14位高性能宽带模数转换器AD6655的特点性能和应用设计
1 引言
随着移动通信业务的迅猛发展，直放站作为改善移动网信号弱区盲区的重要设备，以其具有投资较少、结构简单、安装方便灵活等优点广泛应用于2g移动网。而目前2g网络仍使用模拟设备的直放站。对于第三代移动通信系统，各国提出了多种不同标准，但要统一标准非常困难。未来的移动通信系统存在着多频、多模、多体制和多标准等问题，这就限制了各种设备的互通和兼容，因此对软件无线电技术在直放站中的应用提出了切实需求。为了提高3g直放站的性价比，采用数字技术统一3g直放站的硬件平台是一种较好的解决方案。这里提出了一种以ad6655为数字中频信号采集系统核心的通用、可扩展的硬件平台设计。
2 ad6655简介
2.1 性能特性
ad6655是adi公司的一款高度集成的分集接收机，内置有低延迟的峰值检测器、rms信号功率监测器、两个14bit的a／d转换器以及一个数字下变频转换器（ddc）。ad6655采用1.8 v和3.3 v供电电源；当工作在32.7～70 mhz带宽内，采样速率为150 ms／s时，snr为74.0 dbc；而在70mhz带宽内，sfdr为84 dbc。因此，该器件适用于td-scdma、wcdma、cdma2000、wimax、gsm等多种制式接收机系统。
2.2 内部结构
ad6655内部结构框图如图1所示。ad6655内部包含丰富的信号监测系统，每个通道都有4-bit的信号检测位，允许监控数据以串行方式输出。
ad6655的主要功能模块是14-bit的a／d转换器和ddc。信号经采样保持器进入a／d转换器，再通过ddc下变频，最后通过输出缓存输出数据。其中ddc包括32-bit数控振荡器（nco）、低通／高通半带滤波器、fir滤波器和fdac／8 nco等模块。这4个模块除半带滤波器外，其余均为可选单元。因此，通过配置寄存器，ddc具有5种工作模式：半带滤波器工作模式，输出实信号数据；半带滤波器+fir滤波器，输出实信号数据；32-bit nco+半带滤波器模式，输出复信号数据；32-bit nco+半带滤波器+fir滤波器；输出复信号数据；32-bitnco+半带滤波器+fir滤波器+fdac／8 nco模式，输出实信号数据。用户可根据输人信号的频率、频谱宽度以及输出信号的要求来选择恰当的工作模式。
3 数字直放站系统设计
数字直放站是提供一种带有数字预失真、可实现多载波、数字化的3g基站延伸系统，实现3g基站射频信号大容量、大动态范围的远距离数字传输，并提供灵活多样的快速组网方式，支持多频段和开放式架构，实现远程升级以及分布式建网，能够有效提高网络性能并降低网络建设的运营成本。
3.1 数字直放站简介
数字直放站主要由射频、数字中频两部分组成。其中射频部分包括：低噪声放大器、模拟射频接收机、模拟射频发射机、多载波功率放大器；而数字中频包括：a／d转换器、d／a转换器、数字上／下变频、数字滤波与分集接收、数字预失真、峰均比抑制（cfr）模块。
数字上／下变频实现信号频谱搬移、采样率变换、通道滤波等功能。cfr模块用于降低3g信号的峰均比。在3g通信系统（如wcdma通信系统）中，信号的峰均比较高，一般可达10～14 db。由于大多数功率类放大器都是非线性的，其动态范同有限，这就要求d／a转换前信号的峰均比应确保5～8 db。采用cfr模块降低信号的峰均比，防止子载波间的交调干扰和频谱外泄，改善系统性能，提高功率器件的工作效率。自适应数字预失真模块可消除功放产生的非线性引起的失真。
3.2 系统硬件设计
本系统设计主要是基于软件无线电的设计思想，旨在设计一个通用的硬件平台，具有模块化、开放性、可扩展性等特点，可实现在不同载波间平滑过渡、不同制式之间轻松升级。数字直放站系统设计框图如图2所示。
