具有可擴(kuò)展功率和性能的收發(fā)器：關(guān)鍵任務(wù)通信解決方案

本文討論ADRV9001，這是ADI公司最新一代軟件定義無(wú)線電（SDR）收發(fā)器單芯片集成電路（IC），旨在為許多衛(wèi)星、軍事、陸地移動(dòng)、公用事業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和蜂窩關(guān)鍵任務(wù)通信提供可擴(kuò)展的功率和性能。本文首先介紹了ADRV9001中三個(gè)用戶定義的省電選項(xiàng)，包括元件級(jí)、通道級(jí)和IC系統(tǒng)級(jí)。然后進(jìn)一步討論一種稱為監(jiān)控模式的獨(dú)特系統(tǒng)特性，該模式不僅可以為ADRV9001本身節(jié)省功耗，還可以使用戶降低基帶集成電路（BBIC）的工作功耗，從而實(shí)現(xiàn)最佳的整體系統(tǒng)節(jié)能目標(biāo)。本文還演示了每個(gè)節(jié)能選項(xiàng)的功耗節(jié)省，并詳細(xì)說(shuō)明了相關(guān)的性能權(quán)衡。通過(guò)徹底了解這些權(quán)衡，可以確定最佳的系統(tǒng)節(jié)能策略，以實(shí)現(xiàn)最佳功耗和令人滿意的系統(tǒng)性能。

介紹

ADRV9001是高度敏捷、用戶可配置的新一代SDR IC收發(fā)器系列的一部分。它通過(guò)一組先進(jìn)的系統(tǒng)功能（如多芯片同步 （MCS）、數(shù)字預(yù)失真 （DPD）、動(dòng)態(tài)配置文件切換 （DPS） 和快速跳頻 （FFH） ）提供最先進(jìn)的射頻性能。該 IC 支持頻分雙工 （FDD） 和時(shí)分雙工 （TDD） 操作，射頻頻率范圍從 30 MHz 到 6 GHz，涵蓋超高頻 （UHF）;甚高頻;工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM）;和蜂窩頻段。它可以處理窄帶（低至 12 kHz）和寬帶（高達(dá) 40 MHz）信號(hào)，采樣速率幾乎連續(xù)，從 24 kSPS 到 61.44 MSPS。

它具有所有這些功能，非常適合作為跨許多不同任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用程序使用的平臺(tái)。ADI公司的合作伙伴已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種通用模塊系統(tǒng)（SOM），如Alciom、Epiq Solutions、NextGen RF Design和Vanteon Wireless Solutions。SOM產(chǎn)品面向任務(wù)關(guān)鍵型通信，包括工業(yè)自動(dòng)化和高級(jí)計(jì)量應(yīng)用。它們具有相同的屬性，即通過(guò)該 IC 實(shí)現(xiàn)性能、功耗、尺寸和成本之間的完美平衡。圖1顯示了在組件、通道和系統(tǒng)級(jí)別提供的主要節(jié)能選項(xiàng)。注意：ADRV9001系列中的不同收發(fā)器變體可能具有不同的通道數(shù)和不同的系統(tǒng)特性，圖1對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

圖1.ADRV9001三個(gè)不同級(jí)別的節(jié)能選項(xiàng)的高級(jí)示意圖。

如圖1所示，以紫色突出顯示的組件級(jí)節(jié)能選項(xiàng)主要涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、RF PLL、基帶（BB）PLL、模擬發(fā)射低通濾波器（Tx LPF）和接收低通濾波器（Rx LPF）等組件。與大多數(shù)傳統(tǒng)收發(fā)器不同，ADRV9001為I和Q數(shù)據(jù)路徑提供一對(duì)高性能（HP）和低功耗（LP）ADC，供用戶選擇。對(duì)于每個(gè)組件，都提供了多個(gè)節(jié)能選項(xiàng)。一對(duì)發(fā)射和接收通道的通道級(jí)節(jié)能選項(xiàng)以紅色突出顯示。這是專門為TDD應(yīng)用設(shè)計(jì)的，其中發(fā)送和接收操作是相互時(shí)間復(fù)用的。因此，當(dāng)一個(gè)通道運(yùn)行時(shí)，另一個(gè)通道處于空閑狀態(tài)，可以斷電。通過(guò)要求不同的喚醒時(shí)間來(lái)恢復(fù)操作，提供不同級(jí)別的通道節(jié)能方案。系統(tǒng)級(jí)節(jié)能選項(xiàng)以綠色突出顯示;這些可用于為某些預(yù)期長(zhǎng)時(shí)間不活動(dòng)的應(yīng)用（例如數(shù)字移動(dòng)無(wú)線電 （DMR） 手機(jī)系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)更多的節(jié)能。1

