【導(dǎo)讀】系統(tǒng)設(shè)計(jì)師通常側(cè)重于為應(yīng)用選擇最合適的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,在向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供輸入的時鐘發(fā)生器件的選擇上往往少有考慮。然而,如果不慎重考慮時鐘發(fā)生器的相位噪聲和抖動性能,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍和線性度性能可能受到嚴(yán)重的影響。
系統(tǒng)考慮因素
采用MIMO (多輸入多輸出)架構(gòu)的典型LTE (長期演進(jìn))基站如圖1所示,該架構(gòu)由多個發(fā)射器、接收器和DPD (數(shù)字預(yù)失真)反饋路徑構(gòu)成。各種發(fā)射器/接收器組件(如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC))和本振(LO)要求采用低抖動參考時鐘以提高性能。其他基帶組件也要求各種頻率的時鐘源。
圖1.面向采用MIMO架構(gòu)的典型LTE基站的時鐘時序解決方案
用于實(shí)現(xiàn)基站間同步的時鐘源一般來自GPS (全球定位系統(tǒng))或CPRI (通用公共射頻接口)鏈路。這種源一般擁有優(yōu)秀的長期頻率穩(wěn)定性;但它要求把頻率轉(zhuǎn)換成所需的本地參考頻率,以實(shí)現(xiàn)良好的短期穩(wěn)定性或抖動。高性能時鐘發(fā)生器可執(zhí)行頻率轉(zhuǎn)換操作并提供低抖動時鐘信號,在此基礎(chǔ)上,這些信號可能會分配給各種基站組件。選擇最佳時鐘發(fā)生器至關(guān)重要,因?yàn)榍芳褏⒖紩r鐘會增高LO相位噪聲,結(jié)果會提高發(fā)射/接收EVM(誤差矢量幅度)和系統(tǒng)SNR(信噪比)。高時鐘抖動和噪底也會影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,因?yàn)樗鼤档拖到y(tǒng)SNR并導(dǎo)致數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器雜散輻射,從而進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的SFDR(無雜散動態(tài)范圍)。結(jié)果,低性能時鐘源最終會降低系統(tǒng)容量和吞吐量。
時鐘發(fā)生器技術(shù)規(guī)格
盡管關(guān)于時鐘抖動的定義多種多樣,但在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中,最合適的定義是相位抖動,其單位為時域ps rms或fs rms。相位抖動(PJBW)是通過時鐘信號相位噪聲在載波特定偏移范圍內(nèi)的積分推導(dǎo)出來的抖動,計(jì)算公式如下:
fCLK為工作頻率;fMIN/fMAX表示目標(biāo)帶寬,S(fCLK)表示SSB相位噪聲。積分帶寬的上限和下限(fMIN/fMAX)因具體應(yīng)用而異,取決于設(shè)計(jì)敏感的相關(guān)頻譜成分。設(shè)計(jì)師的目標(biāo)是選擇所需帶寬中的積分噪聲最低或者相位抖動最低的時鐘發(fā)生器。傳統(tǒng)上,時鐘發(fā)生器的特性是在12kHz至20MHz積分條件下測得的,這也是光學(xué)通信接口(如SONET)的指定要求。雖然這可能適用于一些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用,但要捕獲高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣時鐘的相關(guān)噪聲曲線,通常需要更寬的積分頻譜,具體是指20MHz以上。在測量相位噪聲時,噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離載波頻率。
例如,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣實(shí)際使用的時鐘頻率一般稱為遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離載波相位噪聲。該噪聲的限值通常稱為相位噪底,如圖2所示。該圖所示為ADI HMC1032LP6GE時鐘發(fā)生器的實(shí)際測量圖。相位噪底在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中顯得格外重要,其原因在于轉(zhuǎn)換器SNR對其時鐘輸入端的寬帶噪聲極其敏感。當(dāng)設(shè)計(jì)師評估時鐘發(fā)生器選項(xiàng)時,必須把相位噪底性能作為一項(xiàng)關(guān)鍵基準(zhǔn)指標(biāo)。
圖2.HMC1032LP6GE的相位噪聲和抖動性能
在圖2中,工作頻率為~160MHz時,積分相位抖動為~112fs rms,積分帶寬為12 kHz至20MHz,相位噪底為~–168dBc/Hz。這里值得注意的是,在為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器選擇最合適的時鐘發(fā)生器時,設(shè)計(jì)師不僅要參考頻域的相位噪聲測量值,同時也要參考時域的時鐘信號質(zhì)量測量值,比如占空比、上升/下降時間。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能
為了描述時鐘噪聲對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能的影響,不妨將轉(zhuǎn)換器視為一個數(shù)字混頻器,二者僅存在一個細(xì)微差異。在混頻器中,LO的相位噪聲將添加到被混頻的信號中。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中,時鐘的相位噪聲將疊加到轉(zhuǎn)換輸出中,但受信號與時鐘頻率之比的抑制。時鐘抖動會導(dǎo)致采樣時間錯誤,表現(xiàn)為SNR下降。(時間抖動(T抖動)即是采樣時間中的rms誤差,單位為秒)
