作者：Erbe D. Reyta，硬件應(yīng)用工程師
Valentin Beleca，系統(tǒng)集成工程師
Mihai Bancisor，系統(tǒng)集成工程經(jīng)理
ADI公司
摘要
在涉及射頻(RF)的硬件測(cè)試中，選擇可配置、已校準(zhǔn)的可靠信號(hào)源是其中最重要的方面之一。本文提供了基于Raspberry Pi的高度集成解決方案，其可用于合成RF信號(hào)發(fā)生器，輸出DC至5.5 GHz的單一頻率信號(hào)，輸出功率范圍為0 dBm至-40 dBm。所提出的系統(tǒng)基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)架構(gòu)，并對(duì)其輸出功率與頻率特性進(jìn)行了校準(zhǔn)，可確保在整個(gè)工作頻率范圍中，輸出功率保持在所需功率水平的±0.5 dB以內(nèi)。
【資料圖】
簡(jiǎn)介
RF信號(hào)發(fā)生器，尤其是微波頻率的RF信號(hào)發(fā)生器，以前通常是基于鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器1來(lái)構(gòu)建。PLL支持從低頻參考信號(hào)生成穩(wěn)定的高頻信號(hào)。圖1顯示了一個(gè)基本PLL模型。該模型由反饋系統(tǒng)（其中包括一個(gè)包括一個(gè)電壓控制振蕩器（VCO）用于改變輸出頻率）、誤差檢測(cè)器（用于比較輸入?yún)⒖碱l率和輸出頻率）以及分頻器組成。當(dāng)分頻器的輸出頻率和相位等于輸入?yún)⒖嫉念l率和相位時(shí)，環(huán)路被認(rèn)為處于鎖定狀態(tài)。2–5
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圖1.基本PLL模型
根據(jù)應(yīng)用的不同，DDS架構(gòu)作為頻率合成器可能比PLL提供了一種更好的替代方案。。圖2顯示了一個(gè)典型的基于DDS的信號(hào)發(fā)生器。調(diào)諧字應(yīng)用于相位累加器，由后者確定輸出斜坡的斜率。累加器的高位經(jīng)過(guò)幅度正弦轉(zhuǎn)換器，最終到達(dá)DAC。與PLL相比，DDS的架構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。例如，DDS數(shù)字相位累加器可實(shí)現(xiàn)比基于PLL的頻率合成器更精細(xì)的輸出頻率調(diào)諧分辨率。
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圖2.基于DDS的典型信號(hào)發(fā)生器
PLL切換時(shí)間是其反饋環(huán)路建立時(shí)間和VCO響應(yīng)時(shí)間的函數(shù)，由于自身性質(zhì)的限制，其速度較慢，而DDS僅受數(shù)字處理延遲的限制，因此具有更快的切換速度。在電路板尺寸方面，DDS的面積更小，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，許多硬件RF設(shè)計(jì)難題也迎刃而解6。
下一部分將討論CN0511。一款基于DDS架構(gòu)的完整DC至5.5 GHz正弦波信號(hào)發(fā)生器的總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。接下來(lái)將討論矢量信號(hào)發(fā)生器架構(gòu)及其規(guī)格。而后將重點(diǎn)討論系統(tǒng)時(shí)鐘，包括時(shí)鐘參考要求以及時(shí)鐘管理單元和矢量信號(hào)發(fā)生器之間的電路連接。也會(huì)涉及電源架構(gòu)和系統(tǒng)布局，并進(jìn)一步說(shuō)明整體系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)高功率效率和合理的散熱性能。隨后的“軟件架構(gòu)和校準(zhǔn)”部分將圍繞系統(tǒng)軟件控制和校準(zhǔn)展開討論。該部分將解釋軟件提供的靈活控制以及如何校準(zhǔn)輸出功率。最后一部分將說(shuō)明整體系統(tǒng)性能，包括系統(tǒng)相位噪聲、校準(zhǔn)輸出功率和系統(tǒng)的熱性能。
系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)和設(shè)計(jì)考量
A：系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)
圖3所示系統(tǒng)是基于DDS架構(gòu)的完整DC至5.5 GHz正弦波信號(hào)發(fā)生器。四開關(guān)DAC核心和集成輸出放大器在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)提供極低的失真，并配有50Ω的輸出匹配終端。
板載時(shí)鐘解決方案包括參考振蕩器和PLL，因而無(wú)需外部時(shí)鐘源。所有電源均來(lái)自Raspberry Pi平臺(tái)板，其具有超高電源抑制比(PSRR)穩(wěn)壓器和無(wú)源濾波功能，可使大幅減小電源轉(zhuǎn)換器對(duì)RF性能的影響。
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圖3.CN0511：基于RPI的頻率合成RF信號(hào)發(fā)生器
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圖4.所用矢量信號(hào)發(fā)生器(AD9166)的功能框圖
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圖5.ADF4372 RF8x輸出級(jí)
圖3所示架構(gòu)可用于雷達(dá)、自動(dòng)測(cè)試、任意波形發(fā)生器和單音信號(hào)發(fā)生器等各種應(yīng)用。而本文中實(shí)現(xiàn)了單音信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用。以下小節(jié)將討論CN0511包含的主要集成器件。
B：矢量信號(hào)發(fā)生器
如圖4所示，所使用的DC至9 GHz矢量信號(hào)發(fā)生器包含一個(gè)6 GSPS（1倍不歸零模式）DAC、8通道、12.5 Gbps JESD204B數(shù)據(jù)接口以及一個(gè)具有多個(gè)數(shù)控振蕩器(NCO)的DDS。同時(shí)該器件是高度可配置的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)路徑，包括插值濾波器、反SINC補(bǔ)償和數(shù)字混頻器，支持靈活的頻譜規(guī)劃。
圖4所示系統(tǒng)利用DAC的48位可編程模數(shù)NCO以非常高的精度（43 μHz頻率分辨率）實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的數(shù)字頻移。該DAC的NCO僅需要SPI寫入接口速度達(dá)到100 MHz即可快速更新頻率調(diào)諧字(FTW)。SPI還支持配置和監(jiān)控該DAC中的各種功能模塊。本設(shè)計(jì)未使用JESD通道，器件僅在NCO模式下使用。
圖4中的矢量信號(hào)發(fā)生器集成了單端、50 Ω匹配的輸出RF放大器，因此無(wú)需采用復(fù)雜的RF輸出電路接口。表1顯示了AD9166的主要規(guī)格和在各種條件下的性能。
表1.AD9166主要規(guī)格