除了所有這些省電選項(xiàng)外，該收發(fā)器還具有監(jiān)控模式，允許ADRV9001和BBIC在系統(tǒng)空閑時(shí)間段內(nèi)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在睡眠期間，ADRV9001可以定期喚醒一個(gè)接收通道以執(zhí)行信號(hào)檢測(cè)。因此，它可以減輕BBIC的信號(hào)檢測(cè)責(zé)任，并允許它在整個(gè)空閑時(shí)間段內(nèi)休眠，以實(shí)現(xiàn)最佳的整體系統(tǒng)節(jié)能目標(biāo)。

在以下部分中，將深入討論所有省電選項(xiàng)和監(jiān)視模式。通過(guò)徹底了解相關(guān)的性能權(quán)衡，設(shè)計(jì)工程師可以探索所有潛在的節(jié)能可能性，以控制功耗，同時(shí)保證令人滿意的系統(tǒng)性能。

組件級(jí)節(jié)能

在器件初始化階段，通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)套件 （SDK） 提供的應(yīng)用程序編程接口 （API） 配置單個(gè)硬件組件，可以輕松實(shí)現(xiàn)組件級(jí)節(jié)能。圖 2 顯示了提供多種節(jié)能選項(xiàng)的主要硬件組件，包括 ADC、RF PLL、BB PLL、接收 LPF 和傳輸 LPF。要正確配置這些組件，了解性能權(quán)衡至關(guān)重要。

圖2.ADRV9001 元件級(jí)節(jié)能選項(xiàng)。

ADRV9001提供在HP ADC和LP ADC之間進(jìn)行選擇的選項(xiàng)。HP ADC 基于連續(xù)時(shí)間 Σ-Δ （CTSD） 架構(gòu)，寬度為 5 位。LP ADC 基于壓控振蕩器 （VCO） 架構(gòu)，寬度為 16 位。HP和LP ADC的動(dòng)態(tài)范圍（滿量程至熱噪聲）性能相似，但線性度性能不同。2圖 3 比較了 HP ADC 和 LP ADC 的輸入三階交調(diào)截點(diǎn) （IIP3） 和輸入二階交調(diào)截點(diǎn) （IIP2） 性能。它使用兩個(gè)連續(xù)波 （CW） 音調(diào)（頻率間隔為 1 MHz）在室溫和最大接收器增益下使用寬帶配置文件進(jìn)行測(cè)量。注意：x 軸代表第一個(gè)音調(diào)（較低頻率）的基帶頻率，第二個(gè)音調(diào)頻率比第一個(gè)音高 1 MHz。

圖3.ADRV9001 HP ADC 和 LP ADC 之間的線性度性能比較。

如圖3所示，HP ADC和LP ADC均表現(xiàn)出高線性度性能。HP ADC 通過(guò)消耗更多功率，使用 IIP2 可實(shí)現(xiàn)約 12 dB 的性能，使用 IIP3 可實(shí)現(xiàn) 6 dB 的性能。對(duì)于HP ADC和LP ADC，用戶可以進(jìn)一步選擇高、中或低ADC采樣率。選擇較高的采樣率可提高噪聲性能;此外，它降低了抗混疊濾波器設(shè)計(jì)中對(duì)過(guò)渡帶清晰度的要求，但代價(jià)是以更快的速率處理數(shù)據(jù)消耗更多功率。

收發(fā)器包含兩個(gè)RF PLL，每個(gè)PLL驅(qū)動(dòng)自己的本振（LO）發(fā)生器。提供兩種LO發(fā)生器選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)最佳相位噪聲性能或最佳功耗性能。最佳功耗模式通過(guò)略微犧牲相位噪聲性能來(lái)消耗更少的功率。注意：最佳相位噪聲性能選項(xiàng)僅適用于LO頻率小于1 GHz的情況。對(duì)于每種模式，提供三種不同的功耗選項(xiàng)，具有不同的LO輸出擺幅電平。擺幅越大，相位噪聲性能越好，但功耗越高。

BB PLL生成所有與基帶和數(shù)據(jù)端口相關(guān)的時(shí)鐘。與ADC類似，還提供HP BB PLL和LP BB PLL選項(xiàng)。HP BB PLL 的可編程頻率范圍為 7.2 GHz 至 8.8 GHz，而 LP BB PLL 的可編程范圍為 3.3 GHz 至 5 GHz。HP BB PLL 在生成時(shí)鐘方面具有更大的靈活性，以支持更廣泛的采樣速率。當(dāng)信號(hào)采樣率大于 53.33 MHz 時(shí)，必須使用 HP CLK PLL 進(jìn)行。LP BB PLL在支持某些采樣率方面存在局限性，但功耗較低。

