收發(fā)器相位噪聲拆解通過(guò)外部LO提供性能

軟件定義無(wú)線電是當(dāng)今行業(yè)的主要主題之一。軟件定義無(wú)線電的性能能力得益于射頻（RF）收發(fā)器的發(fā)布，該收發(fā)器在單片集成電路（IC）中提供了完整的無(wú)線電解決方案。ADI收發(fā)器產(chǎn)品線提供了一個(gè)使能IC，擴(kuò)展到許多完全由軟件控制的無(wú)線電設(shè)計(jì)中。這些器件仍有待探索的領(lǐng)域之一是低相位噪聲應(yīng)用的能力。本文評(píng)估了這些高度集成的射頻集成電路（RFIC）的相位噪聲性能，重點(diǎn)介紹了提供外部頻率的情況。

ADI公司ADRV9009收發(fā)器使用外部本振（LO）時(shí)的測(cè)量表明，使用低噪聲LO時(shí)，相位噪聲可以顯著改善。收發(fā)器架構(gòu)是從相位噪聲貢獻(xiàn)的角度提出的。通過(guò)一系列測(cè)量，殘余或加性相位噪聲被提取為DAC輸出上編程頻率的函數(shù)。利用這種噪聲貢獻(xiàn)以及輸入頻率（LO和基準(zhǔn)電壓源）的相位噪聲，可以估算發(fā)射輸出端的總相位噪聲。將這些估計(jì)值與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

介紹/動(dòng)機(jī)

相位噪聲是無(wú)線電設(shè)計(jì)中表征信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。在架構(gòu)定義階段投入了大量精力，以確保以最經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)相位噪聲要求。

ADRV9009收發(fā)器的測(cè)量表明，根據(jù)所選擇的實(shí)現(xiàn)方案，可能存在多種可能的噪聲性能結(jié)果。使用內(nèi)部LO功能時(shí)，相位噪聲由內(nèi)部基于IC的鎖相環(huán)（PLL）和壓控振蕩器（VCO）決定。內(nèi)部LO設(shè)計(jì)用于滿足大多數(shù)通信應(yīng)用。對(duì)于要求改善相位噪聲性能的應(yīng)用，當(dāng)使用低相位噪聲源作為外部LO時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)顯著的相位噪聲改善。

圖1顯示了ADRV9009收發(fā)器在10 kHz至100 kHz失調(diào)下相位噪聲改善超過(guò)40 dB的潛力。進(jìn)行這些測(cè)量的條件如下：對(duì)于內(nèi)部LO測(cè)量，LO頻率設(shè)置為2.6 GHz，DAC輸出為8 MHz。對(duì)于外部LO測(cè)量，使用羅德與施瓦茨SMA100B作為L(zhǎng)O源。LO路徑上有一個(gè)內(nèi)部分頻器，因此對(duì)于2.6 GHz的LO頻率，發(fā)生器設(shè)置為5.2 GHz。 使用Holzworth HA7402相位噪聲分析儀進(jìn)行測(cè)量。

圖1.ADRV9009收發(fā)器相位噪聲測(cè)量使用內(nèi)部LO功能時(shí)，相位噪聲受基于IC的PLL/VCO的限制。如果使用低相位噪聲外部LO，則可以顯著改善相位噪聲。

ADRV9009 收發(fā)器

ADRV9009是ADI收發(fā)器產(chǎn)品線的最新版本。收發(fā)器架構(gòu)如圖2所示。收發(fā)器是雙通道無(wú)線電，具有發(fā)射和接收功能，采用直接變頻架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，1在單片IC中。數(shù)字處理包括正交糾錯(cuò)、直流失調(diào)和LO泄漏算法，可實(shí)現(xiàn)在直接變頻架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的性能。收發(fā)器提供完整的RF數(shù)字功能。RF頻率支持高達(dá)6 GHz，JESD204B接口為基于ASIC或FPGA的處理器提供高速數(shù)據(jù)接口。

圖2.ADRV9009收發(fā)器功能框圖

無(wú)線電與參考頻率輸入同步。多個(gè)PLL鎖相至基準(zhǔn)電壓源，包括轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘、LO和數(shù)字時(shí)鐘。提供外部LO以允許繞過(guò)內(nèi)部LO PLL。LO路徑在PLL或外部LO輸入和混頻器端口之間有一個(gè)分頻器。這用于生成直接變頻架構(gòu)所需的正交LO信號(hào)。轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘和LO對(duì)可實(shí)現(xiàn)的相位噪聲有直接影響，在評(píng)估相位噪聲貢獻(xiàn)因素時(shí)將進(jìn)一步討論。