ad6655采集模拟混频器传输的中频信号，并将数字信号传输给fpga。单片机（mcu）选用atmega16l，实现对a／d转换器、d／a转换器、时钟等功能模块的配置和通信控制。fpga选用xilinx公司的virtex-4 sx35，其具有运行频率高，dsp功能强大等特点。fpga作为整个系统的核心完成数字下变频、数字上变频和降低峰均比等功能。
针对不同应用的接收机，需选择不同的采样技术，进而确定最佳的采样频率及中频频率。针对3g信号带宽、工作频点高的特点，如wcdma信号发射频段为2 110～2 170 mhz、四载波带宽20 mhz，需选用带通采样。合理选择采样频率和if频率有利于简化a／d转换前的抗混叠滤波器设计，提高频率分辨率。根据ad6655性能综合考虑，该系统设计设定采样频率为122.88 mhz，中频频率为153.6 mhz。
ad6655中的ddc是对整个通带内信号的初步下变频，降低通带内信号fpga信号处理时钟的要求。由于本系统设计选用带通采样技术，通带内信号将在频域大于fs的整数倍处镜像。在采样频率为122.88 mhz，中频频率为153.6 mhz的情况下，选择第一奈奎斯特区间内镜像，其中心频点应在30.72 mhz。为实现hb滤波器的最佳效果，需将信号的中心频率变换到零中频，32-bit nco频率控制字ncq_freq为0x40000000。将多相结构的19阶hb滤波器与66阶fir滤波器配合使用能够实现良好的低通效果，如图3所示。
需注意hb滤波器对信号带宽的限制，在122.88 mhz的采样时钟，hb滤波器带宽可达24 mhz。同时hb滤波器就是抽取率为2的下变频器。ddc最后一级fdac／8 nco经低通滤波的信号频谱搬移至15.36 mhz。
图4为ad6655的实际应用电路，采用宽带变压器实现单端信号与差分信号的转换。这样在模拟信号阶段可以滤掉偶次谐波分量和共模干扰信号（如电源和地引人的噪声）。该系统设计提供了两种在a／d转换器的模拟信号输入端加入一个直流偏置的方法：第一种方法是南a／d转换器自带的cml信号提供，直流偏置同定；另一种方法是由r507、r513对模拟电源分压提供，直流偏置可根据需求修改。建议直流偏置等于avdd／2。
电路中r500、r501、c482构成简易的抗混叠滤波器，具体数值可根据实际选用的中频频率计算。需要注意的是，该应用电路未给出退耦电容，在实际应用时需增必需的退耦电容。
ad6655通过mcu的spi总线配置寄存器参数。ad6655采用片选信号（csb）、串行通信时钟（selk）、串行通信数据输出／输入端口实现系统控制（sdio）。先将0x00寄存器配置为0x3c，再配置为0x18，实现对ad6655寄存器的软件复位；当无模拟信号接入时，若发现经过ad6655转换后数字信号不是0x2000，则需要配置0x10寄存器，用于补偿直流偏置误差直至满足要求；分别配置0x102、0x103、0x11d寄存器为0x01、0x01、0x07，使ad6655工作于第5种工作模式；通过配置0x11e～0x121寄存器，设定32-bit nco频率为30.72 mhz，相应频率字为0x40000000。
4 测试结果
4.1 测试方案
中频输入信号由 agilent e4438c产生的四载波wcdma中频信号，其中心频点为137.88 mhz，分别将4个载波频点设置为130.38 mhz、135.38 mhz、140.38 mhz、145.38 mhz，输入信号幅值为0 dbm。信号经数字直放站中频板后，将中频信号分别接入频谱仪agilent e4408b观察信号的频谱及wcdma信号性能指标。
4.2 测试结果及分析
图5给出wcdma中频信号经过系统板后，中频输出信号的频谱。由图5看出，输出信号的载波数和频点符合设置信息，输出频点为（122.88+7.5）mhz，（122.88+12.5）mhz，（122.88+17.5）mhz，（122.88+22.5）mhz，aclr约为45 db@5mhz，45 db@10 mhz。同时测得各频点平均evm为4.68％，一般来说，射频电路的evm为3％～5％。这样，数字中频与射频级联后，evm仍小于12.5％。所以该系统evm值可达到指标要求。