接收LPF通過(guò)支持5 MHz至50 MHz的可變帶寬來(lái)衰減帶外信號(hào)。它還將基帶信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為電壓。它可以在跨阻放大器（TIA）模式下配置為一階單極點(diǎn)濾波器，或在雙二階（BIQ）模式下配置為傳遞函數(shù)中具有兩個(gè)復(fù)極點(diǎn)的二階濾波器。雖然兩種模式的帶內(nèi)性能相似，但與一階TIA模式相比，二階BIQ模式實(shí)現(xiàn)了額外的帶外衰減。圖4比較了這兩個(gè)濾波器在不同f1dB配置下的仿真頻率響應(yīng)。選擇二階LPF比一階模式消耗更多的功率。除此之外，二階LPF的帶內(nèi)噪聲比一階LPF高約2.5 dB。對(duì)于一階和二階模式，用戶可以通過(guò)犧牲噪聲和線性度性能，進(jìn)一步選擇高、中或低三種不同的功耗水平。

圖4.不同LPF f1dB配置下的一階和二階Rx LPF頻率響應(yīng)。

發(fā)射LPF是一種二階巴特沃茲濾波器，用于衰減數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的采樣鏡像。它還將來(lái)自DAC的電流轉(zhuǎn)換為電壓，并通過(guò)對(duì)輸出進(jìn)行低通濾波來(lái)重建模擬頻譜。與接收LPF類似，它以線性度性能為代價(jià)，提供高、中或低三種功耗水平選項(xiàng)。

通常，可以通過(guò)將所有組件配置為最高功耗選項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳性能。對(duì)于FDD 1T1R LTE 20 MHz配置文件，通過(guò)在發(fā)射和接收通道均處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)配置最高功耗選項(xiàng)，ADRV9001的總功耗約為1800 mW。注意：即使使用相同的配置，測(cè)量結(jié)果也可能因硬件和溫度而異。表 1 顯示了通過(guò)配置不同的節(jié)能選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)的節(jié)能量。在此 1T1R LTE 20 MHz 配置文件中，接收通道 1 和發(fā)射通道 1 均已啟用，LO 配置為 900 MHz。 注意：表 1 每行中的數(shù)字顯示了僅啟用此單個(gè)節(jié)能選項(xiàng)的相對(duì)節(jié)能量（以 mW 為單位）。例如，使用具有中等時(shí)鐘速率的 HP ADC 可節(jié)省約 72 mW，而啟用所有最高功耗選項(xiàng)后的最高功耗約為 1800 mW。

根據(jù)表1，如果應(yīng)用對(duì)性能要求放寬，通過(guò)為每個(gè)組件選擇最低功耗選項(xiàng)，使用此配置文件可以實(shí)現(xiàn)約480 mW的總功耗節(jié)省。注意：組件級(jí)節(jié)能選項(xiàng)主要是靜態(tài)的，這意味著一旦在設(shè)備初始化階段配置，就無(wú)法動(dòng)態(tài)更改它們。一個(gè)例外是在 HP ADC 或 LP ADC 之間進(jìn)行選擇，這允許通過(guò) API 命令即時(shí)更改。

另一個(gè)值得一提的靜態(tài)節(jié)能選項(xiàng)與其電源域之一的配置有關(guān)。ADRV9001需要五個(gè)不同的電源域：1 V數(shù)字（VDD_1P0）、1.8 V數(shù)字（VDD_1P8）、1 V模擬（VDDA_1P0）、1.3 V模擬（VDDA_1P3）和1.8 V模擬（VDDA_1P8）。其中，用于為所有發(fā)射和接收通道LO電路供電的VDDA_1P0是可選的。該域可以使用內(nèi)部低壓差（LDO）穩(wěn)壓器供電，該穩(wěn)壓器產(chǎn)生所需的1 V電壓?；蛘撸梢酝ㄟ^(guò)旁路部分ADRV9001內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器從外部供電，通過(guò)關(guān)閉LDO穩(wěn)壓器并應(yīng)用更高效率的外部電源來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的節(jié)能。3注意：本文中執(zhí)行的所有測(cè)量都使用內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器為VDDA_1P0電源域上電。

