【導(dǎo)讀】在很多發(fā)射應(yīng)用中必須產(chǎn)生多路相對(duì)相位準(zhǔn)確已知的模擬輸出。在正交調(diào)制器中(圖 1)，I 和 Q 通道必須具有明確的相位關(guān)系來實(shí)現(xiàn)鏡頻抑制。圖 1 中，DAC1 和 DAC2 的延遲必須匹配。使用數(shù)字波束成形技術(shù)的發(fā)射器需要準(zhǔn)確地控制大量 DAC 之間的相對(duì)相位。
概述
在很多發(fā)射應(yīng)用中必須產(chǎn)生多路相對(duì)相位準(zhǔn)確已知的模擬輸出。在正交調(diào)制器中(圖 1)，I 和 Q 通道必須具有明確的相位關(guān)系來實(shí)現(xiàn)鏡頻抑制。圖 1 中，DAC1 和 DAC2 的延遲必須匹配。使用數(shù)字波束成形技術(shù)的發(fā)射器需要準(zhǔn)確地控制大量 DAC 之間的相對(duì)相位。
圖 1. 使用多路復(fù)用 DAC 的 I/Q 發(fā)射器中的 DAC 和第一上變頻級(jí)
使用具有多路輸入的 DAC (MUX-DAC)如 MAX19692，或具有數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出的內(nèi)插 DAC 時(shí)，輸入數(shù)據(jù)速率為 DAC 刷新速率的 1/N，DAC 在一個(gè)或兩個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)鐘跳變沿鎖存數(shù)據(jù)。MAX19692 中 N = 4，輸入數(shù)據(jù)速率為 DAC 刷新速率的 1/4。DAC 輸出一個(gè)由輸入時(shí)鐘經(jīng)數(shù)字分頻得到的數(shù)據(jù)時(shí)鐘(DATACLK)。DAC 上電時(shí)，數(shù)字時(shí)鐘分頻器可在 N 個(gè)狀態(tài)的任意一個(gè)啟動(dòng)。如果使用多個(gè) DAC，不同 DAC 的時(shí)鐘分頻器會(huì)在不同的狀態(tài)啟動(dòng)，所以 DAC 會(huì)在不同的時(shí)間鎖存數(shù)據(jù)。除非這種情況被發(fā)現(xiàn)并校正，否則不同的 DAC 輸出數(shù)據(jù)時(shí)相互之間可能會(huì)有一個(gè)或更多個(gè)時(shí)鐘周期的延遲。如果每個(gè) DAC 的時(shí)鐘分頻器可以復(fù)位，那么這種情況可以避免，但是仍然會(huì)存在一些問題。如果其中一個(gè)時(shí)鐘分頻器發(fā)生錯(cuò)誤，DAC 會(huì)變得永久異相，除非執(zhí)行一些錯(cuò)誤狀態(tài)檢測(cè)方法。為了保證系統(tǒng)的可靠性，必須檢測(cè)相位錯(cuò)誤狀態(tài)并改正。如果 DAC 工作于非常高速的狀態(tài)下，那么復(fù)位信號(hào)與輸入時(shí)鐘的同步也可能是個(gè)難題。
圖 2 所示是 MAX19692 的時(shí)鐘(CLKP，CLKN)和數(shù)據(jù)時(shí)鐘(DATACLKP，DATACLKN)接口的簡(jiǎn)化框圖。初始時(shí)鐘由一個(gè)兩位計(jì)數(shù)器四分頻后用于鎖存數(shù)字 DAC 輸入。該計(jì)數(shù)器可能在四個(gè)狀態(tài)中的任意一個(gè)啟動(dòng)(圖 3)。如果使用兩個(gè)多路復(fù)用 DAC，這兩個(gè) DAC 可能會(huì)在不同的狀態(tài)啟動(dòng)。這可能導(dǎo)致 DAC1 的鎖存與 DAC2 的鎖存之間存在 -1、0、1 或 2 個(gè)時(shí)鐘周期的延遲。
MAX19692 的數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出再由數(shù)據(jù)輸入鎖存時(shí)鐘進(jìn)行 2 分頻或 4 分頻。然后數(shù)據(jù)在雙倍數(shù)據(jù)率(DDR)模式下在時(shí)鐘的兩個(gè)跳變沿進(jìn)行鎖存，或者在四倍數(shù)據(jù)率(QDR)模式下在時(shí)鐘的每 90°相位處進(jìn)行鎖存。如果多個(gè) DAC 的數(shù)據(jù)時(shí)鐘延遲相匹配，或數(shù)據(jù)時(shí)鐘相互之間反相，那么鎖存時(shí)鐘相匹配。