从功能上看，该设计方案实现了数字直放站数字中频系统的基本功能；从指标性能上看，该方案虽达到指标要求，但其性能仍需优化。由于cdma2000单载波的数据量比wcdma小，对接收机噪声系数以及a／d转换的要求也比wcdma的要求低，所以只要重新配置参数，并通过相应程序代码下载到fpga，可便于实现cdma2000多载波数字中频系统。该系统硬件平台也适用于gsm数字中频，可实现gsm数字中频更多载波的扩容与升级。
5 结语
ad6655是采样速率高达150 ms／s的14位高性能宽带模数转换器，内部集成nco、hb滤波器、fir数字滤波器，并具有多种工作模式和良好的交流和直流性能。因此，ad6655可应用于通信、图像采集系统中，适用于不同制式移动通信系统中数字直放站的信号采集系统。
自顶向下的语法分析器—采用递归下降方法
在智能穿戴设备和家用电器中实现物联网和AI的高级融合
12月全国狭义乘用车销量为228.8万辆,呈现市场稳步回暖的态势
电阻器和颜色代码及阻值识别分析
vivo NEX 3S将于3月10日正式发布该机搭载骁龙865平台支持双模5G
14位高性能宽带模数转换器AD6655的特点性能和应用设计
微软将在本月强制删除Flash
智能手表的功能介绍
数字化办公，就选流畅、清晰的华为云桌面
图像传感器行业分析
三星Tab S7系列平板渲染图在网上曝光 还有新功能加入
脉冲电子围栏常见故障及解决方法
小米Civi 2官宣 将于9月27日正式发布
变压器和电源是不是同一种产品？
射频导纳料位计与静电容式料位计的区别
iPhone13或将使用增强版5nm芯片
MP6612替代/MP661国产替代PN7709双通道H桥电机驱动芯片
如何证明CPU指令是乱序执行的呢？
传统香港服务器数据中心正在面临哪些挑战
中兴通讯部长陈宗琮表示光接入和5G更多是融合协同和互补的关系
随着移动通信业务的迅猛发展，直放站作为改善移动网信号弱区盲区的重要设备，以其具有投资较少、结构简单、安装方便灵活等优点广泛应用于2g移动网。而目前2g网络仍使用模拟设备的直放站。对于第三代移动通信系统，各国提出了多种不同标准，但要统一标准非常困难。未来的移动通信系统存在着多频、多模、多体制和多标准等问题，这就限制了各种设备的互通和兼容，因此对软件无线电技术在直放站中的应用提出了切实需求。为了提高3g直放站的性价比，采用数字技术统一3g直放站的硬件平台是一种较好的解决方案。这里提出了一种以ad6655为数字中频信号采集系统核心的通用、可扩展的硬件平台设计。
2 ad6655简介
2.1 性能特性
ad6655是adi公司的一款高度集成的分集接收机，内置有低延迟的峰值检测器、rms信号功率监测器、两个14bit的a／d转换器以及一个数字下变频转换器（ddc）。ad6655采用1.8 v和3.3 v供电电源；当工作在32.7～70 mhz带宽内，采样速率为150 ms／s时，snr为74.0 dbc；而在70mhz带宽内，sfdr为84 dbc。因此，该器件适用于td-scdma、wcdma、cdma2000、wimax、gsm等多种制式接收机系统。
2.2 内部结构
ad6655内部结构框图如图1所示。ad6655内部包含丰富的信号监测系统，每个通道都有4-bit的信号检测位，允许监控数据以串行方式输出。
ad6655的主要功能模块是14-bit的a／d转换器和ddc。信号经采样保持器进入a／d转换器，再通过ddc下变频，最后通过输出缓存输出数据。其中ddc包括32-bit数控振荡器（nco）、低通／高通半带滤波器、fir滤波器和fdac／8 nco等模块。这4个模块除半带滤波器外，其余均为可选单元。因此，通过配置寄存器，ddc具有5种工作模式：半带滤波器工作模式，输出实信号数据；半带滤波器+fir滤波器，输出实信号数据；32-bit nco+半带滤波器模式，输出复信号数据；32-bit nco+半带滤波器+fir滤波器；输出复信号数据；32-bitnco+半带滤波器+fir滤波器+fdac／8 nco模式，输出实信号数据。用户可根据输人信号的频率、频谱宽度以及输出信号的要求来选择恰当的工作模式。