檢查相位噪聲貢獻(xiàn)因素

發(fā)射輸出端的相位噪聲由幾個(gè)因素組成。圖3顯示了直接變頻波形發(fā)生器架構(gòu)以及初級(jí)相位噪聲貢獻(xiàn)因素的簡(jiǎn)化框圖。

圖3.直接上變頻框圖和相關(guān)相位噪聲貢獻(xiàn)因素。

在剖析收發(fā)器相位噪聲之前，有幾個(gè)基本原理值得回顧。在倍頻器或分頻器中，相位噪聲為20logN，其中N是輸入輸出頻率比。2這也適用于直接數(shù)字頻率合成器（DDS），其中時(shí)鐘噪聲貢獻(xiàn)隨DDS輸出頻率成20logN。要考慮的第二個(gè)方面是PLL中的相位噪聲傳遞函數(shù)。3注入PLL的參考頻率將作為頻率比（類(lèi)似于乘法器）的函數(shù)與輸出成比例，但將根據(jù)環(huán)路帶寬（BW）和所選環(huán)路濾波器類(lèi)型應(yīng)用低通濾波器效應(yīng)。

將這些原理應(yīng)用于收發(fā)器，可以檢查各種貢獻(xiàn)因素。有兩個(gè)頻率，即LO頻率和參考頻率，注入收發(fā)器。LO頻率對(duì)相位噪聲輸出有直接貢獻(xiàn)，但在用于向混頻器創(chuàng)建正交LO信號(hào)的內(nèi)部分頻器中降低6 dB。參考頻率貢獻(xiàn)由幾個(gè)因素決定。它用于在時(shí)鐘PLL中創(chuàng)建DAC時(shí)鐘。時(shí)鐘輸出端由參考頻率引起的噪聲將按PLL的噪聲傳遞函數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。然后，該貢獻(xiàn)將再次按DAC時(shí)鐘與DAC輸出頻率的比值進(jìn)行縮放。這種效應(yīng)可以簡(jiǎn)化為參考頻率與DAC輸出頻率的縮放，并應(yīng)用基于PLL帶寬的低通傳遞函數(shù)。

接下來(lái)，考慮收發(fā)器IC相位噪聲的貢獻(xiàn)。發(fā)射路徑中的所有電路元件都會(huì)增加殘余噪聲。IC噪聲貢獻(xiàn)因素之一是DAC輸出端的附加噪聲，隨DAC輸出頻率的變化而變化。這可以概括為兩個(gè)殘余相位噪聲項(xiàng);頻率相關(guān)噪聲貢獻(xiàn)和頻率無(wú)關(guān)噪聲貢獻(xiàn)。頻率相關(guān)噪聲隨DAC輸出頻率調(diào)整20logN。與頻率無(wú)關(guān)的噪聲是固定的，并將設(shè)置收發(fā)器IC的相位本底噪聲貢獻(xiàn)。

為了提取IC殘余噪聲貢獻(xiàn)與頻率相關(guān)和頻率無(wú)關(guān)貢獻(xiàn)因素的函數(shù)，進(jìn)行了一系列相位噪聲測(cè)量，如圖4所示。

（a）.參考頻率和LO頻率。

（b）. 收發(fā)器發(fā)射輸出相位噪聲。

（c）. 收發(fā)器殘余相位噪聲。

圖4.相位噪聲測(cè)量用于提取不同的相位噪聲貢獻(xiàn)因素。

用于相位噪聲測(cè)量的測(cè)試設(shè)置如圖5所示。對(duì)于收發(fā)器LO和參考頻率輸入，分別使用了羅德與施瓦茨SMA100B和100 A。霍爾茨沃思HA7402C用作相位噪聲測(cè)試儀。對(duì)于絕對(duì)相位噪聲測(cè)量，收發(fā)器的發(fā)射輸出被注入測(cè)試裝置。對(duì)于殘余相位噪聲測(cè)量，需要三個(gè)收發(fā)器，當(dāng)使用額外的收發(fā)器作為測(cè)試儀中混頻器的LO端口時(shí)，可以從測(cè)量中消除參考頻率和LO頻率的噪聲貢獻(xiàn)。