通道級(jí)節(jié)能

與靜態(tài)組件級(jí)節(jié)能不同，通道級(jí)節(jié)能是動(dòng)態(tài)的。它專為 TDD 操作而設(shè)計(jì)。如圖5所示，在TDD中，發(fā)送和接收操作是相互時(shí)間復(fù)用的。當(dāng)一個(gè)通道處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)通道處于空閑狀態(tài);因此，可以將其關(guān)斷以降低功耗。與組件級(jí)節(jié)能不同，它不會(huì)因關(guān)閉空閑通道而造成任何性能損失，但喚醒以恢復(fù)正常運(yùn)行需要更多時(shí)間。

上電和關(guān)斷通道的一種方法是分別使用通道使能信號(hào)（TX_ENBALE/RX_ENABLE）上升沿和下降沿。如圖5所示，關(guān)斷通道在相應(yīng)的使能信號(hào)上升沿開(kāi)始喚醒，需要一些時(shí)間才能完全工作。如果更多通道組件斷電，則需要更長(zhǎng)的喚醒時(shí)間。用戶應(yīng)評(píng)估所需的喚醒時(shí)間是否能夠滿足TDD應(yīng)用中的發(fā)射和接收通道轉(zhuǎn)換時(shí)序要求。

圖5.常規(guī)TDD操作中的通道級(jí)節(jié)能。

提供三種不同的通道級(jí)節(jié)能模式：模式 0、模式 1 和模式 2。每個(gè)更高的模式都需要更長(zhǎng)的喚醒時(shí)間，從而關(guān)斷額外的通道相關(guān)組件。表2總結(jié)了這三種模式，以及不同RF PLL校準(zhǔn)模式和RF PLL參考時(shí)鐘速率下所需的近似喚醒時(shí)間。

如表2所示，更高的通道級(jí)省電模式會(huì)關(guān)斷額外的通道組件，但會(huì)延長(zhǎng)喚醒時(shí)間。默認(rèn)情況下，如果用戶未配置其他模式，則始終啟用通道省電模式 0。當(dāng)通道空閑時(shí)，它會(huì)關(guān)斷模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)路徑組件，如混頻器、轉(zhuǎn)換器、濾波器等。在模式0中，只能使用RX_ENABLE和TX_ENABLE信號(hào)來(lái)觸發(fā)上電和關(guān)斷。喚醒時(shí)間很短，約為 4.5 μs。通道省電模式 1 進(jìn)一步關(guān)斷通道的內(nèi)部 PLL。當(dāng)PLL上電時(shí)，必須重新校準(zhǔn)，因此PLL喚醒時(shí)間包括PLL上電時(shí)間和PLL校準(zhǔn)時(shí)間。ADRV9001提供兩種PLL校準(zhǔn)模式：正常模式和快速模式?？焖倌Ｊ讲荒芟衿胀Ｊ侥菢颖ＷC在整個(gè)溫度范圍內(nèi)鎖定，但當(dāng)通道短時(shí)間保持在特定頻率時(shí)，它更合適。如表2所示，快速模式比普通模式花費(fèi)更少的校準(zhǔn)時(shí)間;因此，PLL可以更快地喚醒。此外，較高的RF PLL參考時(shí)鐘速率也縮短了PLL校準(zhǔn)時(shí)間。通道級(jí)省電模式 2 進(jìn)一步關(guān)斷 PLL LDO 穩(wěn)壓器和通道 LDO 穩(wěn)壓器。它增加了一個(gè)固定的喚醒時(shí)間來(lái)接通LDO穩(wěn)壓器。注意：表2所示的喚醒時(shí)間測(cè)量是在ADRV9001標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)鐘速率184.32 MHz下進(jìn)行的。當(dāng)使用具有任意采樣速率的自定義配置文件時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘速率可能會(huì)發(fā)生變化，從而相應(yīng)地調(diào)整PLL上電時(shí)間（較低的系統(tǒng)時(shí)鐘速率將增加所需的PLL上電時(shí)間）。用戶可以從ADRV9001收發(fā)器評(píng)估軟件（TES）檢索系統(tǒng)時(shí)鐘信息。

模式 1 和 2 可由RX_ENABLE觸發(fā)，TX_ENABLE信號(hào)上升沿與模式 0 相同。在一對(duì)發(fā)射和接收通道共享相同的內(nèi)部PLL及其LDO穩(wěn)壓器的情況下，當(dāng)一個(gè)通道處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，模式1和2實(shí)現(xiàn)的節(jié)能受到限制，因?yàn)镻LL及其LDO穩(wěn)壓器必須上電。當(dāng)兩個(gè)通道都處于空閑狀態(tài)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更高的節(jié)能效果。與模式0不同，模式1和模式2也可以由預(yù)分配的數(shù)字通用輸入/輸出（DGPIO）引腳觸發(fā)。但是，一個(gè)DGPIO引腳在兩個(gè)通道上電和關(guān)斷。因此，DGPIO引腳方法只能在發(fā)射和接收通道都空閑時(shí)使用。

