可调谐滤波器对于射频采样架构的优势

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可调谐滤波器对于射频采样架构的优势

虽然射频放大器、VGA 和数字步进衰减器已发展到在单个设备中支持多千兆赫带宽，但总信号链累积通带选择性通常是固定的，并针对一个工作频段进行定制。这意味着每个特定频段的设计都需要新的物料清单。利用可调谐带通滤波器，可以从小信号射频链制造多频段无线电，并且可以微调滤波器的中心频率、通带和带外抑制。

在为多个 4G LTE 或 5G NR 应用设计无线电时，使用单个可调谐设备尤其重要，因为跨多个平台重复使用同一设备可带来显着的成本优势。此外，还可以进一步降低开发时间和测试工作的成本。

图 1：OTFL101 S21 在整个调谐范围内的响应

为了说明这些优势，本文重点介绍可调谐滤波器的合适应用，即宽带直接射频数模转换器 (DAC) 的输出重构滤波器。本示例中使用的滤波器是 OTFL101，它是 Otava 带通可调谐滤波器系列的成员，可满足 2.5 GHz 至 40 GHz 之间的滤波要求。这些滤波器的功率处理能力高达 1 W RMS，线性度为 +45 dBm，几乎可用于 RF 信号链中的任何位置。

OTFL101（如图 2所示）是一款单芯片滤波器，调谐范围为 2.5 至 7 GHz，尺寸为 2.3 x 1.6 mm，无需外部组件。它通过采用 1.8 VDC CMOS 信号（CLK、数据、设备选择）的三线串行接口进行控制。该滤波器采用五阶设计，其中五个电容器组或谐振器中的每一个都可以单独配置，每个电容器组或谐振器都有一个 5 位字。图 1显示了五个中心频率处的叠加 S21 响应，并说明了如何通过应用简单的调谐，使分数带宽在调谐范围内保持大致恒定。

图2：OTFL101评估板

RF 采样架构过滤要求

虽然有许多可用的射频采样数模转换器 (DAC)，但此处执行的分析基于多通道 AMD Xilinx Zynq® UltraScale+™ Gen3 RFSoC，该芯片可实现高带宽射频采样或直接射频转换从 DC 到 6 GHz，采样率高达 9.85 G/samples/s，采用片上数字上变频器。上变频器是位于 DAC 之前的数字调制器。其高分辨率数字 NCO 可实现对 RF 的精确调制，无需外部模拟混频器或调制器。

图 3：Direct-RF 发射器框图

通过复合调制器的混合项通过 DAC 采样过程以 Fs 的采样率进行复制，从而在 nFs +/-Fo 处创建图像色调以及 Fo 处所需的真实信号。通常的做法是在数模转换之后直接应用重建滤波器，以在放大之前消除这些不需要的项。

图 4：相对于输出 DAC 频率 Fo（6.144Gsps）的 DAC 图像

DAC 输出端最主要的图像色调位于 Fs-Fo 和 2Fs-Fo 频率。图 4显示了在 DAC 采样率为 6.144 Gsamples/s 时，它们相对于 Fo 处所需信号的频率。从该图表中，可以提取 Fo 为 4 GHz 的所需输出信号的附近音调频率：

2.144 GHz 的图像（Fs-Fo 图像）

6.144 GHz 采样时钟泄漏（Fs 泄漏）

8.288 GHz 的图像（2Fs-Fo 图像）

10.144 GHz 的图像（Fs+Fo 图像）

当 DAC 频率响应滚降到超过 6 GHz 时，超过该频率的杂散和镜像音调往往比带内的 Fs-Fo 镜像幅度更小，并且不需要太多的滤波器选择性。此外，对于给定的 DAC 采样率，所需信号与其镜像之间的频率间隔会随着目标 RF 输出频率的变化而变化。这意味着必须更换或调整 DAC 重建滤波器以跟踪所需的 RF 信号并在需要时提供足够的选择性。

表 1：固定滤波器与 OTFL101 的比较

表 1简要介绍了 OTFL101 可调谐滤波器与现有现成陶瓷或 LTCC 滤波器的比较情况。

与固定频率滤波器的比较

图 3显示了实现直接射频发射器（不包括放大器前端）的典型信号链。本文将使用这种架构来说明使用传统固定滤波器或 OTFL101 作为 DAC 重建滤波器时信号链的性能。感兴趣的关键指标是绝对输出功率电平、SNR 和输出本底噪声密度（表 2）。由于发射链的 SNR 性能主要由数字上变频器、调制器和小信号放大链决定，因此在此讨论中可以忽略功率放大器前端。

表 2：关键信号链指标

该分析还假设在最大增益设置（最小衰减下的 DSA）下运行，并考虑具有 15 或 20 dB 功率增益的同一宽带 GaAs 放大器的两种变体（Qorvo QPA9126 和 QPA9127）。这两种变体对功耗没有影响。尽管插入损耗较高，但当用作较高增益放大器后置滤波器时，与固定滤波器实现相比，可调谐滤波器仅导致 SNR 下降 1.5 dB。

这主要是输出功率减少 1 dB 与本底噪声增加 0.5 dB 相结合的结果。对于峰均比为 9 dB 的 50 MHz 调制信号，计算出的 SNR 足以以近 68 dB 驱动功率放大器前端。还值得注意的是，可调谐滤波器对输出线性性能没有影响，并且其线性表现与固定滤波器一样。

信号链性能

发送器信号链性能已使用 Xilinx 开发套件进行了评估，该套件由 AMD Xilinx ZCU208 卡和用于差分到单端转换后 DAC 的 XM655 巴伦板组成。巴伦的输出连接到 OTFL101 评估板，然后该评估板连接到 Rhode & Schwarz FSW 频谱分析仪。所有结果均未针对传输线和板互连损耗进行去嵌入。

图 5：滤波前的 DAC 输出响应（Fo 为 4GHz）

在示例测试用例中，基带 CW 信号被调制为 4 GHz 的 DAC RF 输出频率。图 5显示了 DAC 输出图像以及 12 GHz 范围内 4 GHz 的所需信号，无需进行 DAC 后滤波。DAC 采样率已设置为 6.144 GHz。通过中心频率设置为约 3.9 GHz 的 OTFL101 进行滤波后的输出频谱显示，-2.2 GHz 处的 Fs-Fo 图像和 +3.88 GHz 处的 2Fs-Fo 图像与期望值相比有超过 50 dB 的抑制。信号（图6）。由于分析仪的宽跨度设置，带外本底噪声的降低并不明显。

图 6：OTFL101 滤波后，Fo = 4GHz

现在让我们看看更高的 DAC 输出频率，为此，滤波器接下来被调谐到 5 GHz，如图7所示，使用相同的过程，只是 DAC 数控振荡器 (NCO) 频率现在被移动以放置所需的 CW 信号频率为 5 GHz，DAC 采样率设置为 6.4Gsps。图 8显示了经过 OTFL101 滤波后的干净输出频谱。

 

 

图 7：OTFL101 从 4 至 5 GHz Fc 的响应

图 8：Fo = 5GHz 时的 OTFL101 滤波后

事实证明，OTFL101 在抑制不需要的镜像方面非常有效，在 1.39 GHz 下对 Fs-Fo 镜像的抑制率超过 50 dB，在 7.78 GHz 下对 2Fs-Fo 镜像的抑制率超过 50 dB。在广泛的射频输出频率范围内可以获得类似的结果，使得该射频系列完全可以通过软件编程，频率范围为 2.5 至 6 GHz。

 

原文链接：https://www.eeworld.com.cn/zt/Qorvo/view/1567