（a）. 絕對(duì)相位噪聲測(cè)量。

（b）. 殘余相位噪聲測(cè)量。

圖5.用于相位噪聲測(cè)量的測(cè)試設(shè)置。

通過(guò)評(píng)估圖4的測(cè)量數(shù)據(jù)，提取了收發(fā)器IC的頻率相關(guān)和頻率無(wú)關(guān)相位噪聲貢獻(xiàn)因素。估計(jì)值如圖 6 所示。估計(jì)值來(lái)自對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的曲線擬合和在偏移頻率大于1 MHz時(shí)的相位本底噪聲的閾值設(shè)置。

圖6.收發(fā)器殘余相位噪聲貢獻(xiàn)因素。這些曲線是從圖4的測(cè)量數(shù)據(jù)中提取的。

絕對(duì)相位噪聲測(cè)量與預(yù)測(cè)

通過(guò)評(píng)估所述的不同相位噪聲貢獻(xiàn)，可以計(jì)算出基于DAC輸出頻率以及用于LO和基準(zhǔn)電壓源的振蕩器的預(yù)測(cè)。測(cè)量結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

（a）. DAC 輸出 = 12.5 MHz。

（b）. DAC 輸出 = 25 MHz。

（c）. DAC 輸出 = 50 MHz。

（d）. DAC 輸出 = 100 MHz。

圖7.使用外部LO測(cè)量的相位噪聲與預(yù)測(cè)相位噪聲。對(duì)于2.6 GHz的收發(fā)器中心頻率，LO設(shè)置為5.2 GHz。DAC輸出頻率在12.5 MHz至100 MHz之間變化。 結(jié)果是可預(yù)測(cè)的，并表明分析方法可以擴(kuò)展到其他頻率。

貢獻(xiàn)者的計(jì)算方法如下：

LO相位噪聲貢獻(xiàn)：使用圖4中測(cè)得的LO相位噪聲，并將其降低6 dB，以考慮收發(fā)器IC內(nèi)部的分頻器。

參考相位噪聲貢獻(xiàn)：使用圖4中測(cè)得的參考噪聲作為起點(diǎn)。收發(fā)器中的時(shí)鐘PLL具有幾百kHz的環(huán)路帶寬，因此對(duì)基準(zhǔn)噪聲施加了具有類(lèi)似帶寬的二階低通濾波器。然后將噪聲按DAC輸出頻率與參考頻率之比的20log進(jìn)行縮放。

IC貢獻(xiàn)：使用圖6的曲線。

測(cè)量結(jié)果與預(yù)測(cè)非常接近，圖表表明哪些貢獻(xiàn)者主導(dǎo)了各種偏移頻率。在失調(diào)頻率低于~5 kHz時(shí)，第一個(gè)LO占主導(dǎo)地位。當(dāng)偏移高于~1 MHz時(shí)，IC殘余噪聲占主導(dǎo)地位。在~10 kHz至~500 kHz之間的中間失調(diào)頻率下，DAC輸出頻率成為一個(gè)因素。在較高的DAC輸出頻率下，IC頻率相關(guān)噪聲占主導(dǎo)地位。隨著DAC輸出頻率的降低，IC貢獻(xiàn)降低到LO頻率再次主導(dǎo)性能的程度。

外部LO注意事項(xiàng)

在探索使用外部LO的設(shè)計(jì)中，值得注意一些實(shí)際考慮因素。有兩個(gè)特定的項(xiàng)目可能是一個(gè)限制。

使用內(nèi)部分頻器時(shí)，啟動(dòng)時(shí)或切換外部LO時(shí)會(huì)出現(xiàn)相位模糊。內(nèi)部LO包含RF相位同步功能，但外部LO尚不提供此功能。

當(dāng)跳頻外部LO時(shí)，QEC算法有一個(gè)建立時(shí)間，該時(shí)間可能會(huì)在頻率變化后的瞬間產(chǎn)生雜散影響鏡像。