圖 2. MAX19692 內(nèi)部時(shí)鐘接口框圖
圖 3. MAX19692 鎖存時(shí)鐘(四種可能的狀態(tài))
DAC 的同步問題有兩個(gè)方面：
DAC 的鎖存時(shí)鐘之間的相對(duì)相位必須被檢測(cè)。
DAC 之間的相對(duì)相位必須被調(diào)整直到 DAC 被合適地定相。
檢測(cè) DAC 之間的相位誤差可以通過檢測(cè)兩個(gè) DAC 之間的數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出的相位誤差來實(shí)現(xiàn)。相位檢測(cè)器可以像一個(gè)異或門一樣簡(jiǎn)單，也可以像相頻檢測(cè)器一樣復(fù)雜。
可以通過操作一個(gè)或更多個(gè) DAC 的時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)兩個(gè) DAC 之間的相位調(diào)整，直到 DAC 數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出的相對(duì)相位為零。另外一種方法可以測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)鐘之間的 DAC 延遲周期數(shù)和相應(yīng)的延遲數(shù)據(jù)。下面的段落講述了 I/Q 配置中的這兩種方法。
通過“吞”脈沖實(shí)現(xiàn) DAC 相位調(diào)整
如果 DAC 使用方波(比如 ECL)時(shí)鐘，兩個(gè) DAC 之間的同步可以用圖 4 所示的簡(jiǎn)單的高速邏輯電路來實(shí)現(xiàn)。為了簡(jiǎn)單明了，該原理圖中的邏輯配置只能實(shí)現(xiàn)單端功能。但是實(shí)際應(yīng)用中會(huì)使用差分邏輯如 ECL 來實(shí)現(xiàn)高速和低噪聲性能。
圖 4. 實(shí)現(xiàn) DAC 同步的簡(jiǎn)單的高速邏輯電路
MUX-DAC1 時(shí)鐘路徑上與門(G1)的插入允許對(duì) MUX-DAC1 的時(shí)鐘進(jìn)行操作。MUX-DAC2 的時(shí)鐘路徑上插入與門(G2)用于延遲匹配。異或門(G3)起相位檢測(cè)的作用。當(dāng) DATACLK1 和 DATACLK2 的輸出不同時(shí) G3 輸出“1”。如果 G3out = “1”，應(yīng)該“吞掉” MUX-DAC1 的時(shí)鐘脈沖，將 DATACLK1 的邊沿移位一個(gè) CLK 時(shí)鐘周期。G3 輸出的上升沿(G3out)由 FF1 和 G4 組成的上升沿檢測(cè)器(PED)來檢測(cè)。如果檢測(cè)到上升沿，PED 輸出“0”，持續(xù)一個(gè)時(shí)鐘周期。在 SPB 應(yīng)用于 G1 之前，F(xiàn)F2 將這個(gè)信號(hào)重新定時(shí)，從而使 MUX-DAC1 的一個(gè)時(shí)鐘脈沖被抑制。這就使 DATACLK1 延遲一個(gè) CLK 時(shí)鐘周期。經(jīng)過若干個(gè)時(shí)鐘周期后，DATACLK1 的延遲與 DATACLK2 一致，如圖 5 所示。使用這種方法時(shí)，觸發(fā)器要在時(shí)鐘的下降沿進(jìn)行狀態(tài)更新，以消除 DAC 時(shí)鐘信號(hào)的毛刺，兩個(gè) MUX-DAC 的輸入時(shí)序要相同。布線時(shí)要考慮延遲以確保滿足兩個(gè)觸發(fā)器的建立和保持時(shí)間的要求，且在時(shí)鐘為低時(shí)將 SPB 信號(hào)的脈沖應(yīng)用于 G1。否則，時(shí)鐘信號(hào)可能會(huì)產(chǎn)生毛刺。同時(shí)建議使用無噪聲電源為時(shí)鐘同步電路供電，將抖動(dòng)的引入減到最小。
圖 5. 所示邏輯電路操作的時(shí)序圖
通過輸入數(shù)據(jù)移位實(shí)現(xiàn) DAC 相位調(diào)整