圖6顯示了使用DGPIO引腳觸發(fā)省電模式1或模式2的示例。在此示例中，整個(gè)TDD時(shí)間段分為多個(gè)時(shí)間范圍，每個(gè)時(shí)間范圍由四個(gè)時(shí)隙組成。第一個(gè)是發(fā)送時(shí)隙，后跟兩個(gè)空閑時(shí)隙，最后一個(gè)是接收時(shí)隙。默認(rèn)情況下，模式 0 始終處于啟用狀態(tài)，這將關(guān)閉空閑通道的電源。但是，在空閑時(shí)隙 2 和 3 期間，發(fā)送和接收通道都處于空閑狀態(tài);因此，DGPIO引腳方法可用于觸發(fā)省電模式1或模式2，其實(shí)現(xiàn)比僅模式0更大的節(jié)能。

圖6.使用 DGPIO 通過(guò)模式 1 或模式 2 觸發(fā)通道級(jí)節(jié)能的示例。

需要強(qiáng)調(diào)的是，DGPIO引腳方法應(yīng)始終觸發(fā)比RX_ENABLE和TX_ENABLE信號(hào)更高的通道級(jí)省電模式，如圖6所示的示例所示。DGPIO引腳方法有助于在模式1和模式2由于發(fā)射和接收通道轉(zhuǎn)換時(shí)間不足而無(wú)法由RX_ENABLE和TX_ENABLE信號(hào)觸發(fā)的情況下實(shí)現(xiàn)更多的節(jié)能。

在某些TDD應(yīng)用中，一個(gè)通道可能被初始化，但長(zhǎng)時(shí)間不使用。在這種情況下，為用戶提供了一個(gè)API命令，用于關(guān)斷未使用的通道，類似于模式2（關(guān)斷其數(shù)據(jù)路徑、PLL和LDO穩(wěn)壓器）。這會(huì)將未使用的通道移動(dòng)到休眠狀態(tài)。在通道開(kāi)始運(yùn)行之前，用戶可以使用另一個(gè) API 命令為其通電。這可確保為未使用的通道實(shí)現(xiàn)最佳的通道級(jí)節(jié)能。有關(guān)通道/系統(tǒng)狀態(tài)的更多討論將在后面的部分中介紹。

為了演示通過(guò)三種不同的通道級(jí)節(jié)能模式實(shí)現(xiàn)的節(jié)能，采用了具有24 kSPS的DMR配置文件。在DMR手機(jī)系統(tǒng)中，電池壽命是決定用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵因素之一。通電后，DMR 手機(jī)在三種不同的狀態(tài)之間切換：發(fā)送、接收和空閑。典型的周期情況表示為 5-5-90，這意味著手機(jī)大約 5% 的時(shí)間用于發(fā)送，5% 的時(shí)間用于接收，90% 的時(shí)間用于空閑。通常，具有5-5-90循環(huán)案例的電池壽命數(shù)據(jù)需要作為重要的系統(tǒng)參數(shù)在DMR手機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè)中發(fā)布。1

由于功耗對(duì)于DMR應(yīng)用至關(guān)重要，因此在組件級(jí)別采用最佳的節(jié)能選項(xiàng)。此外，對(duì)于一對(duì)發(fā)射和接收通道，僅使用一個(gè)PLL。由于ADRV9001接收器使用中頻（IF）模式，而發(fā)射器使用零中頻模式，因此當(dāng)一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道時(shí)，PLL會(huì)重新調(diào)諧。

圖7.通用 DMR TDD 定時(shí)配置，用于使用通道級(jí)省電模式進(jìn)行功耗測(cè)量。

圖7描述了一般的TDD時(shí)序配置。T德克薩斯州和 T接收分別代表發(fā)射和接收活動(dòng)時(shí)間。T空閑1和 T閑置2閑暇時(shí)間站著。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，未指示喚醒時(shí)間，因?yàn)榕c通道活動(dòng)和空閑時(shí)間相比，喚醒時(shí)間通常要短得多;因此，它在功耗計(jì)算中微不足道。

表3顯示了T期間測(cè)得的功耗德克薩斯州/ 7接收和空閑時(shí)間 （T空閑1/T閑置2） 的通道級(jí)省電模式 0、1 和 2。在此測(cè)量中，LO配置為900 MHz。

通過(guò)了解不同時(shí)間段的功耗，平均功耗可以進(jìn)一步計(jì)算為：

考慮到典型的 5-5-90 DMR 用例，使用模式 2 的平均功耗可以計(jì)算為 580 × 5% + 502 × 5% + 173 × 90%，約為 210 mW。

