浅析设计宽带宽 多通道系统的逐步注意事项
other parts discussed in post： adc12dj3200， adc12dj5200rf， lmk04828， lmx2594， lmk61e2
下一代航天和国防以及测试和测量系统带宽从10s到100s mhz横跨到ghz的瞬时带宽。相控阵雷达、5g无线测试系统、电子战以及数字示波器的发展趋势正在推动业内向更高带宽发展，并且大幅增加系统中的通道数量。
这些趋势使包括数据转换器、时钟和电源等组件的信号链设计变得复杂化。选择合适的数据转换器、同步多个通道以及优化电源，对于在多个通道上实现必要的带宽至关重要。
选择适合的数据转换器
每个系统架构都是从对系统性能影响最大的器件开始；在宽带系统中，最先开始的就是数据转换器。选择哪一款数据转换器取决于您对以下问题的回答：
您是否会使用零中频（if）/复数混频器架构（如图1所示）？
优势：模数转换器（adc）的输入带宽和采样率低于其他架构，由此可简化或消除滤波。
劣势：对于i和q路径，每个天线元件需要两个adc通道，且混频器图像可能会降低系统性能。
您是否会使用外差法（如图2所示）？
优势：您只需要一个数据转换器通道，且adc输入带宽低于射频（rf）采样。
劣势：需要一个或多个混频器，信号图像和产生的谐波会使滤波复杂化；很难调整响应频率；必须移动本地振荡器（lo）。
您是否会使用直接射频采样（如图3所示）？
优势：由于信号链简化，不再需要混频器；且使用数字下变频器（ddc）和数控振荡器（nco）可以很轻松以数字方式调整频率。
劣势：最高信号频率必须在adc的输入带宽内；需要进行频率规划以实现最高性能。
图1：“典型的复数混频器架构”
图2：典型的外差架构
图3：典型的射频采样架构
您需要测量的最宽带宽信号是什么？
数据转换器的采样率至少应为直接采样信号瞬时带宽的2.5倍，或是零中频的1.25倍。
为获得最佳性能，约为瞬时带宽10倍的采样率将使您更轻松避免信号谐波和杂散。
ti的射频采样频率规划器、模拟滤波器和ddc excel计算器可以满足频率规划和滤波要求，并向您展示信号的复杂数字抽取效果。
如前所述，宽带系统需要高采样率转换器。例如，信号带宽为1 ghz的射频采样系统可以从带~10-gsps转换速度的数据转换器中受益，从而避免信号谐波。目前，ti最快的转换器是adc12dj3200，它是一种12位adc，可在双通道模式下每通道运行3.2 gsps或在单通道模式下运行6.4 gsps。但即使在单通道模式下，它也不能满足所需的10-gsps速度。为了满足这一要求，适用于dso、雷达和5g无线测试系统的灵活3.2gsps多通道afe参考设计将两个adc12dj3200组合在一块板上，如图4所示。
图4：多通道afe参考设计框图
此参考设计提供了系统灵活性，因为它可以在四通道、3.2-gsps模式或双通道、6.4-gsps模式下运行，或者作为一个单通道以高达12.8 gsps的速度运行。我们的适用于高速示波器和宽带数字转化器的12.8-gsps模拟前端参考设计说明了两个adc的板载交错。
现在，随着我们新的双通道5.2-gsps adc12dj5200rf的推出，您的下一代设计将具有更高的性能和灵活性。由于adc12dj5200rf与adc12dj3200兼容引脚，我们很快就可以修改现有的参考设计，且现在可以提供适用于12位数字转换器的可扩展20.8gsps参考设计。在20.8gsps时，器件的整个8-ghz输入带宽可以在单个捕获中实现数字化。
设计时钟架构
选择数据转换器之后，就必须设计一个时钟架构。为单个数据转换器提供时钟非常简单，但是许多系统，比如我们的交错设计，需要同时为多个转换器提供时钟。例如，大型相控阵系统可以有数百个或数千个通道。而ti有多个器件和参考设计来应对此设计挑战。
我们的适用于dso、雷达和5g无线测试仪的多通道jesd204b 15-ghz时钟参考设计是一个完整的时钟子系统。此设计（如图5所示）包含如lmk61e2可编程振荡器和lmk04828等多个时钟参考，一个带有14个独立时钟输出的时钟分配器件，以及两个可提供高达15 ghz的超低相位噪声时钟的lmx2594锁相环/合成器（如图6所示）。此外，lmx2594还可以为带jesd204b接口的数据转换器生成同步sysref时钟。lmx2594还能够跨越多个设备同步时钟的相位。在参考设计中，您可以找到多个频率下的相位噪声图（如图6所示），并发现通道到通道偏斜的测量值小于10 ps。
图5：多通道jesd204b 15-ghz时钟框图
图6：15 ghz时的lmx2594相位噪声
