики по спектральной плотности шума (СПШ):

СПШ = Р_{АЦП_ПШ} – СШ·10lg(1/2S_д),      (1)

где Р_{АЦП_ПШ} — макс. мощность входного сигнала; СШ — отношение сигнал–шум, S_д — скорость дискретизации.
Это величина характеризует плотность мощности порогового шума АЦП и выражается в дБ/Гц (опорное напряжение равно напряжению полной шкалы). Из (1) получаем –154 дБ/Гц. Для ADC16V160 СПШ равна –157 дБ/Гц. Удивительно, что это различие составляет всего 3 дБ.

Другими важными характеристиками АЦП являются уровень интермодуляционных искажений, особенно IMD3. Интермодуляционные искажения третьего порядка характеризуют составляющие третьей гармоники вблизи несущей, которые возникают, когда на вход АЦП поступают два близких сигнала (f1, f2). Значение IMD3 преобразователя ADC12D1800RF выше 60 дБс при входной частоте не более 3 ГГц, что соответствует стандарту 3GPP для приемопередатчиков 3G/4G.
В приемнике импедансы компонентов РЧ-тракта должны быть согласованы, чтобы обеспечить приемлемый коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН). Если импедансы управляющей схемы смесителя или АЦП и нагрузки не согласованы в области высоких частот, управление невозможно. В идеальном случае КСВН составляет 1:1, т.е. вся переданная в нагрузку мощность поглощается нагрузкой и не отражается.
На практике это никогда не выполняется. Хорошим результатом считается соотношение 1,5:1. Чем выше КСВН, тем больше мощности требуется для поддержания необходимого напряжения в нагрузке. Вносимые усилителем искажения, как правило, усиливаются при увеличении амплитуды сигнала. Соответственно, при компенсации низкого КСВН высоким управляющим напряжением можно ухудшить параметры сигнальной цепи.
Входные цепи должны иметь высокий импеданс. Если АЦП не имеет встроенного буфера с высоким импедансом, то возникают очень большие искажения в области высоких частот. Даже при использовании буфера паразитная емкость корпуса АЦП может вносить ощутимый вклад во входной импеданс.
Рассмотрим рисунок 4, на котором изображена эквивалентная входная схема АЦП с широким входным диапазоном. Измеренная полоса пропускания полной мощности (FPBW) составляет примерно 2,3 ГГц. Это частота, на которой сигнал ослабляется на 3 дБ перед оцифровкой.

Рис. 4. Эквивалентная входная схема АЦП с широким входным диапазоном

В схемах без понижающего каскада требование к качеству осциллятора остается жестким. Если внутренний джиттер апертуры АЦП 150 фс, среднеквадратичный джиттер на входе синхронизации АЦП не должен превышать 50 фс, чтобы обеспечить отношение сигнал–шум 60 дБс при частоте входного сигнала 1200 МГц. Джиттер тактового сигнала является функцией частоты входного сигнала, а не тактового. Необходимо использовать качественный генератор и полосовой фильтр для фильтрации тактового сигнала.