如表3所示，模式1和模式2在空閑期間可節(jié)省更多功耗，因?yàn)镻LL及其相關(guān)LDO穩(wěn)壓器可以斷電。但在通道活動(dòng)時(shí)間（發(fā)送或接收）期間，PLL及其LDO穩(wěn)壓器無(wú)法斷電，因?yàn)樗鼈冊(cè)趦蓚€(gè)通道之間共享;因此，僅關(guān)斷空閑通道相關(guān)組件（如通道LDO穩(wěn)壓器）的節(jié)能非常有限。

系統(tǒng)級(jí)節(jié)能

如上一節(jié)所述，通道級(jí)省電模式可關(guān)斷與通道相關(guān)的組件，如數(shù)據(jù)路徑、RF PLL和LDO穩(wěn)壓器。在發(fā)送和接收通道都空閑的情況下，例如在圖6中描述的場(chǎng)景中，系統(tǒng)級(jí)組件可以進(jìn)一步斷電以實(shí)現(xiàn)額外的節(jié)能。這些系統(tǒng)級(jí)組件包括時(shí)鐘PLL、轉(zhuǎn)換器LDO穩(wěn)壓器、時(shí)鐘PLLLDO穩(wěn)壓器以及Arm處理器及其存儲(chǔ)器。與通道級(jí)省電模式類似，提供三種系統(tǒng)級(jí)省電模式，其中更多模式用于關(guān)斷其他系統(tǒng)組件，如表4所示。?

如表 4 所示，除模式 1 外，模式 3 還關(guān)斷 CLK PLL，模式 4 除模式 2 外，還關(guān)斷 CLK PLL、轉(zhuǎn)換器 LDO 穩(wěn)壓器和 CLK PLL LDO 穩(wěn)壓器。除了模式 4 之外，模式 5 還會(huì)進(jìn)一步關(guān)閉 Arm 設(shè)備及其內(nèi)存的電源。同樣，關(guān)閉更多組件的電源會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的喚醒時(shí)間。在模式5中，為所有組件上電大約需要3.2 ms。

與通道級(jí)省電不同，系統(tǒng)級(jí)省電必須由DGPIO引腳觸發(fā)。圖8顯示了一個(gè)示例，說(shuō)明如何在TDD操作的不同時(shí)間段內(nèi)結(jié)合使用通道級(jí)節(jié)能和系統(tǒng)級(jí)節(jié)能來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能。

圖8.結(jié)合使用通道級(jí)和系統(tǒng)級(jí)節(jié)能的示例。

在此示例中，在發(fā)送和接收操作交替的時(shí)間段內(nèi)，用戶可以通過(guò)使用RX_ENABLE和TX_ENABLE信號(hào)來(lái)選擇盡可能高的通道省電模式。在沒(méi)有通道工作的長(zhǎng)時(shí)間空閑期間，用戶可以采用DGPIO引腳來(lái)觸發(fā)最高的系統(tǒng)級(jí)省電模式，從而允許關(guān)斷其他系統(tǒng)組件。與僅通道級(jí)節(jié)能相比，這有助于實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果。與通道級(jí)省電模式1和模式2中的DGPIO引腳方法類似，系統(tǒng)級(jí)省電中的DPGIO引腳方法只能在TX_ENABLE和RX_ENABLE信號(hào)都很低時(shí)才使用。

表5顯示了圖7所示DMR用例的功耗，當(dāng)一個(gè)通道處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，使用省電模式2，當(dāng)兩個(gè)通道空閑時(shí)，使用三種不同的系統(tǒng)級(jí)省電模式。

與表3相比，在空閑時(shí)間段內(nèi)，很明顯，使用系統(tǒng)級(jí)省電模式可以節(jié)省更多電量。對(duì)于相同的 5-5-90 DMR 用例，使用模式 5 的平均功耗進(jìn)一步降低，可以計(jì)算為 580 × 5% + 502 × 5% + 35 × 90% = 86 mW。

監(jiān)控模式

在前面的部分中，討論了三個(gè)不同級(jí)別的節(jié)能選項(xiàng)。為了在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能效果，僅降低ADRV9001的功耗可能還不夠。理想情況下，在較長(zhǎng)的空閑期間，當(dāng)所有主要組件都可以斷電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最佳節(jié)能效果。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該器件提供了一種監(jiān)控模式，允許ADRV9001和BBIC在整個(gè)空閑時(shí)間段內(nèi)進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)，但一個(gè)接收通道除外，該通道可以選擇喚醒以定期執(zhí)行信號(hào)檢測(cè)。找到有效信號(hào)后，ADRV9001會(huì)立即喚醒BBIC。這減輕了BBIC的信號(hào)檢測(cè)責(zé)任，并允許它（以及由BBIC控制的系統(tǒng)中的其他電路）在整個(gè)空閑時(shí)間段內(nèi)休眠，以實(shí)現(xiàn)最高的整體系統(tǒng)節(jié)能。