可以利用 Xilinx® FPGA 中先進(jìn)的數(shù)字時(shí)鐘管理程序(DCM)來檢測(cè)兩個(gè) MUX-DAC 的數(shù)據(jù)時(shí)鐘之間的相位差異(圖 6)。DCM1 生成一個(gè)與 DATACLK1 和 DATACLK2 相同頻率的時(shí)鐘。以時(shí)鐘周期的 1/256 為間距對(duì) DCLK1 的延遲進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。觸發(fā)器 DFF1 和 DFF2 在每個(gè)時(shí)鐘周期對(duì) DATACLK1 和 DATACLK2 進(jìn)行一次采樣。如果 DFF1 在 DATACLK1 為低時(shí)采樣 DATACLK1，DFF1 會(huì)輸出固定的“0”。如果 DFF1 在 DATACLK1 為高時(shí)采樣 DATACLK1，DFF1 會(huì)輸出固定的“1”。所以 DFF3 和 DFF4 可在任意時(shí)鐘相位定時(shí)，與 DCLK1 的延遲設(shè)置無關(guān)。通過將 DCLK1 的延遲進(jìn)行分級(jí)，使用 DCM1 的動(dòng)態(tài)延遲調(diào)整功能以及讀取 DFF3 和 DFF4 的輸出，我們可以得到基于 DATACLK1 和 DATACLK2 上升沿的延遲設(shè)置。根據(jù)延遲設(shè)置，我們可以計(jì)算出為了保持 MUX-DAC1 和 MUX-DAC2 輸入數(shù)據(jù)的同相，MUX-DAC1 的輸入數(shù)據(jù)需要延遲的 DAC 時(shí)鐘周期數(shù)。FPGA 中 4 x 4 桶形移位器的實(shí)現(xiàn)可使數(shù)據(jù)等待時(shí)間以一個(gè) DAC 時(shí)鐘周期為增量進(jìn)行改變(參見圖 6)。
MAX19692 有四個(gè)并行數(shù)據(jù)端口 A、B、C 和 D。輸入 DAC 的數(shù)據(jù)序列是 An、Bn、 Cn、Dn、An+1、Bn+1、Cn+1、Dn+1、An+2 等。12 位 4 x 4 柱形移位器(圖 6)允許輸入 MUX-DAC1 的數(shù)據(jù)延遲 -1、0、1 或 2 個(gè) CLK 周期。因此可以進(jìn)行數(shù)據(jù)等待時(shí)間的調(diào)整直到兩個(gè) DAC 的輸出數(shù)據(jù)同相。這樣的話，兩個(gè) DAC 的數(shù)據(jù)時(shí)鐘可能相距幾個(gè)整數(shù)時(shí)鐘(CLK)周期且不再改變。由于 DAC 的建立和保持時(shí)間以數(shù)據(jù)時(shí)鐘為基準(zhǔn)，所以兩個(gè) DAC 的數(shù)據(jù)時(shí)序必須不同?？梢酝ㄟ^驅(qū)動(dòng) DAC 的 FPGA 中的多個(gè) DCM 來實(shí)現(xiàn)。
圖 6. 利用 FPGA 中桶形移位器的實(shí)現(xiàn)完成 MUX-DAC 的同步
每個(gè) DAC 使用一個(gè) PLL 實(shí)現(xiàn) DAC 同步
如果 DAC 使用鎖相環(huán)(PLL)合成器來定時(shí)，那么同步兩個(gè) DAC 的方法就是每個(gè) DAC 使用單獨(dú)的 PLL (圖 7)。DAC1 和 DAC2 的 LVDS 數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出相位與參考時(shí)鐘相比較。這樣的話，DAC 的內(nèi)部時(shí)鐘分頻器在時(shí)鐘生成 PLL 中作為反饋分頻器使用。
圖 7. 每個(gè) DAC 使用一個(gè) PLL 實(shí)現(xiàn) MUX-DAC 同步
這種方法中，兩個(gè) DAC 的建立和保持時(shí)間相匹配。但是這種方法有兩個(gè)缺點(diǎn)，兩個(gè) PLL 會(huì)帶來額外的成本且 PLL 的相位噪聲極限可能會(huì)造成性能極限。
結(jié)論
MAX19692 為 2.3Gsps、12 位、可工作于多個(gè)奈奎斯特頻帶內(nèi)的 DAC，具有集成的 4:1 輸入數(shù)據(jù)多路復(fù)用器，是 I/Q 應(yīng)用中的理想器件。當(dāng) I/Q 應(yīng)用中 MAX19692 的使用被強(qiáng)調(diào)時(shí)，所討論的方案同樣適用于其它 DAC 和應(yīng)用，比如在多于兩個(gè)通道應(yīng)用中使用的 MAX5858A。
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