3.1.1 A/D變換電路
A/D變換電路由TI公司的THS1206實(shí)現(xiàn)。這是一片高速四通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。四個(gè)通道可以用同一時(shí)鐘同時(shí)采樣保持,再分別進(jìn)行A/D變換,從而保持各通道信號的相位關(guān)系。當(dāng)只用一個(gè)通道時(shí),最高變換速率為6MSPS;作雙通道使用時(shí)為3MSPS;當(dāng)四通道同時(shí)使用為1.5MSPS。片上帶有16字12位的FIFO,使A/D變換數(shù)據(jù)可以整批傳送,實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。這一特性使它適于多通道I/Q信號的變換。在本智能天線平臺中采用四片THS1206,實(shí)現(xiàn)八元天線陣列基帶信號的1.5MSPS A/D變換,也很容易配置成四元天線陣列3MSPS的A/D變換或二元天線陣列6MSPS的A/D變換。
THS1206內(nèi)部的FIFO安排成環(huán)形,采用讀取點(diǎn)、寫入點(diǎn)和觸發(fā)點(diǎn)控制讀寫操作,如圖2所示。芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘CONV_CLK控制采樣保持和A/D變換,CONV_CLK讓四個(gè)通道的信號同時(shí)采樣保持,然后分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并自動順序?qū)懭隖IFO,同時(shí)FIFO的寫入點(diǎn)向前移動,指示下一個(gè)寫入點(diǎn);當(dāng)FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)定的觸發(fā)深度時(shí),發(fā)出數(shù)據(jù)就緒信號DATSA_AV發(fā)出,DSP讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),同時(shí)清除DATA_AV信號,讀取點(diǎn)和觸發(fā)點(diǎn)向前移動。芯片的工作方式由兩個(gè)寄存器控制,通過寫寄存器,可以選擇使用通道、工作模式、FIFO觸發(fā)深度、DATA_AV的極性與觸發(fā)方式等。
THS1206可以與C6701直接接口。在本智能天線實(shí)驗(yàn)平臺中,四個(gè)THS1206芯片的RD、WR、CS0和DATA分別接C6701EVM子卡接口的ARE、AWE、CE1和數(shù)據(jù)總線的D0-D11,THS1206的CS1分別接C6701不同的地址線,而DATA_AV分別接C6701不同的中斷輸入,所有THS1206的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘CONV_CLK由定時(shí)器0輸出TOUT0統(tǒng)一提供。
3.1.2 上行射頻通道
上行射頻通道由MAX2644低噪聲放大器(LNA)和MAX2701零中頻I/Q解調(diào)器組成。MAX2644工作于2.4GHz,噪聲系數(shù)2dB,提供16dB的增益。MAX2701是工作在2.1-2.5GHz的高線性直接正交下變頻器,利用外部提供的本振信號(LO),直接把2.4GHz的信號解調(diào)為基帶的I/Q信號,3dB基帶帶寬大于56MHz,全通道總增益大于110dB,AGC控制范圍大于60dB。由于采用零中頻結(jié)構(gòu),不需要中頻濾波器和下變頻到中頻,使射頻通道的結(jié)構(gòu)大為簡化。由于零中頻結(jié)構(gòu)沒有鏡像干擾,對射頻濾波器的要求大為降低。MAX2701由三部分組成:低噪聲放大器、正交下變頻器(I/Q解調(diào))、三級可控增益基帶放大器。進(jìn)入MAX2701的射頻信號先經(jīng)過LNA放大,經(jīng)一個(gè)外部的射頻濾波器濾波后由I/Q解調(diào)器變?yōu)榛鶐/Q信號,然后由三級基帶放大器放大,再經(jīng)外接抗混迭濾波器濾波后輸入到A/D變換電路。
3.2 下行通道
圖3給出智能天線實(shí)驗(yàn)平臺下行通道的框圖。待發(fā)送數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)通過PCI總線傳給C6701EVM評估板,C6701DSP根據(jù)波束成形的需要生成各通道所需的數(shù)字基帶I/Q信號;D/A變換器DAC2902把數(shù)字基帶I/Q信號變成模擬I/Q信號,為了保持各通道信號的相位關(guān)系,各路D/A變換器采用統(tǒng)一的時(shí)鐘啟動D/A變換,各路D/A變換器的控制信號由D/A變換控制電路產(chǎn)生;各通道模擬I/Q信號由零中頻I/Q調(diào)制器MAX2721上變頻到2.4GHz的射頻信號,經(jīng)過功率放大器MAX2242放大后送到天線陣列輻射,形成下行波束;各通道I/Q調(diào)制器所需的本振信號由統(tǒng)一的信號源產(chǎn)生以保證各通道的相位關(guān)系;C6701EVM通過McBSP發(fā)送命令到功率控制電路產(chǎn)生控制信號到MAX2721的功率控制端,控制天線陣列的輸出功率。