在有些應(yīng)用中,可能會利用時鐘濾波器來減少時鐘信號的抖動,但這種方法存在顯著的缺陷:
● 濾波器雖然可能會消除時鐘信號的寬帶噪聲,但窄帶噪聲卻保持不變。
● 濾波器的輸出通常是一個類似于正弦波的慢壓擺率,會影響時鐘信號對時鐘路徑內(nèi)部噪聲的敏感度。
● 濾波器消除了靈活性,無法更改時鐘頻率以實(shí)施多個采樣速率架構(gòu)。
一種更實(shí)際的辦法是用一個擁有快壓擺率和高輸出驅(qū)動能力的低噪聲時鐘驅(qū)動器來最大化時鐘信號的斜率。這種方法可以優(yōu)化性能,原因如下:
● 消除時鐘濾波器之后可以降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,減少組件數(shù)量。
● 快速上升時間會抑制ADC時鐘路徑內(nèi)部的噪聲。
● 窄帶和寬帶噪聲都可以通過選擇最佳時鐘源來優(yōu)化。
● 可編程時鐘發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)不同的采樣速率,因而可以增加解決方案對不同應(yīng)用的適應(yīng)能力。
超低時鐘噪底至關(guān)重要。遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離載波的時鐘抖動噪聲在ADC中采樣,并疊加進(jìn)ADC數(shù)字輸出頻段中。該頻段受奈奎斯特頻率限制,后者定義為:
時鐘抖動通常由ADC時鐘信號的寬帶白噪底所主導(dǎo)。雖然ADC的SNR性能取決于多種因素,但時鐘信號寬帶抖動的影響由下式?jīng)Q定:
如上式所示,與混頻器不同,時鐘抖動的SNR貢獻(xiàn)與ADC模擬輸入頻率(fIN)成正比。
在驅(qū)動ADC時,時鐘噪聲受時鐘驅(qū)動器路徑中的帶寬限制,一般由ADC時鐘輸入電容主導(dǎo)。寬帶時鐘噪聲會調(diào)制較大的輸入信號并疊加進(jìn)ADC輸出頻譜中。時鐘路徑的相位噪聲會降低輸出SNR性能,降幅與輸入信號的幅度和頻率成比例。最差情況是,在存在小信號的情況下還存在較大的高頻信號。
在現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)中,情況經(jīng)常是,輸入端存在多個載波信號,然后在DSP中對各目標(biāo)信號進(jìn)行過濾,以匹配信號帶寬。在許多情況下,處于一個頻率的較大的無用信號會與時鐘噪聲混合,結(jié)果會降低ADC通帶中其他頻率下的可用SNR。在這種情況下,目標(biāo)SNR為所需信號帶寬中的SNR。另外,上面的SNRJITTER值實(shí)際上是相對于最大信號(通常是一個無用信號或阻塞信號)的幅度的。
所需目標(biāo)信號頻段中的輸出噪聲取決于:
a.在給定輸入頻率下,計(jì)算時鐘噪聲和較大無用信號條件下ADC性能的降幅;例如,計(jì)算ADC全帶寬中的SNR。
b.用所需信號帶寬與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器全帶寬之比計(jì)算所需信號帶寬中的SNR。
c.基于無用信號在滿量程以下的幅度增大該值。
步驟b的結(jié)果只是為了按以下方式修正前面所示的SNR等式:
● SNRJITTER:在存在頻率為fin的大信號且采樣速率為fs的條件下,時鐘抖動在帶寬fBW中的SNR貢獻(xiàn)。
● fIN:滿量程無用信號的輸入頻率,單位為Hz。
● TJITTER:ADC時鐘的輸入抖動,單位為秒。
● fBW:所需輸出信號的帶寬,單位為Hz。
● fs:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率,單位為Hz。
● SNRDC:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在直流輸入條件下的SNR,單位為dB
最后,在存在滿量程阻塞信號的條件下,目標(biāo)信號頻段中的最大可用SNR只是抖動與直流貢獻(xiàn)噪聲功率之和。
例如,對于ENOB為12.5位(直流)或者SNR為75dB的500MSPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,則在相當(dāng)于采樣速率一半的帶寬中在250MHz的頻率下進(jìn)行評估。如果目標(biāo)信號的帶寬為5 MHz,則在接近直流時的可能SNR (帶寬為5MHz,時鐘完美)為75+10×log10 (250/5) =92 dB。
然而,ADC時鐘并不完美;根據(jù)圖3所示,在5MHz所需信號帶寬中的性能下降效應(yīng)為x軸頻率下大無用信號輸入的函數(shù)。隨著抖動的增加,無用信號的影響變得更加嚴(yán)重,隨著輸入頻率的增加,情況同樣如此。如果無用信號的幅度下降,可用SNR將按比例增加。
圖3.ADC SNR與時鐘抖動和輸入頻率的關(guān)系
例如,如果在200MHz輸入下對一個滿量程5MHz無用W-CDMA信號進(jìn)行采樣,采用一個高質(zhì)量的500MHz時鐘(如HMC1034LP6GE),且運(yùn)行于整數(shù)模式下時抖動為70 fs,則附近5MHz通道中的SNR約為91dB。相反,如果時鐘抖動降至500fs,則同一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和信號只會表現(xiàn)出81dB的SNR,相當(dāng)于性能下降10dB。
在400MHz下把同一信號輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,70fs的時鐘會產(chǎn)生88dB的SNR。類似地,在500fs的時鐘下,SNR值會降至僅75dB。
綜上所述,為時鐘生成和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換選擇正確的組件可使您從給定架構(gòu)中獲得最佳的性能。在選擇時鐘發(fā)生器時要考慮的重要標(biāo)準(zhǔn)有相位抖動和相位噪底,它們會影響被驅(qū)動的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的SNR。對于選定的時鐘發(fā)生器,其低相位噪底和低積分相位抖動特性有助于最小化多載波應(yīng)用中SNR性能在較高ADC輸入頻率下的降幅。
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