3 数字直放站系统设计
数字直放站是提供一种带有数字预失真、可实现多载波、数字化的3g基站延伸系统，实现3g基站射频信号大容量、大动态范围的远距离数字传输，并提供灵活多样的快速组网方式，支持多频段和开放式架构，实现远程升级以及分布式建网，能够有效提高网络性能并降低网络建设的运营成本。
3.1 数字直放站简介
数字直放站主要由射频、数字中频两部分组成。其中射频部分包括：低噪声放大器、模拟射频接收机、模拟射频发射机、多载波功率放大器；而数字中频包括：a／d转换器、d／a转换器、数字上／下变频、数字滤波与分集接收、数字预失真、峰均比抑制（cfr）模块。
数字上／下变频实现信号频谱搬移、采样率变换、通道滤波等功能。cfr模块用于降低3g信号的峰均比。在3g通信系统（如wcdma通信系统）中，信号的峰均比较高，一般可达10～14 db。由于大多数功率类放大器都是非线性的，其动态范同有限，这就要求d／a转换前信号的峰均比应确保5～8 db。采用cfr模块降低信号的峰均比，防止子载波间的交调干扰和频谱外泄，改善系统性能，提高功率器件的工作效率。自适应数字预失真模块可消除功放产生的非线性引起的失真。
3.2 系统硬件设计
本系统设计主要是基于软件无线电的设计思想，旨在设计一个通用的硬件平台，具有模块化、开放性、可扩展性等特点，可实现在不同载波间平滑过渡、不同制式之间轻松升级。数字直放站系统设计框图如图2所示。
ad6655采集模拟混频器传输的中频信号，并将数字信号传输给fpga。单片机（mcu）选用atmega16l，实现对a／d转换器、d／a转换器、时钟等功能模块的配置和通信控制。fpga选用xilinx公司的virtex-4 sx35，其具有运行频率高，dsp功能强大等特点。fpga作为整个系统的核心完成数字下变频、数字上变频和降低峰均比等功能。
针对不同应用的接收机，需选择不同的采样技术，进而确定最佳的采样频率及中频频率。针对3g信号带宽、工作频点高的特点，如wcdma信号发射频段为2 110～2 170 mhz、四载波带宽20 mhz，需选用带通采样。合理选择采样频率和if频率有利于简化a／d转换前的抗混叠滤波器设计，提高频率分辨率。根据ad6655性能综合考虑，该系统设计设定采样频率为122.88 mhz，中频频率为153.6 mhz。
ad6655中的ddc是对整个通带内信号的初步下变频，降低通带内信号fpga信号处理时钟的要求。由于本系统设计选用带通采样技术，通带内信号将在频域大于fs的整数倍处镜像。在采样频率为122.88 mhz，中频频率为153.6 mhz的情况下，选择第一奈奎斯特区间内镜像，其中心频点应在30.72 mhz。为实现hb滤波器的最佳效果，需将信号的中心频率变换到零中频，32-bit nco频率控制字ncq_freq为0x40000000。将多相结构的19阶hb滤波器与66阶fir滤波器配合使用能够实现良好的低通效果，如图3所示。
需注意hb滤波器对信号带宽的限制，在122.88 mhz的采样时钟，hb滤波器带宽可达24 mhz。同时hb滤波器就是抽取率为2的下变频器。ddc最后一级fdac／8 nco经低通滤波的信号频谱搬移至15.36 mhz。
图4为ad6655的实际应用电路，采用宽带变压器实现单端信号与差分信号的转换。这样在模拟信号阶段可以滤掉偶次谐波分量和共模干扰信号（如电源和地引人的噪声）。该系统设计提供了两种在a／d转换器的模拟信号输入端加入一个直流偏置的方法：第一种方法是南a／d转换器自带的cml信号提供，直流偏置同定；另一种方法是由r507、r513对模拟电源分压提供，直流偏置可根据需求修改。建议直流偏置等于avdd／2。