這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致多通道系統(tǒng)復(fù)雜化，在大于收發(fā)器瞬時(shí)帶寬的工作頻段上動(dòng)態(tài)跳頻。對(duì)于未來(lái)的收發(fā)器，這些限制可能會(huì)被克服，但在撰寫(xiě)本文時(shí)，ADRV9009與外部LO一起使用時(shí)存在這些復(fù)雜性。

盡管存在這些復(fù)雜性，但仍有多種應(yīng)用可以利用外部LO的改進(jìn)相位。其中包括動(dòng)態(tài)跳頻要求不那么嚴(yán)格的任何單通道或低通道數(shù)系統(tǒng)，或任何具有固定LO頻率的多通道系統(tǒng)。

可以從外部LO相位噪聲性能中受益的特定應(yīng)用是相對(duì)窄帶相控陣。在此應(yīng)用中，將收發(fā)器用于通用波形發(fā)生器和接收器設(shè)計(jì)是可行的，該設(shè)計(jì)可以支持多種工作頻率，然后在工作或最終LO實(shí)現(xiàn)期間選擇特定頻段。

對(duì)于工作頻段在收發(fā)器瞬時(shí)帶寬內(nèi)的相控陣系統(tǒng)，外部LO可以是單頻，在這種情況下，在帶有外部LO的相控陣中使用收發(fā)器可能是一個(gè)非常實(shí)用的選擇。在評(píng)估系統(tǒng)相位噪聲時(shí)，可以選擇參考頻率源振蕩器，使參考頻率噪聲貢獻(xiàn)遠(yuǎn)低于LO噪聲貢獻(xiàn)。如果將公共LO分布到收發(fā)器陣列，則隨著系統(tǒng)中相干組合的收發(fā)器數(shù)量的增加，IC的噪聲貢獻(xiàn)將降低到系統(tǒng)由外部LO主導(dǎo)的水平。這一結(jié)論簡(jiǎn)化了系統(tǒng)工程噪聲分析。由于噪聲以公共LO為主，因此工程工作可以集中在中央LO設(shè)計(jì)的最佳成本/性能權(quán)衡上。

總結(jié)

本文提供了一種使用外部LO時(shí)預(yù)測(cè)ADRV9009收發(fā)器相位噪聲的方法。該方法允許跟蹤基準(zhǔn)振蕩器、LO源和收發(fā)器的貢獻(xiàn)，作為DAC輸出頻率的函數(shù)。測(cè)量結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果匹配良好，表明該方法可以擴(kuò)展為分析與其他頻率源一起使用時(shí)的收發(fā)器能力。這種方法也非常通用，可以擴(kuò)展到任何波形發(fā)生器設(shè)計(jì)。

使用外部LO測(cè)量的相位噪聲性能在創(chuàng)建低相位噪聲LO源時(shí)具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。我們的目的是在評(píng)估架構(gòu)選項(xiàng)時(shí)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供一系列選項(xiàng)。對(duì)于在具有外部LO輸入的低相位噪聲應(yīng)用中使用收發(fā)器的設(shè)計(jì)，該描述為評(píng)估不同條件下的系統(tǒng)級(jí)相位噪聲提供了基礎(chǔ)。

為了評(píng)估系統(tǒng)相位噪聲，可以選擇參考頻率源振蕩器，使參考頻率噪聲貢獻(xiàn)遠(yuǎn)低于LO噪聲貢獻(xiàn)。如果將公共LO分布到收發(fā)器陣列，則隨著系統(tǒng)中相干組合的收發(fā)器數(shù)量的增加，IC的噪聲貢獻(xiàn)將降低到系統(tǒng)由外部LO主導(dǎo)的水平。這一結(jié)論簡(jiǎn)化了系統(tǒng)工程噪聲分析。由于噪聲以公共LO為主，因此工程工作可以集中在中央LO設(shè)計(jì)的最佳成本/性能權(quán)衡上。

使用外部LO測(cè)量的相位噪聲性能在創(chuàng)建低相位噪聲LO源時(shí)具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。我們的目的是在評(píng)估架構(gòu)選項(xiàng)時(shí)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供一系列選項(xiàng)。對(duì)于在具有外部LO輸入的低相位噪聲應(yīng)用中使用收發(fā)器的設(shè)計(jì)，該描述為評(píng)估不同條件下的系統(tǒng)級(jí)相位噪聲提供了基礎(chǔ)。

審核編輯：郭婷