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3.2.1 D/A變換電路
D/A變換器采用TI公司的DAC2902實(shí)現(xiàn)。DAC2902是雙通道高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器,帶有兩個(gè)獨(dú)立的12位D/A轉(zhuǎn)換器,變換速度達(dá)125MSPS。它的兩個(gè)通道對稱性較好,適用于通信上I/Q通道的D/A轉(zhuǎn)換。DAC2902采用平衡電流輸出,通過外接電阻,滿幅度電流2mA-20mA可調(diào):
IoutFS=32·Vref/Rset
D/A的電流輸出可以驅(qū)動負(fù)載電阻獲得電壓輸出:
Vout=Iout·Rload=IoutFS·(Code/4906)·Rload
DAC2902兩個(gè)D/A通道分別使用兩個(gè)獨(dú)立的12位并行數(shù)據(jù)輸入口,并帶有各自的寫信號(WRT1、WRT2)和時(shí)鐘(CLK1、CLK2)輸入。WRT的上升沿把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)鎖入內(nèi)部的輸入鎖存器,在WRT下降沿把數(shù)據(jù)輸出至DAC鎖存器的輸入端;在CLK的上升沿把該數(shù)據(jù)鎖存到DAC鎖存器,開始D/A變換。因此DAC2902的D/A轉(zhuǎn)換由CLK的上升沿觸發(fā)。
在本智能天線實(shí)驗(yàn)平臺中,采用8個(gè)DAC2902實(shí)現(xiàn)八個(gè)通道D/A轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)各通道的相參操作,各通道DAC2902的CLK信號都由C6701EVM的定時(shí)器輸出TOUT0提供,而各通道的WRT信號由數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電路通過組合各自D/A通道地址和AWE信號產(chǎn)生:WRT通道i=/￣AWE.地址通道i。DSP把各通道輸出的數(shù)據(jù)寫入各DAC2902的輸入鎖存器,然后由TOUT0觸發(fā),同時(shí)啟動D/A變換。
3.2.2 下行射頻通道
下行射頻通道由直接(零中頻)I/Q調(diào)制器MAX2721和功率放大器MAX2242組成。MAX2721工作在2.1-2.5GHz,由I/Q調(diào)制器、可控增益射頻放大器VGA和預(yù)功放(PA Driver)組成,輸入I/Q信號把外部輸入的本振信號(LO)進(jìn)行I/Q調(diào)制,調(diào)制后經(jīng)VGA和預(yù)功放放大驅(qū)動功放MAX2242功率放大,由天線輻射。MAX2721的基帶I/Q輸入信號的3dB帶寬40MHz,載波抑制30dBc,邊帶抑制35dB,VGA增益控制范圍35dB,輸出功率-5dBm。功率放大器MAX2242工作在2.4-2.5GHz,提供28.5dBm功率增益和22.5dBm的線性輸出功率。8個(gè)射頻通道LO由同一信號源通過分支器提供,以保證各通道相參操作。
智能天線實(shí)驗(yàn)平臺所用的THS1206、DAC2902、MAX2701、MAX2721、MAX2242和MAX2644,MAXIM和TI公司提供了相應(yīng)的評估模塊(EVM或Evkit),用于評估對應(yīng)芯片性能。智能天線實(shí)驗(yàn)平臺可以采用這些評估模塊進(jìn)行構(gòu)建,極大地方便了智能天線實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)現(xiàn)。
智能天線硬件實(shí)驗(yàn)平臺是研究智能天線技術(shù)不可缺少的手段。本智能天線硬件實(shí)驗(yàn)平臺基于新一代的數(shù)字信號處理器C6701,采用高速A/D、D/A技術(shù)和零中頻射頻I/Q調(diào)制解調(diào)器,可對智能天線、空時(shí)編碼、多進(jìn)多出技術(shù)以及軟件無線電等方面的算法提供實(shí)際測試。為簡化電路,筆者在A/D、D/A與DSP接口中沒有采用外接FIFO或雙口RAM的結(jié)構(gòu),這需要占用DSP的資源。如果采用FIFO或雙口RAM并結(jié)合DMA方式,還可以進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)平臺的性能。如果采用更高速的A/D變換器,可以更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)中頻段的智能天線技術(shù)。
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