根据配置，该电路板最多支持两个数据转换器和两个现场可编程门阵列（fpgas），且可轻松适应多达六个转换器和一个fpga的时钟。然而，许多系统需要更多的通道。对于这类情况，我们的适用于雷达和5g无线测试仪的高通道数jesd204b时钟生成参考设计和适用于雷达和5g无线测试仪的高通道数jesd204b菊链时钟参考设计能够在树形结构（如图7所示）或菊花链配置中运行时钟。您可以使用这些方法扩展到数千个通道，同时对系统性能的影响降至最低。
电源设计
一旦时钟架构确定，那么下一个挑战就是电源设计。由于数据转换器和时钟对dc/dc转换器的开关噪声敏感，所以大多数电源设计人员都会采用带低噪声、低压差稳压器的dc/dc转换器（ldo）。然而，经过精心布局和过滤，在许多电源上经常不需要ldo。
前面提到的3.2-gsps多通道模拟前端参考设计具有一个完整电源，包括dc/dc稳压器和ldo，如图8所示。此设计上的ldo可以用滤波器绕过，以测试哪些电源对开关噪声最敏感。我们的测试证实，绕过ldo时不会对设计的性能产生任何影响，也表明了电源效率增高的额外好处。
该电路板包含一系列沿顶部的排针引脚，这些排针引脚支持新的设计绕过板载电源解决方案，例如我们的可最大限度提高12.8gsps数据采集系统性能的低噪声电源参考设计（如图9所示），能够同步所有dc/dc稳压器与主时钟，从而更容易滤除转换器开关噪声。此外，您可以将时钟的相位移到每个转换器，以便所有转换器不会同时切换，从而降低总开关能量。最后，参考设计上的dc/dc转换器更加高效，降低了电路板上的总功耗。与最初设计一样，ldo仍然可以被绕过。
选择合适的数据转换器只是您面临的挑战之一。一旦做出选择，必须选择最好的时钟和电源设计，以免降低昂贵的数据转换器的性能。
其他资源
查看ti的培训视频：使用频率和采样率规划计算器来优化射频采样adc接收器性能。
查看ti的最高速adc和数模转换器产品组合。
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选择适合的数据转换器
每个系统架构都是从对系统性能影响最大的器件开始；在宽带系统中，最先开始的就是数据转换器。选择哪一款数据转换器取决于您对以下问题的回答：
您是否会使用零中频（if）/复数混频器架构（如图1所示）？
优势：模数转换器（adc）的输入带宽和采样率低于其他架构，由此可简化或消除滤波。
劣势：对于i和q路径，每个天线元件需要两个adc通道，且混频器图像可能会降低系统性能。
您是否会使用外差法（如图2所示）？
优势：您只需要一个数据转换器通道，且adc输入带宽低于射频（rf）采样。
劣势：需要一个或多个混频器，信号图像和产生的谐波会使滤波复杂化；很难调整响应频率；必须移动本地振荡器（lo）。
您是否会使用直接射频采样（如图3所示）？
优势：由于信号链简化，不再需要混频器；且使用数字下变频器（ddc）和数控振荡器（nco）可以很轻松以数字方式调整频率。
劣势：最高信号频率必须在adc的输入带宽内；需要进行频率规划以实现最高性能。
图1：“典型的复数混频器架构”
图2：典型的外差架构
图3：典型的射频采样架构
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数据转换器的采样率至少应为直接采样信号瞬时带宽的2.5倍，或是零中频的1.25倍。
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如前所述，宽带系统需要高采样率转换器。例如，信号带宽为1 ghz的射频采样系统可以从带~10-gsps转换速度的数据转换器中受益，从而避免信号谐波。目前，ti最快的转换器是adc12dj3200，它是一种12位adc，可在双通道模式下每通道运行3.2 gsps或在单通道模式下运行6.4 gsps。但即使在单通道模式下，它也不能满足所需的10-gsps速度。为了满足这一要求，适用于dso、雷达和5g无线测试系统的灵活3.2gsps多通道afe参考设计将两个adc12dj3200组合在一块板上，如图4所示。
图4：多通道afe参考设计框图
此参考设计提供了系统灵活性，因为它可以在四通道、3.2-gsps模式或双通道、6.4-gsps模式下运行，或者作为一个单通道以高达12.8 gsps的速度运行。我们的适用于高速示波器和宽带数字转化器的12.8-gsps模拟前端参考设计说明了两个adc的板载交错。
现在，随着我们新的双通道5.2-gsps adc12dj5200rf的推出，您的下一代设计将具有更高的性能和灵活性。由于adc12dj5200rf与adc12dj3200兼容引脚，我们很快就可以修改现有的参考设计，且现在可以提供适用于12位数字转换器的可扩展20.8gsps参考设计。在20.8gsps时，器件的整个8-ghz输入带宽可以在单个捕获中实现数字化。
设计时钟架构
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