簡 介

為了滿足系統(tǒng)芯片(SoC)中通訊收發(fā)器中寬帶信號(hào)處理的要求，選擇模擬前端(AFE) IP及其組件(模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和鎖相環(huán)路(PLL))十分復(fù)雜。優(yōu)化各組件性能要求是避免額外功耗(超過指標(biāo)要求)或 系統(tǒng)性能損失的關(guān)鍵。

AFE IP組件一般從其電氣特性方面說明，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)師則用不同的指標(biāo)體系評價(jià)系統(tǒng)性能。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必 須理解AFE IP組件的電氣規(guī)格以及它們影響系統(tǒng)總體性能的方式。

這本白皮書描述了一種判斷任何指定AFE的電氣特性是否適合目標(biāo)應(yīng)用的簡化方法，如無線或有線連接環(huán)境中的 寬帶信號(hào)收發(fā)器、蜂窩通訊和數(shù)字電視及無線電廣播。此外，這本白皮書還圖解說明了一種研究不同組件相對性 能與工作模式之間取舍、從而找到性能、功耗、面積和成本最佳的SoC的方法。

模擬前端

在寬帶信號(hào)收發(fā)器SoC中，AFE把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為需要進(jìn)一步數(shù)字處理的數(shù)字域，對于模擬傳輸過程則剛好相 反。AFE還作為數(shù)字SoC與模擬RF收發(fā)器芯片之間的模擬通訊接口。

圖1表示數(shù)字基帶新IP中的AFE實(shí)例。這個(gè)AFE之間包括：

接收路徑中的一個(gè)或多個(gè)雙通道(IQ) ADC

發(fā)射路徑中的一個(gè)或多個(gè)雙通道(IQ) DAC

一個(gè)為AFE中所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生取樣時(shí)鐘的 PLL

其他組件，如輔助和內(nèi)務(wù)功能用的通用ADC和DAC

AFE規(guī)格挑戰(zhàn)

發(fā)射信號(hào)使用復(fù)雜調(diào)制方法的通訊系統(tǒng)如正交頻分復(fù)用(OFDM)， 其對性能的要求通常用誤差矢量幅度(EVM)參數(shù)來定義。

OFDM調(diào)制是在非理想信道上傳遞數(shù)據(jù)使用的一種有效和可靠的方法，這種信道容易衰減和受無線通訊系統(tǒng)中常見的多路徑干擾影響。在OFDM中，數(shù)據(jù)在多個(gè)相隔緊密的正交載波頻率上編碼，每個(gè)載波頻率使用正交調(diào)幅(QAM)方案調(diào)制。

EVM參數(shù)一般用于衡量數(shù)字收發(fā)器的質(zhì)量。當(dāng)收發(fā)器發(fā)射特定調(diào)制信號(hào)時(shí)，無論信號(hào)來源如何，EVM參數(shù)是匯集了影響收發(fā)器性能的所有不同組件貢獻(xiàn)大小的一個(gè)綜合性能參數(shù)。EVM參數(shù)表示星座圖中每個(gè)QAM符號(hào)位置相對于其理想位置的偏差。圖2給出了一個(gè)QAM16調(diào)制實(shí)例。

圖2左側(cè)表示EVM較高的理想星座(每個(gè)黑色圓點(diǎn)代表一個(gè)符號(hào))。右側(cè)表示EVM較低的真實(shí)不完美星座，其中符號(hào)(灰色圓點(diǎn))在一個(gè)較大區(qū)域中擴(kuò)散。如果灰色區(qū)域是分離的，那么就能解調(diào)。如果它們互相重疊，就會(huì)出現(xiàn)解調(diào)錯(cuò)誤。

另一方面，AFE的電氣性能經(jīng)常通過參照其組件的本征特性來定義，如：

ADC和DAC的信噪比(SNR)、諧波失真、無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、IQ匹配

PLL的相位噪聲、長期抖動(dòng)、頻率精度

這些本征特性是針對具體每個(gè)組件的，傳統(tǒng)上使用單音信號(hào)或最多幾個(gè)音信號(hào)獲得。所以，調(diào)制信號(hào)的特性沒有考慮在內(nèi)。

為了確認(rèn)AFE(及其組件)性能是否符合具體系統(tǒng)要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須使用AFE電氣規(guī)格確定AFE系統(tǒng)級(jí)性能(如EVM貢獻(xiàn))，同時(shí)考慮信號(hào)特點(diǎn)和很多其他因素。

不幸的是，這種分析十分復(fù)雜且難以理解，因?yàn)橛绊懰囊蛩睾芏?。不過，只要作出幾個(gè)假設(shè)，就可以在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)這種分析的簡化方法,而通常高斯噪聲源是影響系統(tǒng)性能的主要因素。

