LQFP中IF数字化子系统简化的高性能窄带接收机设计

移动无线电用于公共安全和紧急服务 - 例如警察，消防和救护车 - 以及私人服务，例如车队管理。为了提供增强的服务，以及更高的频谱效率和覆盖范围，这些无线电的设计越来越多地从传统的基于模拟的调制方案（如FM和PM）转变为数字调制方法。

这些无线电的接收器必须能够在存在大干扰信号的情况下准确地数字化低电平高频信号。在使用某些窄带移动标准的无线电中，干扰信号可比所需信道大70 dB，频率偏移小至25 kHz。由于这些系统通常不是蜂窝式的，因此移动无线电的地理覆盖范围也是一个重要特征 - 它们必须具有出色的灵敏度，以恢复源自覆盖范围边缘的用户的低电平信号。作为进一步的复杂性，这些无线电通常是便携式的，具有高使用率;他们要求使用体积更小，寿命更长的电池来降低功耗。

为了帮助设备设计人员，ADI公司推出了AD9870 IF数字化子系统，这是一款专为满足移动无线电和类似设备的苛刻要求而设计的IC采用模拟和/或数字调制方案的超外差架构的窄带无线电应用。 AD9870集成了整个IF条带，外部元件极少。它可以接受频率高达300 MHz的IF信号，带宽高达150 kHz，并提供包含16位I和Q数据的串行数据输出，然后可以使用主机处理器进行解调。 AD9870适用于基站和用户单元，将基站所需的动态范围与便携式无线电所需的低功耗相结合。

所有接收器的主要问题是动态范围

接收器的动态范围决定了它在存在较大信号时恢复低电平信号的能力，称为阻断器和干扰源。图1显示了可以降低任何无线电接收器有效动态范围的各种信号源。

假设当前频谱中存在的唯一信号是“小目标信号”。最小可检测信号或灵敏度将由信号带宽（B），接收器的检测阈值（SNRMIN），接收器的噪声系数（NF）决定。 ）和固有的热噪声限制（kTB）。在290 K的温度下，可以使用以下等式估算灵敏度：

灵敏度=SNRMIN+ 10log（B）+NF+（ - 174 dBm / Hz）

以下是一些潜在的噪声源：

如果在下变频之前对目标信号应用的增益不足，则低频1 / f噪声成为一个问题低于工艺技术1 / f角落的频率。由偏移和二阶失真引起的直流分量也可能存在问题。

大型干扰源的能量可以通过接收器LO的相位噪声在很宽的频率范围内扩展，通过称为“互惠混合”的过程。干扰信号越大，它越接近目标信号，目标信号越有可能被这种噪声传递机制破坏。此外，如果此干扰源足够大以在接收器的前端电路中引起非线性，则杂散分量可能会混合回目标信号的通带。 “半中频”问题是困扰二阶线性度较差的接收机的特殊情况，其中在LO和目标信号之间的中间干扰产生二阶分量，其与LO的二次谐波混合以产生刺激落在目标信号上。接收器的IIP2规范允许接收器设计者量化“半中频”杂散。干扰水平，PIN与产生的二阶杂散之间的差异或Δ是IIP2-PIN。由于IIP2为45 dBm，AD9870几乎不受这种“半中频”问题的影响。

来自目标信号的等间隔频率偏移（即f0+Δ和f0+2Δ）的两个大干扰通过互调过程导致杂散成分落在目标信号之上。在这种情况下，接收器的线性度在其IIP3规范中被捕获，较高的数字表示对三阶互调的较高容差。两个相等干扰源PIN之间的差值或Δ，以及得到的三阶互调分量，是2×（IIP3-PIN）。 AD9870具有-1 dBm的可观IIP3，因此可以在降低接收器灵敏度之前容忍高达-45 dBm的干扰。

超外差架构

应对大干扰，否则降低接收机恢复目标低电平信号的能力，超外差架构用于将RF信号转换为一个或多个中频（IF），其中相邻干扰信号的滤波以及相邻干扰信号的放大和增益控制。目标信号更实用。超外差方案自第一次世界大战以来一直在使用，直到今天仍是最受欢迎的无线电接收机架构。采用这种架构的通用版本，在窄带数字接收器中很常见，如图2中的信号链所示。

在RF到IF下变频之前，频段选择滤波器（双工器）和/或镜像抑制滤波器选择目标信号在其中工作的整个RF频带。低噪声放大器（LNA）在降频转换之前提供预期RF频段的放大，对于确定接收机的灵敏度至关重要。 RF混频器之后的下变频IF频谱通常包含除目标信号之外的不同强度的信号阵列。信道选择和放大发生在IF：通过一个或多个晶体或SAW型无源滤波器从其他信号中选择目标信号。在滤波之后，目标信号经历进一步放大，其信号强度通过AGC环路稳定在预设水平，以优化正交解调过程。在许多数字接收机中，IF模拟正交调制器将IF信号分离为其正交基带I和Q分量，然后由双ADC进行数字化。在这种情况下，解调信号的调制精度对于正交调制器和双ADC中的模拟失调，正交LO失配和I / Q增益失配非常敏感。

AD9870架构

AD9870 IF数字化子系统通过集成大部分IF，基带和一些数字后处理功能模块，降低了典型超外差接收器的复杂性，如图3所示。 / p>

AD9870与典型的超外差架构不同之处在于采用宽动态范围带通Σ-ΔADC来采样第二IF信号以及任何相邻信号干扰。目标IF信号的解调以数字精度和稳定性进行，而附近的干扰源可以通过数字滤波得到抑制。

图4显示了AD9870的功能框图。与超外差结构的RF部分类似地起作用，使用LNA和混频器将以第一中频的中心频率的目标信号放大和下变频到适合于数字化的较低的第二IF。带通ADC。

