基于LTC5586的1GHz實時帶寬接收機設計

中國電子科技集團公司第四十一研究所 劉 軍 簡義全

0 引言

隨著現代信息化社會的不斷發展，在頻譜監測領域對實時性的要求越來越高，監測系統傳輸的數據也越來越大，因此對接收機同時處理大量數據的能力提出了更高的要求，1GHz實時帶寬接收機由此應運而生。本文基于凌特公司LTC5586線性I/Q解調器設計了一種1GHz實時帶寬接收機，該接收機方案簡單，電路容易實現，便于小型化設計和精簡成本，在頻譜監測應用中有很好的前景。

1 接收機整機方案介紹

1GHz實時帶寬接收機由于實時帶寬寬，對后端ADC要求高，一般常用方案是正交接收機，即信號經前置低噪聲放大后直接送入正交解調器，然后對I、Q兩路信號進行高速A/D變換，這種接收方案可以在相同的采樣頻率下使系統帶寬增加一倍，從而降低了系統硬件實現的門檻[1]。本文接收機采用LTC5586正交解調器，LTC5586的工作頻率范圍為300MHz-6GHz，中頻帶寬為DC-1GHz，優秀的線性度指標，便宜的價格，非常符合方案要求。

接收機的整體方案框圖如圖1：

圖1 接收機整體方案框圖

圖1 中，300MHz-6GHz射頻輸入信號通過天線進入接收機射頻端口，通過一個6GHz低通濾波器，然后進入LTC5586正交解調器，被下變頻到基帶，基帶信號通過一個500MHz低通濾波器，最后進入ADC數模轉換器轉換為數字信號，送到FPGA進行信號處理。

2 ADC電路設計

整個接收機系統設計中最復雜的部分是ADC處理部分電路，接收機帶寬高達1GHz，對后端ADC提出極高的要求。1GHz帶寬采用低通采樣，采樣率要大于2GHz，才能得到正常的采樣信號。雖然本文接收機通過正交變頻，將采樣率降低了一倍，采樣率仍然要大于1GHz才能滿足要求。1GHz以上采樣率的ADC價格昂貴，購買困難，于是采用多片低采樣率ADC交替采樣的方案來實現設計。時間交替采樣技術，也叫做并行多通道采樣技術，它的目標是通過時域上M個ADC的交替工作來達到單塊ADC采樣的效果，速度也達到原來單塊ADC的M倍[2]。

經過對比，確定ADC使用凌特公司LTC2158，LTC2158是雙通道差分輸入ADC，最高采樣率能達到310Msps。拼接后的采樣率達到1.2GHz，采用四片LTC2158并行采樣，每片ADC的采樣率為300Msps。四路ADC的采樣時鐘由一個時鐘分配電路產生，當工作在時間交替采樣模式下的時候，每路采樣時鐘之間依次相差90度，ADC電路原理框圖如圖2：

圖2 ADC電路原理框圖

ADC時鐘分配電路是ADC處理電路的關鍵部分之一，在這個部分里，我們的目標是要生成4路300MHz，每路之間依次相移90度的高質量時鐘。如果采用4塊分離時鐘驅動芯片來分別驅動4塊ADC，時鐘相位的延時難以準確實現，因此我們這里采用集成壓控振蕩器的鎖相環芯片來產生1.2GHz的時鐘，再使用時鐘分配芯片對其4分頻并生成依次相移90度的4路300MHz時鐘。時鐘電路原理框圖如圖3所示：

圖3 時鐘電路原理框圖

圖3 中，時鐘電路的核心器件為虛線框內標注的AD9510，AD9510是ADI公司的時鐘分配芯片，它具有PLL內核、分頻器。提供外部VCO和環路濾波器與AD9510構成PLL，產生需要的1.2GHz時鐘，然后再通過內部的分頻器四分頻輸出得到四路300MHz的時鐘信號，每路輸出之間相位相差90度。

3 本振電路設計

接收機工作頻率范圍為300MHz-6GHz，通過IQ解調器LTC5586下變頻到基帶，因此本振的頻率范圍確定為300MHz-6GHz[3]。本振電路采用鎖相環單環設計，鎖相環的頻率合成芯片使用ADI公司的HMC983/HMC984套片，該套片相噪指標優異，便于實現小頻率步進。本振電路原理框圖如圖4：

圖4 本振電路原理框圖

圖4 中，HMC983/HMC984套片和環路濾波器、6G-12G的VCO以及一個二分頻器構成鎖相環路，輸出3-6GHz信號，最后通過一個可編程數字分頻器分頻輸出300MHz-6GHz的本振頻率。

4 接收機測試結果

數字信號處理主要由FPGA來實現，FPGA選擇xilinx公司的k7系列產品XC7K410T。四路ADC輸出的LVDS信號送入FPGA進行處理，然后通過chipscope將處理完數據保存下來，利用MATLAB進行頻譜分析[4]。

修改本振參數，使本振輸出1GHz信號，射頻輸入990MHz信號，下變頻到10MHz，將單路ADC采集到的數據通過chipscope保存下來，在MATLAB中分析的頻譜如圖5：

圖5 10MHz中頻信號頻譜

從圖5中可以看出，10MHz信號時域波形是理想的正弦波形。頻域顯示的是第一奈奎斯特帶寬內的頻譜，10MHz主信號采樣正常，旁邊兩個比較明顯的雜散信號經分析是諧波信號[5]。如此，單路ADC采樣功能正常。

修改本振參數，使本振輸出2GHz信號，射頻輸入1.1GHz信號，下變頻到900MHz。將四路ADC采集的數據通過chipscope保存下來，在MATLAB中進行拼接后的頻譜如圖6：

從圖6中可以看出900MHz的主信號能正常分辨出來，對于低通采樣方案來說，在單路ADC采樣率為300Msps的情況下，理論上最多能正常采樣的輸入頻率為150MHz，900MHz是無法正常采樣的，但是通過時間交替采樣技術，就能使采樣率提高四倍，能正常采樣900MHz的輸入信號[6]。

圖6 900MHz中頻信號拼接后頻譜

同時發現，除了主信號以外，還有四個比較明顯的雜散信號，通過分析，這些雜散信號是由于時間交替采樣技術方案本身固有的誤差導致的[7]，誤差的來源有三個：1）各ADC的采樣時鐘延時精度不夠帶來的時延誤差。2）各ADC的增益不一致帶來的增益誤差。3）各ADC的偏置不一致帶來的偏置誤差[8][9][10]。這三種誤差可以通過誤差矯正算法校準消除。

5 結論

本文通過LTC5586正交解調器正交變頻設計了一種接收機，實現1GHz帶寬數據的實時處理。1GHz帶寬數據處理能力對后端ADC要求高，本文利用時間交替采樣技術實現較低采樣率的ADC并行采樣達到高采樣率的ADC處理能力。接收機實現了信號的正常采樣，說明該接收機方案是切實可行的，但是由于接收機本身固有的誤差，產生了比較大的雜散。雜散信號需要在后期的工作中進行誤差矯正消除。

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