圖9顯示了ADRV9001的簡(jiǎn)化狀態(tài)圖，以及它如何在正常工作模式和監(jiān)控模式之間轉(zhuǎn)換。

圖9.ADRV9001在正常工作模式和監(jiān)控模式下的狀態(tài)圖。

如圖9所示，在正常工作模式下，ADRV9001上電后，它會(huì)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，在此期間用戶可以配置組件級(jí)省電選項(xiàng)。如果初始化成功，待機(jī)狀態(tài)將切換到校準(zhǔn)狀態(tài)。如前所述，在此狀態(tài)下，可以使用 API 命令關(guān)閉未使用的通道（盡管已初始化），以從校準(zhǔn)就緒子狀態(tài)移動(dòng)到休眠子狀態(tài)。從校準(zhǔn)狀態(tài)開(kāi)始，無(wú)線電命令進(jìn)一步啟動(dòng)通道以準(zhǔn)備發(fā)射和接收操作，并且所有通道都切換到啟動(dòng)就緒子狀態(tài)。注意：此子狀態(tài)等效于默認(rèn)通道級(jí)省電模式 0。當(dāng)通道使能信號(hào)開(kāi)啟時(shí)，通道進(jìn)一步移動(dòng)到RF_ON狀態(tài)以開(kāi)始操作。如前所述，在TDD操作期間，可以使用通道級(jí)省電模式關(guān)閉空閑通道。如果使用省電模式 0，它將空閑通道從RF_ON狀態(tài)移動(dòng)到啟動(dòng)就緒子狀態(tài)。如果使用省電模式 1 或模式 2，則會(huì)將空閑通道從 RF_ON 移動(dòng)到啟動(dòng)的關(guān)斷子狀態(tài)。

從正常操作模式到監(jiān)控模式的轉(zhuǎn)換由 BBIC 在檢測(cè)到長(zhǎng)時(shí)間空閑時(shí)間段的開(kāi)始后啟動(dòng)。在監(jiān)控模式下，BBIC 根據(jù) BBIC 設(shè)置的配置采用系統(tǒng)級(jí)省電模式 3、模式 4 或模式 5。ADRV9001和BBIC均進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但一個(gè)ADRV9001接收通道可以選擇喚醒以定期執(zhí)行信號(hào)檢測(cè)。當(dāng)找到有效信號(hào)時(shí)，ADRV9001將喚醒BBIC，BBIC將進(jìn)一步禁用監(jiān)控模式以恢復(fù)正常工作。

如圖 9 所示，監(jiān)視模式由三種不同的狀態(tài)組成：睡眠、檢測(cè)和已檢測(cè)。睡眠和檢測(cè)周期通過(guò)定時(shí)器控制。當(dāng)時(shí)間結(jié)束時(shí)，如果沒(méi)有檢測(cè)到有效信號(hào)，一個(gè)狀態(tài)將過(guò)渡到另一個(gè)狀態(tài)。BBIC 確定計(jì)時(shí)器以及應(yīng)從哪種狀態(tài)監(jiān)視器模式開(kāi)始。如果在檢測(cè)狀態(tài)期間檢測(cè)到有效信號(hào)，ADRV9001將立即轉(zhuǎn)換到檢測(cè)狀態(tài)并喚醒BBIC。然后，BBIC禁用監(jiān)控模式，ADRV9001切換回正常工作模式。與系統(tǒng)級(jí)省電模式一樣，監(jiān)控模式的啟動(dòng)由DGPIO引腳觸發(fā)，因?yàn)閺母旧险f(shuō)，這兩者非常相似，只是監(jiān)控模式包含信號(hào)檢測(cè)功能。事實(shí)上，ADRV9001可以通過(guò)API命令在系統(tǒng)級(jí)省電模式和監(jiān)控模式之間動(dòng)態(tài)切換。