电路中r500、r501、c482构成简易的抗混叠滤波器，具体数值可根据实际选用的中频频率计算。需要注意的是，该应用电路未给出退耦电容，在实际应用时需增必需的退耦电容。
ad6655通过mcu的spi总线配置寄存器参数。ad6655采用片选信号（csb）、串行通信时钟（selk）、串行通信数据输出／输入端口实现系统控制（sdio）。先将0x00寄存器配置为0x3c，再配置为0x18，实现对ad6655寄存器的软件复位；当无模拟信号接入时，若发现经过ad6655转换后数字信号不是0x2000，则需要配置0x10寄存器，用于补偿直流偏置误差直至满足要求；分别配置0x102、0x103、0x11d寄存器为0x01、0x01、0x07，使ad6655工作于第5种工作模式；通过配置0x11e～0x121寄存器，设定32-bit nco频率为30.72 mhz，相应频率字为0x40000000。
4 测试结果
4.1 测试方案
中频输入信号由 agilent e4438c产生的四载波wcdma中频信号，其中心频点为137.88 mhz，分别将4个载波频点设置为130.38 mhz、135.38 mhz、140.38 mhz、145.38 mhz，输入信号幅值为0 dbm。信号经数字直放站中频板后，将中频信号分别接入频谱仪agilent e4408b观察信号的频谱及wcdma信号性能指标。
4.2 测试结果及分析
图5给出wcdma中频信号经过系统板后，中频输出信号的频谱。由图5看出，输出信号的载波数和频点符合设置信息，输出频点为（122.88+7.5）mhz，（122.88+12.5）mhz，（122.88+17.5）mhz，（122.88+22.5）mhz，aclr约为45 db@5mhz，45 db@10 mhz。同时测得各频点平均evm为4.68％，一般来说，射频电路的evm为3％～5％。这样，数字中频与射频级联后，evm仍小于12.5％。所以该系统evm值可达到指标要求。
从功能上看，该设计方案实现了数字直放站数字中频系统的基本功能；从指标性能上看，该方案虽达到指标要求，但其性能仍需优化。由于cdma2000单载波的数据量比wcdma小，对接收机噪声系数以及a／d转换的要求也比wcdma的要求低，所以只要重新配置参数，并通过相应程序代码下载到fpga，可便于实现cdma2000多载波数字中频系统。该系统硬件平台也适用于gsm数字中频，可实现gsm数字中频更多载波的扩容与升级。
5 结语
ad6655是采样速率高达150 ms／s的14位高性能宽带模数转换器，内部集成nco、hb滤波器、fir数字滤波器，并具有多种工作模式和良好的交流和直流性能。因此，ad6655可应用于通信、图像采集系统中，适用于不同制式移动通信系统中数字直放站的信号采集系统。
自顶向下的语法分析器—采用递归下降方法
在智能穿戴设备和家用电器中实现物联网和AI的高级融合
12月全国狭义乘用车销量为228.8万辆,呈现市场稳步回暖的态势
电阻器和颜色代码及阻值识别分析
vivo NEX 3S将于3月10日正式发布该机搭载骁龙865平台支持双模5G
14位高性能宽带模数转换器AD6655的特点性能和应用设计
微软将在本月强制删除Flash
智能手表的功能介绍
数字化办公，就选流畅、清晰的华为云桌面
图像传感器行业分析
三星Tab S7系列平板渲染图在网上曝光 还有新功能加入
脉冲电子围栏常见故障及解决方法
小米Civi 2官宣 将于9月27日正式发布
变压器和电源是不是同一种产品？
射频导纳料位计与静电容式料位计的区别
iPhone13或将使用增强版5nm芯片
MP6612替代/MP661国产替代PN7709双通道H桥电机驱动芯片
如何证明CPU指令是乱序执行的呢？
传统香港服务器数据中心正在面临哪些挑战
中兴通讯部长陈宗琮表示光接入和5G更多是融合协同和互补的关系