對于具有這種特點(diǎn)的系統(tǒng)，總SNR與EVM關(guān)系密切：

因此，只要確定AFE對總系統(tǒng)SNR的貢獻(xiàn)就足以確認(rèn)AFE性能是否滿足系統(tǒng)要求。

AFE性能貢獻(xiàn)

以下部分將討論一種確定AFE性能對收發(fā)器總體SNR性能貢獻(xiàn)大小的方法。這種方法考慮了被處理信號(hào)的關(guān)鍵特性(輸入信號(hào)帶寬和振幅、調(diào)制方案)和AFE之間的性能(ADC SNR、PLL時(shí)鐘抖動(dòng)等)。

盡管這里討論的方法以ADC(接收)影響為主，但同樣適合DAC(發(fā)射)。

ADC SNR規(guī)格(SNRnyq)是確定AFE對系統(tǒng)EVM貢獻(xiàn)的起點(diǎn)。SNRnyq規(guī)格(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器本征SNR)是指信號(hào)功率(假設(shè)信號(hào)是滿幅純正弦波)與ADC所有噪聲貢獻(xiàn)功率之比。它包括熱噪聲和在完整ADC奈奎斯特帶上積分的量化噪聲。

不過，考慮信號(hào)特點(diǎn)，如信號(hào)帶寬和輸入信號(hào)振幅以及PLL時(shí)鐘的貢獻(xiàn)，就能改善轉(zhuǎn)換器有效SNR。

輸入信號(hào)帶寬

運(yùn)用現(xiàn)代頻域數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)解調(diào)ADC輸出上的信號(hào)。不過，通常我們只考慮具有關(guān)注帶內(nèi)的信號(hào)成分，從而有效濾除所有帶外噪聲成分。

提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器SNR性能的一個(gè)簡單辦法是通過一個(gè)更大的頻譜分散它產(chǎn)生的總噪聲功率，藉此增大轉(zhuǎn)換器采樣率，超過最小奈奎斯特極限。這降低了任何指定頻帶上的噪聲功率密度，從而提高了SNR(當(dāng)只考慮帶內(nèi)信號(hào)時(shí))。如圖3所示，這種方法稱過采樣。

右側(cè)上的ADC使用的采樣率比左側(cè)ADC使用的采樣率高，因此落入關(guān)注頻帶內(nèi)的總噪聲(用數(shù)字濾波器識(shí)別)較小，而有效轉(zhuǎn)換器SNR較大。

其中Fs是采樣頻率，BW是信號(hào)帶寬(單位均為Hz)。例如，采樣頻率每翻一倍，SNR提高3 dB [1]。

過采樣簡化了ADC輸入上的模擬抗混疊濾波器，或DAC輸出上的重建濾波器。這由于信號(hào)鏡像位于采樣頻率倍數(shù)居中位置、具有較寬頻率區(qū)間而容易濾波。

圖4表示信號(hào)受Fs/2數(shù)倍以外頻率中其他信道反射信號(hào)鏡像影響的實(shí)例。這些反射(或混疊)信號(hào)鏡像落入帶內(nèi)，因此無法在數(shù)字域?yàn)V波。

為了避免這種反射，必須在ADC前面引入抗混疊濾波器，削弱Fs/2以外的任何分量。較高的Fs/2帶寬簡化了抗混疊濾波器。

紫色形狀為實(shí)際信號(hào)，綠色形狀是Fs周圍信號(hào)的反射圖像。

輸入信號(hào)振幅

影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器本征噪聲的主要因素是量化噪聲和熱噪聲，一般假設(shè)為具有均勻功率分布的白色噪聲。這些噪聲分量的功率通常與信號(hào)幅度無關(guān)。因此，信號(hào)幅度的任何減小(回退)都會(huì)導(dǎo)致有效SNR減小。

在通訊系統(tǒng)中，信號(hào)經(jīng)常使用峰均比(PAR)較大的復(fù)雜調(diào)制方案。為了飽和一個(gè)可能導(dǎo)致信號(hào)削波、較高失真和帶外功率的ADC，該信號(hào)必須回退(衰減)，使得信號(hào)峰值落入ADC滿幅范圍內(nèi)。

可能需要額外回退，以防因在不理想信道上傳遞的正常信號(hào)強(qiáng)度變化而導(dǎo)致飽和，或者要考慮在ADC輸入前可能尚未完全過濾的相鄰信道的強(qiáng)度。

信號(hào)回退的實(shí)施量要考慮以下因素：

是否存在沒有適當(dāng)過濾的強(qiáng)帶外信號(hào)

沒有得到收發(fā)器自動(dòng)增益控制補(bǔ)償?shù)臒o線電信號(hào)的變化

模擬信號(hào)鏈中與制程-電壓-溫度(PVT)變化有關(guān)的增益不準(zhǔn)確

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