圖10描述了ADRV9001和BBIC監(jiān)控模式下發(fā)生的詳細(xì)時(shí)序事件。當(dāng)BBIC置位監(jiān)控模式DGPIO引腳時(shí)，BBIC將開(kāi)始休眠，ADRV9001將等待可配置的初始延遲，然后使用配置的定時(shí)器進(jìn)入睡眠檢測(cè)模式。ADRV9001可以在初始延遲期間執(zhí)行信號(hào)檢測(cè)，以確保在進(jìn)入睡眠狀態(tài)之前不存在信號(hào)。ADRV9001的睡眠檢測(cè)模式會(huì)持續(xù)下去，直到檢測(cè)到有效信號(hào)。然后，ADRV9001喚醒BBIC并開(kāi)始緩沖有效接收數(shù)據(jù)，以確保BBIC在睡眠期間不會(huì)丟失任何有效數(shù)據(jù)。BBIC完全喚醒后，它使接收通道能夠首先以預(yù)配置的更高接口數(shù)據(jù)速率檢索所有緩沖數(shù)據(jù)。然后，它進(jìn)一步禁用監(jiān)視模式以恢復(fù)正常運(yùn)行。注意：BBIC可以將檢測(cè)定時(shí)器設(shè)置為0，這樣ADRV9001就不會(huì)執(zhí)行任何信號(hào)檢測(cè)，相反，當(dāng)找到有效信號(hào)時(shí)，BBIC將通過(guò)隨時(shí)取消對(duì)DGPIO引腳的解置來(lái)執(zhí)行信號(hào)檢測(cè)并終止監(jiān)控模式。

圖 10.監(jiān)控模式下ADRV9001和BBIC的時(shí)序事件。

ADRV9001提供多種信號(hào)檢測(cè)方法，以適應(yīng)不同的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，包括接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSI）、同步（SYNC）和快速傅里葉變換（FFT）。RSSI方法將接收信號(hào)電平與閾值進(jìn)行比較，以確定有效信號(hào)，因此可用于任何類型的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)。SYNC 方法檢測(cè) DMR 標(biāo)準(zhǔn)定義的特定同步信號(hào)模式。FFT方法僅適用于使用FSK調(diào)制方案的標(biāo)準(zhǔn)。因此，除DMR之外，對(duì)使用監(jiān)控模式?jīng)]有限制。

表6顯示了圖7所示DMR用例在空閑時(shí)間段內(nèi)，在監(jiān)控模式下利用不同的系統(tǒng)級(jí)省電模式在睡眠狀態(tài)和檢測(cè)狀態(tài)期間的功耗。

根據(jù)睡眠和檢測(cè)狀態(tài)的計(jì)時(shí)器配置，可以確定監(jiān)視模式期間的平均功耗。雖然ADRV9001在檢測(cè)狀態(tài)下執(zhí)行檢測(cè)的功耗高于睡眠狀態(tài)，但它允許BBIC在整個(gè)空閑時(shí)間段內(nèi)休眠，從而可以提高系統(tǒng)整體功耗。

通過(guò) TES 進(jìn)行功耗評(píng)估

本文介紹的所有功耗測(cè)量均通過(guò)ADRV9001 TES和ADRV9001評(píng)估板（EVB）執(zhí)行。有關(guān)TES和EVB的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)ADRV9002產(chǎn)品頁(yè)面。賽靈思 ZC706 和 ZCU102 FPGA 板均受 TES 支持。?3包括監(jiān)控模式在內(nèi)的所有節(jié)能選項(xiàng)都可以在TES中配置，如圖11所示。

圖 11.TES中的節(jié)能選項(xiàng)和電源監(jiān)控模式配置。

一目了然的省電配置頁(yè)面非常易于使用。為了幫助用戶進(jìn)一步評(píng)估功耗，ADRV9001 EVB配備了功率監(jiān)控芯片，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和測(cè)量功耗。不同電源域的詳細(xì)功耗可以以30秒的間隔顯示在TES中，如圖12所示，這是一個(gè)強(qiáng)大的可視化工具，可以動(dòng)態(tài)評(píng)估不同通道狀態(tài)下的電源性能。良好的測(cè)量精度可以在±2.5%的誤差容限范圍內(nèi)。

圖 12.使用TES的功耗實(shí)時(shí)顯示。

結(jié)論

如本文所述，ADRV9001收發(fā)器系列在元件、通道和系統(tǒng)級(jí)別以及監(jiān)控模式下提供多種節(jié)能選項(xiàng)，能夠?yàn)樵S多任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的功耗和性能。了解每個(gè)節(jié)能選項(xiàng)的相關(guān)性能權(quán)衡對(duì)于確定最佳系統(tǒng)節(jié)能策略至關(guān)重要。通過(guò)ADRV9001 TES和EVB，所有節(jié)能選項(xiàng)都可以通過(guò)強(qiáng)大的高精度實(shí)時(shí)顯示所有電源域的功耗來(lái)全面評(píng)估。

審核編輯：郭婷