LNA和混频器提供大约10.5 dB的增益，同时保留系统动态范围，输入噪声系数为9 dB，三阶截距为0 dBm。高输入阻抗（360欧姆）简化了与晶体或SAW滤波器的接口。片上LO PLL合成器可与外部环路滤波器和VCO结合使用，以产生可调LO频率。

第二中频信号正好以1为中心/ 8带通ADC采样率（即IF2=ƒCLK/ 8）允许简单的ƒs < / sub> / 8数字正交解调方案。在向下转换到第二个IF时，信号由可调（可编程）有源三阶抗混叠滤波器（AAF）处理，以抑制可能的信号出现在采样ADC的别名带内（即N׃CLK/ 8±ƒCLK/ 8.AAF调谐电路可以支持ADC采样率介于13和18 MHz之间，通常将3 dB截止频率设置并调整为略高于第2 IF（即，ƒ-3dB =ƒCLK/3.2）。

在AAF中嵌入一个可变增益放大器（VGA），可提供高达26 dB的增益范围（图5）。增益可以扩展AD9870的动态范围，可以直接编程或通过自动增益控制（AGC）环路控制。通常在强信号条件下调用AGC环路，以防止A /的“过载”或削波通过在ADC输入端保持可编程固定信号电平来实现D转换器.AD9870实现了AGC的乐趣采用高效混合方法，如图5所示：模拟和数字域在信号估计和控制中协同工作。

在强目标信号或干扰信号落入第一级20抽取数字滤波器的带宽内的情况下，数字估计信号并与编程参考电平（AGCR）进行比较。两个电平之间的差异被馈送到数字积分器，数字积分器更新控制DAC以调整VGA的模拟电压。由于无法准确估计落在第一级数字滤波器通带之外的强干扰信号，因此基于简单差分比较器的模拟环路监视ADC的输入，并在任何超量程条件下控制环路，以减少VGA增益。

外部电容用于平滑DAC的转换，其时间常数由其电容和DAC的内部源电阻确定。 R-C截止频率通常设置在控制系统的环路带宽之外，以确保对环路动态的连续数字控制。控制环路带宽可进行数字编程，可在很宽的范围内改变攻击和衰减时间，并能够对任何过载情况作出反应。

包含VGA的任何窄带接收器信号链的瞬时动态范围取决于VGA的特定增益设置，因为信号路径中每个级所贡献的噪声与“整体”输入参考噪声的比率随着前一级的增益的增加而减小。这意味着由其噪声系数NF描述的输入噪声通常由前几个阶段（即LNA和混频器）控制，并且信号链末端的噪声源（即ADC）对系统的影响最小。 NF，提供这些块之间有足够的增益。

对于AD9870，VGA的增益在25 dB范围内名义上可调。图6显示了AD9870的噪声系数如何受VGA增益设置的影响，因为目标信号（或干扰源）的输入功率从-85 dBm增加到-23 dBm。在小信号条件下，VGA设置为最大增益; AD9870的噪声系数由LNA /混频器以及VGA的输入噪声设置。但是，随着信号功率的增加，它会达到一个点（取决于AGC参考电平），VGA的增益开始下降，以防止ADC削波。此时，随着信号功率的进一步增加，VGA增益降低，dB为dB。此外，在该区域中，ADC的输入信号电平保持恒定，ADC的噪声开始占主导地位，因此系统的NF也以每dB 1 dB的速率降低。随着信号功率持续增加，达到一个点（即-26 dBm），在该点处VGA的增益被设置为其绝对最小值，并且在ADC输入处看到信号电平的进一步增加，直到发生削波（即， -24 dBm）。

AD9870的“核心” - 使得低二次IF数字化方法在用于需要高动态范围和最小功耗的无线电系统的IC中可行且实用 - 是带通Σ-ΔADC（图7）。该ADC与后端数字抽取滤波器一起，在10 kHz带宽内实现了近14.5-ENOB性能，同时采样中心频率高达2.25 MHz的信号。它实现了这些规格，同时从3.0 V电源仅消耗13 mA。

sigma-delta ADC基于4阶开关电容，多位调制器组成两个级联谐振器在噪声传递函数（NTF）中提供两对复零，落在ƒCLK/ 8附近。这些复数零点在第二IF频率处的位置以及多位反馈路径有助于确保在较窄区域内的低本底噪声（±sub / 8）围绕第二IF频率。

来自ADC的数字输出数据被送入AD9870的数字信号处理部分（图8）。本节包含一个ƒCLK/ 8复数（或正交）解调器，后面是三个线性相位FIR滤波器。复合解调器在滤波之前将以CLK/ 8为中心的目标2nd-IF信号分离为其I / Q分量。

复合解调器的输出频谱包括目标信号，现在以“dc”为中心，以及在模拟域中未充分滤除的任何不需要的干扰和/或噪声。一系列抽取滤波器可以去除这些不需要的组件，同时根据目标信道的带宽降低数据速率。取决于调制方案，复数据速率（因此抽取因子）被设置为比信道带宽大至少两倍，以允许进一步的后处理。 DEC1和DEC2都使用级联的4阶梳状滤波器拓扑; DEC2的抽取系数是用户可编程的，以适应不同的信道带宽。 DEC3是一个抽空3的FIR滤波器;它设置了复合滤波器的近端过渡带特性。 DEC3的16位I-and-Q输出馈入同步串行接口（SSI）功能，该功能将数据格式化为串行比特流并嵌入其他可选信息，如AGC，信号强度和同步 - 进入比特流。

可用性

AD9870于2001年冬季上市。它采用48引脚LQFP封装，单价为16.96美元，单位为1,000片。 AD9870数据手册可在ADI公司网站上找到。还提供评估板和相关软件。

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